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: 757;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.01 сек.