Лекция 10. Работа транзистора в ключевом режиме.
Транзисторный ключ коммутирует цепь нагрузки под воздействием управляющего импульсного входного сигнала. Идеальный ключ в замкнутом состоянии имеет сопротивление R= 0, а в разомкнутом R = ∞.
В качестве электронного ключа можно использовать транзистор, работающий в области отсечки и насыщении. Схема транзисторного ключа дана на рис. 1.
Рис.1. Схема транзисторного ключа.
Зависимость тока коллектора от тока базы представлена на рис. 2.
 |
IК
IКН
IКО
IБА IБН IБ макс IБ
Рис. 2. Токи транзисторного ключа.
Как видно из графика, в режиме отсечки, когда оба перехода транзистора закрыты, ток коллектора постоянный и определяется потоком неосновных носителей через переход. В активной области открыт переход база – эмиттер, переход коллектор-эмиттер закрыт, ток коллектора прямо пропорционален току базы. При токе базы IБН оба перехода транзистора открываются и транзистор входит в насыщение. Ток коллектора перестает расти и остается постоянным при дальнейшем увеличении тока базы (IБ макс). При открывании коллекторного перехода, возникает ток, протекающий навстречу току инжекции эмиттера. В базовой области транзистора накапливается избыточный заряд.
Распределение заряда Q неосновных носителей в базе определяется величиной тока базы. На рис. 3 представлены три режима распределения заряда: активный режим – при токе базы IБА, граничный режим – при токе IБН и режим насыщения, для IБ макс.
Э Б К
2 QИЗБ
Рис. 3. Распределение носителей в базе.
В активном режиме (1) заряд QA = τIБА, где
τ – постоянная времени нахождения заряда в базе: τ = 1/ 2πƒгранич.
В граничном режиме (2) QГР = τIБН.
В режиме насыщения (3) QМАКС = τIБ макс. (любой ток , больше IБН).
Количество избыточного заряда, накопленного в базе в режиме насыщения QИЗБ. = QМАКС - QГР.
Глубина насыщения измеряется степенью насыщения N:
N = IБ/ IБН ≈ βIБ / IКН,
где β - коэффициент передачи тока базы, а ток IБ > IБН.
В активном режиме насыщение отсутствует, в граничном режиме N =1, в режиме насыщения N > 1.
О том, как ведет себя транзисторный ключ при переходе из разомкнутого состояния в замкнутое и, наоборот, можно судить по форме импульса выходного тока или напряжения.
Переход транзисторного ключа из разомкнутого состояния в замкнутое осуществляется при скачкообразном изменении тока базы от IБ =0 до некоторого значения IБm, вызывая изменение тока коллектора. На рис. 4 а даны временные диаграммы, поясняющие этот процесс. Временные диаграммы рис. 4 б поясняют процесс выключения ключа, когда ток базы скачком уменьшается от значения IБm до нуля.
На графиках tФ – время фронта (включения), tР –время рассасывания заряда в базе при выключении ключа, tС –время спада тока.
При подаче на базу транзистора положительного импульса тока, ток коллектора не может измениться скачком из-за инерционности носителей заряда при переходе от эмиттера через базу к коллектору. Скорость их продвижения определяется постоянной времени τ . Ток коллектора, достигнув значения тока насыщения, остается постоянным. Заряд в базе увеличивается до значения, определяемого величиной тока IБm.
QМАКС = τIБ m
На графиках tФ – время фронта (включения), tР –время рассасывания заряда в базе при выключении ключа, tС –время спада тока.
а) IБ б) IБ
IБm IБm
Q t Q t
QГР Q ГР
QМАКС
t t
IК
IК
IКН IКН
t
 | |||
 |
tФ tР tС
Рис. 4. Временные диаграммы работы ключа.
При подаче на базу транзистора положительного импульса тока, ток коллектора не может измениться скачком из-за инерционности носителей заряда при переходе от эмиттера через базу к коллектору. Скорость их продвижения определяется постоянной времени τ. Ток коллектора, достигнув значения тока насыщения, остается постоянным. Заряд в базе увеличивается до значения, определяемого величиной тока IБm.
QМАКС = τIБ m
Увеличение заряда происходит по экспоненциальному закону:
Q (t ) = QМАКС (1 – е - t/τ ) при t = tф Q = QГР
Подставляя эти значения в формулу, а так же учитывая, что QМАКС = τIБ m
и QГР = τIБ Н, получим:
τIБ Н = τIБ m (1 - е - tФ/ τ ).
Решая это уравнение относительно tф , и учитывая, что N = IБ m /IБ Н , получим:
Tф = τ ln N / ( N – 1).
Таким образом, для уменьшения длительности фронта, т.е. увеличения скорости включения ключа, необходимо увеличивать степень насыщения, а значит увеличивать ток IБ m.
При выключении ключа происходит рассасывание заряда, который уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 4 б) и пока он не достиг граничного значения ток коллектора остается постоянным. Затем он начинает уменьшаться по экспоненциальному закону до нуля.
Q (t ) = QМАКС е - t/τ при t= tр Q = QГР
Подставляя известные выражения в формулу, получим:
τIБ Н = τIБ m е - tр/ τ .
Дата добавления: 2016-09-20; просмотров: 831;