Динамический (переходный) режим работы ключа

 

При ступенчатом изменении U_ВХ в схеме ключа происходят переходные процессы, которые характеризуются следующими временными интервалами:

t _ЗД.ФР. - задержка фронта; t _ФР - время фронта, t _СР - время среза [нс].

t _{НАК.ЗАР} - время накопления избыточного заряда [нс];

t _{РАС.ЗАР} - время рассасывания избыточного заряда [нс];

 

Для перехода транзистора из закрытого состояния в состояние насыщения требуется определенное время прохождения трёх этапов. Это вре­мя называют временем включения транзистора t_ВКЛ, в которое входит также время задержки фронта t_ЗД.ФР и длительность переднего фронта t_ФР:

 

t_ВКЛ = t_ЗД.ФР + t_ФР. [нс] (3.11)

 

Для быстрого включения VT требуется, чтобы заряд был введен в область базы, а для выключения, наоборот, заряд необходимо уда­лить из базы. Скорость переключения VT связана с време­нем протекания переходных процессов.

 

Рис. 3.3. Переходные характеристики

 

Время выключения t_ВЫК. содержит время задержки среза t_ЗД.СР (рассасывание) и время среза t_СР (задний фронт), т.е.

 

t_ВЫКЛ = t_ЗД.СР + t_СР. [нс] (3.12)

 

Длительности t_ВКЛ и t_ВЫКЛ характеризуют общее быстродействие тран­зисторного ключа. Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении входного сигнала показаны на рис. 3.3.

Задержка фронта. Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости запертого транзистора С_ВХ до напряжения отпирания U_ОТП.

Время задержкифронта можно определить также по другим параметрам:

t_ЗД.ФР = С_ВХ·R_Б ·ln [(E₁+ E₂) /(E₂ – U_ОТП)], [нс] (3.13)

*справ. U_Б.ОТП = [R_Б·Е_К/(R_К·β)], (U_ОТП.Si= U_ВХ > 0,8 ÷ 1В)

где С_ВХ равна сумме барьерных емкостей Э и К переходов транзистора:

С_ВХ = С_Э+С_К(Э). (*справ. для мал. мощн. VT С_Э ≈ С_К =10 ÷ 100 пФ ≈ 5С_Б ) (3.14)

Формирование фронта. На этапе формирования фронта транзистор работает в активном режиме. В базовой цепи протекает отпирающий ток I_Б.ОТП, а ток коллектора экспоненциально нарастает

I_К(t) = β ·I_Б.ОТП·(1 – exp(-t/τ_А)), (мА, мкА) (3.15)

где τ _А - эквивалентная постоянная времени, характеризующая скорость

нарастания коллекторного тока.

τ_А = τ_β + τ_К.τ_β - время жизни неосновных носителей в базе [нс];

τ_К = С_К(э)·R_К - постоянная времени коллекторной цепи транзистора (нс).

τ_β ≈ β·τ_α постоянная време­ни транзистора в схеме с ОЭ [нс];

τ_α = 1/(2·π·f_T) ≈ 1,2/(2·π·f_α) [нс], (3.16)

где f_T и f_α - граничные частоты транзистора (справочные величины) (Гц).

t_ФР = τ_β· ln [β·I_Б.ОТП /(β·I_Б.ОТП – I_КН)], [нс]. (3.17)

Накопление избыточного заряда. В конце этапа формирования фронта транзистор оказывается на границе области насыщения. После этого начинается процесс накопления избыточного заряда в базовом и коллекторном слоях транзистора.

Скорость накопления определяется средним временем жизни носителейτ_СР в базовом и коллекторном слоях. Процесс накопления заряда Q = I_Б.ОТП · τ_СР

(кл) заканчивается за время накопления t_Н = 3·τ_СР. [нс].

Рассасывание избыточного заряда. При переключении входного напряжения от значения Е₂ до значения – Е₁, заряд, накопленный в базовом и коллекторном слоях, не может измениться скачком, следовательно, не изменятся мгновенно и напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах. В момент переключения входного сигнала на обоих переходах сохраняются прямые смещения, близкие к напряжению отпирания U_ОТП. Ток базы изменит направление и примет значение

I_Б.ОТП = (– E₁ – U_ОТП) / R_Б. (мкА).

Скачок базового тока от значения I_Б.ОТП до I_Б.ОБР (обратный базовый ток) вызывает рассасывание заряда со скоростью, определяемой постоянной времени τ_СР.

Длительность стадии рассасывания определяется выражением:

t_{РАС.ЗАР} = τ_СР·ln((I_Б.ОТП – I_Б.ОБР) / (I_Б.ГР – I_Б.ОБР)), [нс]. (3.18)

Формирование среза. По окончании этапа рассасывания начинается стадия

формирования среза (t _СР), которая заканчивается запиранием транзистора.

