Динамические характеристики транзисторного ключа

Транзисторный ключ работает, как правило, в импульсном режиме, когда на вход поступают импульсы напряжения прямоугольной формы. При этом очень важным параметром является время переключения транзистора из одного состояния в другое.

На рис. 7.3 показаны временные диаграммы импульсов во входных и выход ных цепях транзистора при поступлении на вход транзисторного ключа импульса напряжения u_вх прямоугольной формы (рис. 7.3, а).

В интервале t₀ – t₁ на входе ключа запирающее напряжение, поэтому ток базы i_б = – I_ко (на диаграмме рис. 7.3, б показано, что i_б = 0, т.к I_ко очень мал). Поэтому ток коллектора i_к = I_ко и тоже показан нулевым на рис. 86, в. Напряжение на коллекторе u_кэ » Е_к, так как ток в цепи ключа практически отсутствует (см. рис. 7.2, б).

В момент времени t₁ входное напряжение меняет знак и становится отпирающим. Практически мгновенно появляется отпирающий ток базы i_б.вкл. Однако ток коллектора i_к из-за инерционности транзистора достигнет своего максимального значения i_к = Е_к/R_к в момент времени t₂ за некоторое время t_вкл, называемое временем включения транзистора. За этот же интервал времени напряжение на коллекторе транзистора уменьшается до величины напряжения насыщения DU_кэ.нас (см. рис. 7.3, в, а также рис. 7.2, б). Эти значения тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер сохраняются до начала следующего переходного процесса.

В момент времени t₃ входное напряжение меняет знак и становится запирающим. Под действием этого напряжения ток базы тоже меняет знак и становится равным i_б.выкл. Изменение направления тока базы связано с тем, что в базе накоплен избыточный заряд, и пока он рассасывается, переход база-эмиттер остается замкнутым накоротко. В интервале времени t₃ - t₄ (пока происходит рассасывание избыточных носителей заряда в базе) транзистор остается во включенном состоянии, поэтому ток коллектора и напряжение коллектор-эмиттер не меняют своих значений. Интервал времени t_рас = t₄ - t₃ называют временем рассасывания.

После окончания рассасывания начинается спад токов базы и коллектора в течение интервала времени t_сп = t₅ – t₄, называемого временем спада. В это же время напряжение на коллекторе транзистора увеличивается до Е_к.

Время выключения транзистора t_выкл является суммой времени рассасывания t_рас и времени спада t_сп.

Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время рассасывания получается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания через переход эмиттер-база пропускают ток, который является функцией обратного напряжения на базе. Однако прикладывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5 – 7 В.

В справочных данных обычно приводят времена включения, спада и рассасывания. Для наиболее быстрых транзисторов время рассасывания составляет 50 – 200 нс, однако для многих мощных транзисторов оно достигает 10 мкс.

Мощность потерь, рассеиваемая на коллекторе транзистора, в динамическом режиме возрастает по сравнению со статическим режимом, так как в интервалах времени, когда транзистор переходит из одного состояния в другое, на нем рассеивается значительная мощность. Если считать траекторию возрастания (убывания) тока (напряжения) прямолинейной, то рассеиваемую мощность в интервалах времени t_вкл и t_сп можно рассчитать по формуле

Р_пер = 0,5I_к.максU_{кэ.макс}.

Мощность потерь, рассеиваемая на коллекторе транзистора, зависит от относительной длительности интервалов времени t_вкл и t_сп по отношению к периоду импульсов

,

где t_И, t_П и Т – время импульса, время паузы и период импульса тока коллектора; Р_о, Р_з и Р_пер – мощность, рассеиваемая на коллекторе в открытом состоянии, в закрытом состоянии и в переходном режиме.

Таким образом, с возрастанием частоты импульсов при неизменных t_вкл и t_сп мощность, рассеиваемая на транзисторе увеличивается. Это надо учитывать при выборе транзистора для ключевой схемы.

 

 

Схемы транзисторных ключей

 

 

Транзисторные ключи выполняют насыщенными и ненасыщен­ными.

Насыщенные ключи в открытом состоянии отличаются большой стабильностью (изменение внешней загрузки, т. е. тока в цели коллектора, не выводит транзистор из режима насыщения). В от­крытом и закрытом состоянии насыщенные ключи потребляют незна­чительную мощность, так как в первом случае напряжение на переходе эмиттер — коллектор близко к нулю, а во втором — ток в цепи кол­лектора близок к нулю. Насыщенные ключи обеспечивают большой перепад выходного напряжения. Однако по быстродействию насыщен­ные ключи уступают ненасыщенным: рассасывание накопившихся в ба­зе носителей занимает определенное время.

На рис. 7.4 приведена схема распространенного насыщенного ключа с общим эмиттером. При подаче входного напряжения - U_вх (мину­сового) на базу возрастает базовый ток, сила которого ограничивается резистором R. Транзистор переходит в насыщенный режим, когда коллекторный ток ограничивается только резистором R_k:

I_кн»Е_к/R_к.

Во время действия входного напряжения коллекторный ток насы­щения I_кн остается практически неизменным. Для того чтобы обеспе­чить режим насыщения, необходим ток базы

I_б³I_кн/b,

где b — коэффициент передачи тока базы, который для разных тран­зисторов имеет значения 19—99.

Источник Е_б надежно закрывает транзистор, так как подключается «плюсом» на базу при отключении входного напряжения. Если источ­ника Е_б нет и U_вх=0, транзистор не закроется. Источник питания Е_к в цепи базы создает обратный ток коллектора I_ко, который в боль­шой степени зависит от температуры (иногда его называют тепловым током). При нормальной температуре тепловой ток составляет единицы или десятки микроампер, но с повышением температуры быстро возра­стает. Так, для германиевых транзисторов на каждые 10°С изменения температуры сверх 20°С ток I_ко возрастает приблизительно вдвое.

Обратный ток коллектора I_ко на резисторе R создает падение на­пряжения с отрицательной полярностью на базе, которая может быть достаточной для открытого состояния транзистора. Поэтому напряжение Е_б должно компенсировать отрицательную полярность базы при максимальной ра­бочей температуре. Тепловой ток I_ко протекает частично по резистору R_б и создает на нем падение напряжения.

В закрытом состоянии транзистора напряжение на переходе база —эмиттер

,

после упрощения:  или , где  - максимальный обратный ток транзистора при максимальной температуре. Напряжение смещения принимают равным 1,5 – 2,5 В.

Напряжение U_бэ должно обеспечить напряжение 0,05 - 0,1 B с положитель­ной полярностью на базе для надежного закрывания. Обратный ток коллектора I_ко не зависит от источни­ка Е_б. При большом сопротивлении R_б и достаточно высокой температуре падение напряжения на R_б может оказаться больше, чем Е_б и транзистор не закроется. Эти обстоятельства принимают во вни­мание при выборе R_б и Е_б.

Условие насыщения выполняется при  т.е.

.

Конденсатор С ускоряющий, так как сокращает время переключе­ния транзистора. При подаче входного сигнала конденсатор заряжает­ся, шунтируя резистор R . Поэтому на время заряда ток базы увеличи­вается, что способствует ускорению перехода транзистора из закрытого состояния в открытое. К моменту окончания заряда конденсатора ток базы будет ограничен только резистором R.

При снятии входного сигнала конденсатор раз­ряжается через внутренние сопротивления источников Е_б и U_вх. По­ложительный потенциал базы увеличивается, и транзистор быстрее переходит в закрытое состояние.

На рис. 7.5 приведена схема ненасыщенного ключа, в которой насыщение транзистора исключается из-за диода VD. В про­цессе открывания транзистора отрицательный потенциал коллектора уменьшается. Диод VD открывается, когда потенциал анода превысит потенциал катода. После этого напряжение на переходе эмиттер — коллектор U_к будет больше Е₁ на значение падения напряжения на открытом диоде VD. Полного насыщения транзистора не происходит, так как напряжение U_к не может уменьшиться.

После открывания диода VD увеличение тока коллектора I_к при­водит к увеличению тока через диод VD, а ток через резистор R_к ос­тается практически неизменным.

При поступлении запирающего сигнала начинают уменьшаться ток I_к и ток через диод VD, а ток через резистор R_к и выходное напряжение U_вых не будут изменяться до тех пор, пока ток через диод не станет равным нулю, т. е. пока не закроется диод. Задержка закрывания тран­зистора является недостатком этой схемы.

Ненасыщенный ключ имеет свои недостатки: остаточное напряжение в открытом состоянии больше, чем у насыщенного, схема имеет меньшую помехоустойчивость и термостабильность.

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1696; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!