Реферат: Электронные ключи
Как видно, токи транзисторного ключа в режиме насыщения определяются внешними параметрами схемы и практически не зависят от характеристик-транзистора. Режиму насыщения соответствует точка В на статических характеристиках.
Режим насыщения кремниевого транзистора определяется условием uкб = -Uотп При заданных коллекторном и базовом токах удобным для расчетов является критерий насыщенного состояния по току. Его можно установить, рассуждая так. Пропорциональная зависимость между токами Iб и Iк , справедливая для активного режима, сохраняется вплоть до отпирания коллекторного перехода. Следовательно, на границе активного режима и режима насыщения также имеет место соотношение где Iб гр - базовый ток, при котором транзистор входит в режим насыщения. Как было отмечено, дальнейшее увеличение базового тока не приводит к росту коллекторного тока. Таким образом, критерий насыщенного состояния транзистора можно записать в виде
(7.1)
Если в соотношение (7.1) подставить выражения для токов получим:
В реальных условиях работы транзисторного ключа напряжения источников питания могут изменяться, имеет место также разброс сопротивлений резисторов и коэффициента передачи тока h21 э . Это может привести к невыполнению неравенства (7.1), выходу транзистора из режима насыщения и соответственно к изменению коллекторного тока и выходного напряжения. Для обеспечения устойчивого режима работы транзисторного ключа параметры его рассчитывают таким образом, чтобы неравенство (7.1) выполнялось при изменениях в некоторых пределах входящих в него величин.
Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения:
Хотя для повышения помехоустойчивости желательно увеличивать коэффициент насыщения, однако следует помнить, что при этом растет время переключения транзисторного ключа.
3. 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 Ск и эмиттерного Сэ переходов. Кроме того, на длительность переходных процессов транзисторного ключа оказывает влияние емкость нагрузки Сн .
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 uбэ > Uотп ток базы iб (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,
(7.2)
Если емкостные токи коллекторного и эмиттерного переходов невелики, то уравнение (7.2) упрощается:
dq/dt + q/t = iб (t) (7.3)
В стационарном состоянии, когда dq/dt = 0,
q = tIб , (7.4)
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 (7.2) или (7.3) 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:
(7.5)
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 (7.2) или (7.3) и используя соотношение (7.5), можно определить закон изменения коллекторного тока при заданном базовом токе. Преобразуем по Лапласу уравнение (7.3), поскольку это упрощает процедуру решения при различных начальных условиях:
(7.6)
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 Uб - до Uб + (рис. 7.5). В базовой цепи устанавливается ток . Хотя управляющее напряжение изменяется скачком, разность потенциалов между базой и эмиттером из-за наличия прежде всего емкостей Сэ и Ск нарастает до значения Uотп 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 tзд = t1 – t0 определяет длительность стадии задержки - время, в течение которого происходит перезарядка емкостей Сэ и Ск . Так как в это время через транзистор протекают емкостные токи, то эквивалентная схема транзисторного ключа
Рис. 7 5. Переходные процессы в ключе ОЭ Рис. 7.6. Эквивалентная схема ключа |
на этапе задержки включает внешние резисторы и емкости переходов (рис. 7.6).
В транзисторном ключе обычно Rб > Rк поэтому, пренебрегая Rк получим цепь первого порядка, переходной процесс в которой определяется соотношением
где . Когда емкость нагрузки транзисторного ключа Сн соизмерима или больше суммарной емкости переходов, . После подстановки получим
Стадия задержки заканчивается, когда поэтому
Формирование фронта. Когда в момент времени t1 эмиттерный переход открывается, начинается процесс нарастания коллекторного тока, сопровождающийся снижением коллекторного напряжения. Коллекторный ток увеличивается до момента времени t2 , когда транзистор входит в режим насыщения. В интервале времени t1 …t2 . происходит формирование фронта импульса тока. Длительность фронта tф =t1 + t2 можно определить из уравнения (7.6). Так как начальный объемный заряд q(0) = 0, а
(7.9)
Подставив выражение (7.9) в (7.5), получим:
(7.10)