Лекция 9. Транзисторные ключи

Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение элек­тронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю.

Электронным ключом называется устройство, обладающее двумя состояниями: “включено” и “выключено”, которые отличаются друг от друга значением выходного параметра: R_вых, U_вых, I_вых.

Элементарным ключом является нелинейное устройство, два рабочих состояния которого отличаются выходным сопротивлением. В качестве активного элемента в электронном ключе используются диоды, транзисторы и другие элементы с выраженной нелинейностью вольтамперной характеристики. Кроме активных элементов в состав ключа входят источники питающих напряжений, пассивные элементы и т.д.

В микроэлектронном исполнении в качестве активного элемента используются интегральные диоды и транзисторы. Наибольшее применение нашли транзисторные ЭК.

Разновидности транзисторных ключей (ТК):

· ключ с общей базой;

· ключ с общим коллектором;

· ключ с общим эмиттером;

· ключ-звезда.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключевых элементов находят транзисторные каскады, в первую очередь каскад с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 9.1. Схема ключа на биполярном транзисторе

Рис. 9.2. ВАХ транзисторного ключа

При работе транзисторного ключа переключение из открытого состояния в разомкнутое и обратно происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Следовательно, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является важным преимуществом по сравнению с аналоговыми устройствами.

Рассмотрим работу такого каскада в ключевом режиме. При рассмотрении воспользуемся графическим методом расчета транзисторных цепей. На рис. 3.4,б приведена выходная характеристика транзистора, на которой нанесена нагрузочная линия, пересекающая оси координат в точках (u_к=Е_к, i_к=0) и (u_к=0, i_к=Е_к/R_к).

В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях:

1. Состояние (режим) отсечки («ключ разомкнут»). При этом через транзистор протекает минимальный ток.

Рис.9.3. Схемы замещения транзисторного ключа:

а) в режиме насыщения; б) в режиме отсечки

Это состояние соответствует точке А на диаграмме. i_к=I_кбо@0, напряжение на транзисторе u_к@ Е_к. Транзистор в режиме отсечки может быть представлен схемой замещения, содержащей только 1 источник тока I_кбо, включенный между базой и коллектором.

Для того чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо выполнить условие отсечки: сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора или для n-p-n транзистора выполнить условие u_Б<0

Мощность, теряемая в режиме отсечки на транзисторном ключе, Р_к= u_к* i_к мала, так как мал ток.

1. Uk

   Состояние (режим) насыщения («ключ замкнут»). Минимальное напряжение на транзисторе u_к=U_кэ,н@0 соответствует точке В на диаграмме. Ток через транзистор ограничен резистором R_к и определяется

I_к,н=

В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжение между электродами транзистора малы. Транзистор в режиме насыщения представлен схемой замещения, которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что «транзистор стянут в точку»).

Режим насыщения достигается уже при i_б= I_б,н= I_к,н / h_21э. Дальнейшее увеличение тока базы i_б> I_б,н не изменяет токов коллекторной цепи. Т.О., условие насыщения транзистора записывается в виде i_б≥I= I_к,н / h_21э, где I_к,н@ Е_к / R_н

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие i_б≥I= I_к,н / h_21э, где I_к,н@ Е_к / R_н выполнялось при h_21э = h_{21э min}. Величина S_н= i_б / I_б,н≥1 называется коэффициентом насыщения транзистора.

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе, Р_к= U_к* i_к мала, т.к. мало напряжение. Напряжение U_кэ,н приводиться в справочниках, для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U_кэ,н << Е_к.

При работе транзисторного ключа переключения из открытого состояния в разомкнутое и обратно происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, не значительны. Таким образом, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является важным преимуществом по сравнению с полупроводниковыми устройствами непрерывного действия..

Включение транзисторного ключа

Транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения и обратно не мгновенно, а в течение определенного времени. Эта инерционность биполярного транзистора обусловлена двумя ос­новными факторами: накоплением заряда неосновных носителей в базе и емкостями коллекторного С_к и эмиттерного Сэ перехо­дов. Кроме того, на длительность переходных процессов тран­зисторного ключа оказывает влияние емкость нагрузки С_н.

Расчет длительности переходных процессов в транзисторном ключе проводится методом заряда, базирующимся на том факте, что в базе объемный заряд неосновных носителей скомпенсиро­ван, т. е. база электрически нейтральна.

Метод заряда. Так как в базе (p-область) неосновными но­сителями являются электроны, то при u_бэ > U_отп ток базы i_б(t) определяет скорость накопления электронов dq/dt в ней (q — заряд неосновных носителей) и компенсирует их убывание q/t в результате рекомбинации (t — время жизни неосновных носителей в базе). Кроме того, ток базы идет на перезарядку ем­костей' Ск и Сэ при изменении напряжения на переходах. Следо­вательно,

(2)

Если емкостные токи коллекторного и эмиттерного переходов невелики, то уравнение (2) упрощается:

dq/dt + q/t = i_б(t) (3)

В стационарном состоянии, когда dq/dt = 0,

q = tI_б, (4)

т. е. избыточный заряд неосновных носителей в базе пропорцио­нален базовому току. Это соотношение справедливо не только в активном режиме, но и в режиме насыщения транзистора.

С помощью уравнений (2) или (3) можно определить объем­ный заряд неосновных носителей в базе в функции времени. Од­нако при расчете импульсных схем на транзисторах основной ин­терес представляет определение закона изменения коллекторно­го тока.

В активном режиме работы транзистора при условии, что рас­пределение концентрации неосновных носителей заряда в базе является линейным, имеет место соотношение, которое с извест­ным приближением дает связь между зарядом неосновных носителей в базе и коллекторным током транзистора:

(5)

Это соотношение в стационарном режиме справедливо с высокой точностью. Однако в переходном режиме, длительность которо­го соизмерима с временем распространения носителей вдоль базы, линейный характер распределения неосновных носителей в базе нарушается.

Решая уравнения (2) или (3) и используя соотношение (5), можно определить закон изменения коллекторного тока при заданном базовом токе. Преобразуем по Лапласу уравнение (3), поскольку это упрощает процедуру решения при различных начальных условиях:

(6)

где q(0) — начальное значение заряда неосновных носителей в базе; р — оператор Лапласа.

Задержка включения. Рассмотрим процесс включения тран­зисторного ключа при условии, что в момент времени /о на его входе напряжение скачком изменяется от U_б^- до U_б⁺ (рис.5). В базовой цепи устанавливается ток

.

Хотя управляющее напряжение изменяется скачком, разность потенциалов между базой и эмиттером из-за наличия прежде все­го емкостей С_э и С_к нарастает до значения U_отп при котором транзистор открывается, но не сразу, а в течение определенного времени. Таким образом, импульс коллекторного тока начина­ется в момент времени, т. е. с некоторой задержкой относи­тельно момента подачи отпирающего напряжения Интервал времени t_зд = t₁ – t₀ определяет длительность стадии задерж­ки - время, в течение которого происходит перезарядка ем­костей С_э и С_к. Так как в это время через транзистор протекают емкостные токи, то эквивалентная схема транзисторного ключа на этапе задержки включает внешние резисторы и емкости пере­ходов (рис. 6).

Рис.9.4. Переходные процессы в ключе ОЭ	Рис.9.5. Эквивалентная схема ключа в режиме переключения

В транзисторном ключе обычно R_б > R_к поэтому, пренебре­гая R_к получим цепь первого порядка, переходной процесс в которой определяется соотношением

где . Когда ем­кость нагрузки транзисторного ключа С_н соизмерима или боль­ше суммарной емкости переходов, .

После подстановки получим

Стадия задержки заканчивается, когда поэтому