При малых запирающих токах длительность стадии среза находят по формуле:

t_СРЕЗА = τ_А· ln (1+ I_Б.ГР / I_Б.ОБР), [нс]. (3.19)

 

При большом значении запирающего тока (I_Б.ОБР ≈ I_Б.Н) транзистор оказывается в режиме динамической отсечки, при котором оба перехода смещены в обратном направлении, а в базе в течение некоторого времени сохраняется остаточный заряд. В этом случае формирование среза выходного напряжения происходит с постоянной времени отсечки: τ_ОТС ≈ (0,25·t_ПР) + (С_К·R_К), (3.20)

где t _ПР – время пролета носителей заряда через базу. t_ПР ≈ 0,0З нс_. (*справ.).

Время среза выражается соотношением

t_СР = 2,З·τ_ОТС. [нс].

Рис. 3.4. Схема форсирования ключа

Уменьшить время переходных процессов можно при введении в цепь управления форсирующего конденсатора С_УСК =С_ФОРС, который увеличивает токи базы I_Б.ОТП и I_Б.ОБР на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы неизменны.

Пример 1. Ключ на транзисторе ГТ341 (p-n-p) работает в диапазоне температур: -60^оС+70^оС. Граничное значение напряжения U_БЭ.ГР = 0.4 В; значение R_Б = 1 кОм.

Требуется определить величину Е_Б, обеспечивающую надежное запирание VT.

 

Из справочника находим, что при +60^оС I_Ко = 0,1 мА. Тогда при + 70^оС тепловой ток коллектора I_Ко.МАХ = 2∙0,1= 0.2мА, т. к. обратный ток Ge VT удваивается за каждые 10°С.Из условия (3.3) запирания Ge транзистора p-n-p -типа, находим:

 

[U_{ВХ.Зап.(Ge)} > I_КО∙R_Б +(0,5…1)B]. U^─_Б =U_ВХ.ЗАП. = 0,2∙10^-3∙10³+0,4= +0,6 В.

 

Ответ: запирание ключа при мах. температуре и заданной помехоустойчивости обеспечивается напряже­нием U ^─_Б = U_{ВХ.Зап .} = +0,6 В положительной полярности.

Пример 2. Разработать схему индикации coдepжимoгo регистра RG при Е_П=15 В. Состоянию лог. (0 и 1) на выходе RG соответствует амплитуда 0 В и +5 В.

 

Рис. 3.3. Схема индикации состояния RG.

 

1. В схеме установлен светодиод АЛ102 (красный); в качестве ключа - транзистор КТ301 с параметрами:

 

U_КЭ=20В; I_К.Мах.= 50 мА; β =25÷60.

 

Для светодиода АЛ102 из справочника находим: U_VD.ПР = 2,8 В; предельно допустимый прямой ток I_VD.Доп. = 20 мА; при токе I_VD.НОМ = 10 мА яркость свечения составляет 50 мКд, что достаточно для мнемонической световой индикации.

 

Примем: I_К.Нас. = I_{VD.ПР.Ном.} = 10 мА. = 10∙10^-3 A.

 

2. Резистор R_ОГР служит для ограничения тока, протекающего через светодиод:

 

R_ОГР ≤ (Е_К - U_VD.ПР)/I_К.Нас = (15 – 2,8)/(10∙10^-3) = 1,2 кОм.

 

С другой стороны: R_ОГР. > Е_К/I_VD.Доп. = 15/20∙10^-3 = 750 Ом.

 

Выберем среднее значение: R_ОГР = 1 кОм.

 

Ток базы насыщения транзистора составит: I_Б = I_КН/β_Мин. = (10∙10^-3)/25 = 0,4 mA.

 

Возьмем ток I_Б с запасом (S = 2). I_БН = S∙I_Б = 2∙0,4 = 0,8 mA.

 

Сопротивление R_Б выберем из условия: R_Б ≤ U_ВХ/I_Б.Н = 4 /0,8∙10^-3 = 5 кОм.

 

* Напряжение [U_БК = U_КЭ - U_БЭ] на коллекторном переходе транзисторного ключа не должно превышать значения “лог. 1”, т.к. U_{КЭ.Закр} ≈ + 5 В, и при этом непосредственно отпирающее напряжение U_БЭ.Отп. ключа редко превышает + 1 В.

 

Из условия, U_ВХ = 5 В (лог.1) на входе, на резисторе R_Б падает 4 В, т.е. U_БК ≈ 4 В.

Литература основная

 

1. Рекус Г.Г. Основы электротехники и промышленной электроники в примерах

и задачах с решениями: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2008. – 343 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 2001. – 620 с.

3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г. Задачник по общей электротехнике с основами

электроники. – М.: Высш. шк., 2001. – 377 с.

4. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – М.: Радио, 2000. – 384 с.

Литература дополнительная

5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987. - 288 с.

6. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем.– М.: Высш. шк., 1987. – 334 с.

7. Гусев В.Г. Сборник задач по электронике. – М.: Высш. шк., 1988. – 240 с.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: