рис. 3.8Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электронных устройств и часто сопровождается пересмотром использующихся схемотехнических решений.

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств. Эти знания оказывают существенную помощь и при конструировании устройств информативной электроники.

Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и соответствующую временную диаграмму входного напряжения (рис. 3.7).

рис. 3.7

Вначале рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме iк = − iб = iко (iко — обратный ток коллектора), iэ = 0. Малым током  iко часто можно пренебречь и считать, что iк = iб = 0. При этом u = u =0; uбэ = − U2, uкэ = − Екэ

В промежутке времени t1...t2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе uкэ было минимальным, напряжение U1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находился или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близком к режиму насыщения.

Определим токи и напряжения для рассматриваемого отрезка времени:



iб = ( U1 − uбэ ) / Rб ≈ U1 / Rб

iк = ( Eкuкэ ) / RкEк / Rк

Ток коллектора в режиме насыщения обозначим через iк.нас. Таким образом

iк.нас = Ек / Rк

Напряжение в режиме насыщения у транзисторов разного типа различно. Обычно оно лежит в пределах 0,08... 1 В.

Для оценки глубины насыщения пользуются так называемым коэффициентом насыщения qнac, показывающим, во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. Очевидно, что минимальный ток базы iб.нас.мин необходимый для режима насыщения, определяется выражением

iб.нас.мин ≈ iк.нас / βст = Ек / ( Rк · βст )

поэтому

qнac = iб / iб.нас.мин ≈ [ U1 / Rб ] / [ Ек / ( Rк · βст ) ]

При выборе значения коэффициента насыщения для конкретного транзисторного ключа обычно используют следующие соображения:

● режим насыщения должен быть обеспечен для различных экземпляров транзисторов выбранного типа при работе ключа в заданном диапазоне температуры;

● увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практически прекращается при qнac = 3;

● чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи транзистора.

Кроме этих соображений, относящихся к установившемуся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насыщения) транзисторный ключ, но длительность переходного процесса выключения транзистора при этом увеличивается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже. Часто величину qнаc выбирают из диапазона 1,5 ... 2. Изобразим временные диаграммы, соответствующие процессу включения (рис. 3.8).

рис. 3.8

Через uбэ.порог обозначено пороговое напряжение между базой и эмиттером, которое соответствует некоторому малому значению тока базы.

Например, считают, что напряжение uбэ.порог соответствует току базы, в 10 раз меньшему тока iб.нас.мин.

Через iк.порог обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению uбэ.порог.

Интервал t1...t2 называют интервалом задержки включения, интервал t2....t3 — интервалом формирования фронта, а интервал t3...t4 — интервалом накопления заряда. Разность t3 − t1 называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора iк.нас, величиной β транзистора, а также временем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это находит отражение в том, что возникают токи электродов транзистора. Но ток коллектора на рассматриваемом интервале мал. Указанное явление изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Однако не следует забывать, что барьерные емкости, как и диффузионные, являются по определению дифференциальными емкостями. Поэтому к термину «перезаряд» следует относиться с осторожностью. Например, если напряжение между базой и эмиттером равно нулю, это не означает, что некомпенсированный заряд в области эмиттерного перехода равен нулю (а заряд «обычной» емкости равен нулю при нулевом напряжении). К концу интервала задержки напряжение между базой и эмиттером увеличивается до значения uбэ.парог.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора являются значительными. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это условно называют процессом накопления неосновных носителей. Но следует учитывать, что заряд неосновных носителей практически мгновенно компенсируется зарядом основных носителей. Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полупроводникового диода и явления диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта tф.

На интервале накопления заряда продолжается накопление неравновесных носителей электричества. При этом напряжение uкэ незначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выключения (рис. 3.9).

рис. 3.9

На рис. 3.9 введены следующие обозначения интервалов времени:

t1 ... t2 — рассасывания заряда;

t2 ... t3 — формирования спада;

t3 ... t4 — установления.

Разность t3 − t1 называют временем выключения. На интервале рассасывания ток базы отрицательный и ограничивается резистором Rб. Если пренебречь напряжением uбэ, то

iб = − U2 / Rб

На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей электричества, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания tpac. Чем больше по модулю ток iб, тем меньше время рассасывания.

На интервале форсирования спада продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток iк значительно уменьшается, а напряжение на коллекторном переходе и напряжение uкэ значительно возрастает. Изменение напряжения на коллекторном переходе приводит к изменению объемных нескомпенсированых зарядов в области этого перехода (говорят, что барьерная коллекторная емкость перезаряжается).

На интервале установления напряжение uбэ изменяется от величины uбэ.порог до −U2. При этом изменяются нескомпенсированные объемные заряды переходов транзистора.

После момента времени t3 ток коллектора становится равным току базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится нулевым.

Количественный анализ динамических режимов транзисторных ключей настоятельно рекомендуется выполнить с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты программ позволяют анализировать переходные процессы при самых сложных входных сигналах. Ранее для расчета переходных процессов в транзисторных ключах применялись упрощенные методики, предполагающие к тому же использование простых входных сигналов. В настоящее время эти методики рекомендуются применять только в учебных целях.

Из изложенного следует, что время включения ключа можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то же время увеличивать коэффициент насыщения нежелательно, так как это удлиняет время выключения. Аналогично время выключения можно уменьшить, увеличивая запирающий (отрицательный) ток базы.

Представим схему транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, который увеличивает положительную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа поясняют временные диаграммы. Подобные схемы широко используются на практике.

рис. 3.10


Рекомендуйте эту статью другим!



нояб 30, -0001 3721

Влияние параметров переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) на отключающую способность выключателя

Отключающая способность выключателя определяется интенсивностью работы его…
янв 12, 2013 4752

Электромагнитное реле, устройство, принцип действия, конструкция

Принцип действия основан на притяжении якоря к неподвижному сердечнику электромагнита. По…
Емкость в цепи переменного тока 1
окт 12, 2014 4525

Емкость в цепи переменного тока

Рассмотрим классическую схему, в которой последовательно подключены: источник переменной…
рис. 2.35
нояб 02, 2016 1197

Усилители постоянного тока

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные…
Огнестойкий кабель
фев 27, 2014 3876

Огнестойкий кабель. Применение, особенности.

В системах электроснабжения огнестойкие кабели используются уже достаточно давно. При…