Схемы транзисторных ключей

Транзисторные ключи выполняют насыщенными и ненасыщен­ными.

Насыщенные ключи в открытом состоянии отличаются большой стабильностью (изменение внешней загрузки, т. е. тока в цели коллектора, не выводит транзистор из режима насыщения). В от­крытом и закрытом состоянии насыщенные ключи потребляют незна­чительную мощность, так как в первом случае напряжение на переходе эмиттер — коллектор близко к нулю, а во втором — ток в цепи кол­лектора близок к нулю. Насыщенные ключи обеспечивают большой перепад выходного напряжения. Однако по быстродействию насыщен­ные ключи уступают ненасыщенным: рассасывание накопившихся в ба­зе носителей занимает определенное время.

На рис. 7.4 приведена схема распространенного насыщенного ключа с общим эмиттером. При подаче входного напряжения - U_вх (мину­сового) на базу возрастает базовый ток, сила которого ограничивается резистором R. Транзистор переходит в насыщенный режим, когда коллекторный ток ограничивается только резистором R_k:

I_кн»Е_к/R_к.

Во время действия входного напряжения коллекторный ток насы­щения I_кн остается практически неизменным. Для того чтобы обеспе­чить режим насыщения, необходим ток базы

I_б³I_кн/b,

где b — коэффициент передачи тока базы, который для разных тран­зисторов имеет значения 19—99.

Источник Е_б надежно закрывает транзистор, так как подключается «плюсом» на базу при отключении входного напряжения. Если источ­ника Е_б нет и U_вх=0, транзистор не закроется. Источник питания Е_к в цепи базы создает обратный ток коллектора I_ко, который в боль­шой степени зависит от температуры (иногда его называют тепловым током). При нормальной температуре тепловой ток составляет единицы или десятки микроампер, но с повышением температуры быстро возра­стает. Так, для германиевых транзисторов на каждые 10°С изменения температуры сверх 20°С ток I_ко возрастает приблизительно вдвое.

Обратный ток коллектора I_ко на резисторе R создает падение на­пряжения с отрицательной полярностью на базе, которая может быть достаточной для открытого состояния транзистора. Поэтому напряжение Е_б должно компенсировать отрицательную полярность базы при максимальной ра­бочей температуре. Тепловой ток I_ко протекает частично по резистору R_б и создает на нем падение напряжения.

В закрытом состоянии транзистора напряжение на переходе база —эмиттер

,

после упрощения: или , где - максимальный обратный ток транзистора при максимальной температуре. Напряжение смещения принимают равным 1,5 – 2,5 В.

Напряжение U_бэ должно обеспечить напряжение 0,05 - 0,1 B с положитель­ной полярностью на базе для надежного закрывания. Обратный ток коллектора I_ко не зависит от источни­ка Е_б. При большом сопротивлении R_б и достаточно высокой температуре падение напряжения на R_б может оказаться больше, чем Е_б и транзистор не закроется. Эти обстоятельства принимают во вни­мание при выборе R_б и Е_б.

Условие насыщения выполняется при т.е.

.

Конденсатор С ускоряющий, так как сокращает время переключе­ния транзистора. При подаче входного сигнала конденсатор заряжает­ся, шунтируя резистор R . Поэтому на время заряда ток базы увеличи­вается, что способствует ускорению перехода транзистора из закрытого состояния в открытое. К моменту окончания заряда конденсатора ток базы будет ограничен только резистором R.

При снятии входного сигнала конденсатор раз­ряжается через внутренние сопротивления источников Е_б и U_вх. По­ложительный потенциал базы увеличивается, и транзистор быстрее переходит в закрытое состояние.

На рис. 7.5 приведена схема ненасыщенного ключа, в которой насыщение транзистора исключается из-за диода VD. В про­цессе открывания транзистора отрицательный потенциал коллектора уменьшается. Диод VD открывается, когда потенциал анода превысит потенциал катода. После этого напряжение на переходе эмиттер — коллектор U_к будет больше Е₁ на значение падения напряжения на открытом диоде VD. Полного насыщения транзистора не происходит, так как напряжение U_к не может уменьшиться.

После открывания диода VD увеличение тока коллектора I_к при­водит к увеличению тока через диод VD, а ток через резистор R_к ос­тается практически неизменным.

При поступлении запирающего сигнала начинают уменьшаться ток I_к и ток через диод VD, а ток через резистор R_к и выходное напряжение U_вых не будут изменяться до тех пор, пока ток через диод не станет равным нулю, т. е. пока не закроется диод. Задержка закрывания тран­зистора является недостатком этой схемы.

Ненасыщенный ключ имеет свои недостатки: остаточное напряжение в открытом состоянии больше, чем у насыщенного, схема имеет меньшую помехоустойчивость и термостабильность.