Работа биполярного транзистора в ключевом режиме

 

Рисунок 5.9 – Последовательная схема электронного ключа на биполярном транзисторе npn – типа

При построении транзисторных ключей наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером. Поэтому далее будет рассматриваться именно эта схе­ма включения. На рисунке 5.9 и 5.10 приведены последовательная схема электрон­ного ключа на биполярном транзисторе рnр - структуры и семейство выходных характеристик биполярного транзистора. Проведем на семействе выходных харак­теристик нагрузочную прямую, соответст­вующую выбранному значению сопротивле­ния Rк. Нагрузочная прямая пересечет оси координат в точках Uкэ = Ек и Iк=Ек / Rк.Пересечение кривой UкБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима насы­щения (точка Нс). Пересечение кривой IБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима отсечки (точка От).

Рисунок 5.10 – Выходные характеристики биполярного транзистора npn – типа

Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна нахо­диться либо левее точки Нc (режим насы­щения), либо правее точки От (режим от­сечки). Нахождение между точками Нc и От допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки или наоборот. Длитель­ность нахождения транзистора в этой области зависит от его частотных свойств. Поэтому именно эти свойства в большей степени и определяют предельное бы­стродействие схемы коммутации.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ НАСЫЩЕНИЯ «КЛЮЧ

ЗАМКНУТ»

 

Режиму насыщения соответствует прямое смещение как эмиттерного перехода (ЭП), так и коллекторного перехода (КП) биполярного транзистора. Поэтому ток его базы равен сумме токов этих двух переходов и для транзистора выполня­ется неравенство:

(5.1)

где I_{Б нас} - реальный ток насыщенного транзистора (I_Б5 на рисунке 5.10), соответст­вующий U_{КЭ нас}; I_{Б гр} — базовый ток, соответствующий границе активного режи­ма и режима насыщения U_КБ = 0 (ток I_БЗ на рисунке 5.10).

Превышение тока I _{Б нас} над током I_{Б гр} принято характеризовать коэффициен­том насыщения:

(5.2)

 

Рисунок 5.11 – Схема замещения транзистора в режиме насыщения

Расчеты показывают, что оптимальное значение для qнас должно быть в пре­делах 1,5-2,0. Значение qнасвыбирается из следующих соображений: режим насыщения дол­жен обеспечиваться при заданном технологическом разбросе параметров транзистора с учетом зависимости этих параметров от внешних возму­щающих воздействий, например температуры. Увеличение IБ насприводит к увеличению напряжения на прямосмещенном КП, что ведет к уменьшению напряжения Uкэ, то есть уменьшению мощ­ности рассеяния в выходной цепи транзистора. Транзистор в режиме насыщения представляется схемой заме­щения (рисунок 5.11), которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что он «стянут в точку»).

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ ОТСЕЧКИ «КЛЮЧ

РАЗОМКНУТ»

 

Для уяснения особенностей работы VТв данном состоянии воспользуемся его ВАХ (рисунок 5.12). Они отражают зависи­мости токов транзистора от напряжения на ЭП при его обратном и прямом сме­щении. При этом прямое смещение рас­сматривается только в области малых уровней инжекции. Ток Iк транзистора принципиально не может быть меньше значения тока Iко.

Рисунок 5.12 – Начальный участок ВАХ биполярного транзистора

Напряжению UБЭ=0 соответствует Iк нач = IКБО h21ЭI, то если при UБЭ = 0 в коллекторной цепи тран­зистора протекает некоторый начальный ток Iк нач, который в h21ЭI раз больше IКБО, где h21ЭI — коэффициент передачи по току для инверсного включения. Значение IБ пор определяется выражением При UБЭ = 0 можно допустить h21ЭI»h21Э. Принято считать, что транзистор выключен, если выполняется условие: Iк £ 0,1к нас, что соответствует смещению ЭП в прямом направлении, меньшему некоторого порогового значения напряже­ния UБЭ пор (рисунок 5.12). Поэтому на практике в зависимости от реального напряжения на ЭП разли­чают две разновидности выключенного состояния транзистора.

Рисунок 5.1 3 – Управляющая цель транзисторного ключа

1. Режим глубокой отсечки (РГО) — эмиттерный переход смещен внешним ис­точником в обратном направлении (UБЭ < 0), а ток IБ равен току обратно сме­щенного коллекторного перехода IБ = -Iкбо. Для обеспечения режима глубокой отсечки важно не только наличие в це­пи ЭП запирающего источника Езап, но и значение сопротивления управля­ющего резистора Rу, включенного во входную цепь транзистора (рисунок 5.13). Ток IКБ0 создает на этом резисторе Rу падение напряжения RуIКБ0. Поэто­му непосредственно к ЭП прикладывается разность напряжения запирающего источника и падения напряжения на ре­зисторе Ry, то есть UБЭ зап = Uзап – IКБОRу.

Для режима глубокой отсечки:

(5.3)

2. Режим пассивного запирания (РПЗ) харак­теризуется неравенством 0 < U_БЭ < U_БЭпор. В режиме пассивного запирания мощность, рассеиваемая транзистором, больше, чем в режиме глубокой отсечки. Для режима пассивного запирания:

(5.4)

 

Таким образом, в режиме отсечки (ключ разомкнут) через транзистор проте­кает минимальный ток. Это состояние соответствует точке От (рисунок 5.10), когда Iк = I_КБ0» 0, а напряжение на транзисторе Uкэ» Ек. Транзистор в режиме отсеч­ки может быть представлен схемой замещения (рисунок 5.14), содержащей только один источник тока I_кбо, включенный между коллектором и базой.

Рисунок 5.14 – Схема замещения транзистора в режиме отсечки

Причинами переходных процессов, возникающих в схеме транзисторного ключа при переключении, являются процессы, связанные с изменением пространственного заряда неосновных носителей в области базы, и процессы, связанные с перезарядом барьерных емкостей переходов. Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощности Рк = UкэIк, теряемая на транзисторном ключе, мала, так как мало напржение. напряжение Uкэ нас приводится в справочниках. Для создания электронного ключа следует выбирать транзистор с малым Uкэ нас (Uкэ нас <<Ек).

При работе транзисторного ключа переключение из откры­того состояния в закрытое и наоборот происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Таким образом, работа транзистора в ключе­вом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: