Электронные ключи на биполярных транзисторах в статическом режиме

Использование биполярного транзистора в схеме рис.2.2 отличается от малосигнальных усилителей отсутствием цепей, устанавливающих «рабочую точку». В ключевом режиме транзистор переключается между статическими состояниями отсечки и насыщения при изменении напряжения управляющего генератора в необходимых пределах.

Эта в целом существенно нелинейная задача может решаться на раздельных последовательных этапах переключения с использованием на каждом из них различных, но линейных эквивалентных схем. При этом достигается получение наглядных результатов, способствующих пониманию и оптимизации конструирования импульсных схем. Применим такой подход к анализу схемы ключа рис.2.2.

2.1.1. Свойства базо-эмиттерного перехода транзистора

В активном статическом режиме ток базы теоретически определяется как

, (2.1) где - тепловой потенциал, - теоретический начальный ток. Величина существенно различается для германиевых и кремниевых транзисторов ( 100 нА и 10 пА соответственно [ ]), однако в обоих случаях на порядки меньше, чем стандартный базовый ток транзистора даже малой мощности. Поэтому, несмотря на то, что согласно (2.1) рост тока перехода начинается при , фактически переход открывается при напряжении , составляющем несколько (5-10) единиц теплового потенциала 30 мВ.

Рис. 2.3

На рис.2.3 построены характеристики базового тока для германиевого и кремниевого транзисторов. Для среднего тока базы 250 мкА напряжение на базо-эмиттерном переходе составляет =260 мВ для германиевых и =580 мВ для кремниевых транзисторов.

Экспоненциальный характер выражения (2.1) определяет резкий перелом характеристик при открытии транзистора и в дальнейшем слабое увеличение с ростом базового тока. Логарифмируя (2.1), получим:

.

Это означает, что при увеличении среднего тока транзистора в десять раз напряжение на базо-эмиттерном переходе возрастёт на мВ, а при стократном увеличении тока ещё на 70 мВ и составит В для германиевых и В для кремниевых транзисторов.

Слабая зависимость от тока, вызванная экспоненциальным характером (2.1), определяет возможность во многих случаях использовать в задачах переключения транзистора апроксимацию характеристики тока функцией ступенчатого открытия при напряжении (штриховые линии на рис.2.3). Тогда для схемы рис.2.2 величину управляющего тока можно определить как

. (2.2)

Величину следует сопоставлять с управляющим напряжением и учитывать её или отбрасывать по условиям задачи. Ступенчатая апроксимация применима и к вольтамперным характеристикам полупроводниковых диодов.

2.1.2 Условия нахождения транзистора в режиме отсечки

Определим требования к нахождению транзистора в режиме отсечки. Для этого базо-эмиттерный переход транзистора должен быть закрыт (разомкнут). Эквивалентная схема входной цепи ключа рис.2.2 в этом режиме представлена на рис.2.4а. Во входной цепи протекает только обратный (тепловой) ток закрытого коллекторно-базового перехода транзистора, который не зависит от напряжения и поэтому моделируется как генератор тока с бесконечно большим внутренним сопротивлением. Вследствие линейности модели цепи результирующее напряжение в схеме рис.2.4а определяется как суперпозиция действия генераторов напряжения и тока .

Рис. 2.4

Напомним, что суперпозиция вычисляется как сумма воздействий каждого из генераторов при исключении действия остальных. Исключение действия генератора напряжения состоит в замене его коротким замыканием, а исключение действия генератора тока достигается заменой его разрывом цепи. Для рис.2.4а, заменяя генератор тока разрывом цепи, определяем, что ток от генератора не протекает, следовательно, падение напряжения на резисторе равно нулю и первая составляющая напряжения на базе . На втором шаге заменяем коротким замыканием и определяем падение напряжения на резисторе при протекании обратного тока коллектора как . Результирующее напряжение на базе:

.

В соответствии с рассмотренными свойствами базо-эмиттерного перехода считаем его закрытым (ключ на рис.2.4а разомкнут), если напряжение меньше напряжения для используемого типа и режима транзистора:

. (2.3)

Предполагается, что в режиме отсечки на вход не подаётся открывающего напряжения: . Практически может иметь небольшую величину, соответствующую остаточному напряжению реальной схемы генератора , что может быть учтено с помощью (2.3) или не рассматриваться.

При закрытом транзисторе () в коллекторной цепи протекает только обратный ток , как показано на эквивалентной схеме рис.2.4б. При этом выходное напряжение схемы рис.2.2:

. (2.4)

Отметим также, что использование модели генератора тока безразлично к присоединению его второго вывода (штриховые линии в схемах рис 2.4а,б). Это позволяет рассматривать схемы раздельно и в этом и во многих других случаях упростить задачу.

Величина разности напряжений в (2.3) определяет напряжение помехи открывающей полярности, выводящей транзистор на границу отсечки. При большей амплитуде помехи напряжение уменьшается по сравнению с (2.4). Помехоустойчивость транзисторного ключа в состоянии отсечки определяется максимальным напряжнием помехи при которой это снижение может считаться допустимым в конкретной задаче..

Согласно (2.3) обратный ток коллектора является причиной снижения помехоустойчивости, и действие этой причины возрастает с увеличением сопротивления в базовой цепи электронного ключа. Напомним, что величина обратного тока коллектора возрастает примерно в 2 раза при увеличении температуры на 10 градусов, что может приводить, особенно для германиевых транзисторов, к нарушению условий (2.3) нахождения транзистора в режиме отсечки. Одной из задач разработчика является поиск компромисса между параметрами схемы , , и допустимым напряжением помехи.

2.1.3. Условия нахождения транзистора в состоянии насыщения

Вторым граничным состоянием в схеме электронного ключа рис.2.2 является замкнутое состояние (режим насыщения транзистора). Для достижения этого режима требуется открытие транзистора, т.е. переход его в активное состояние, и увеличение коллекторного тока до максимально возможного значения. На рис.2.5 показаны коллекторные характеристики транзистора в схеме рис.2.2. В активном режиме транзистора протекает коллекторный ток, пропорциональный току базы:

, (2.5)

где - параметр усиления по току в схеме с общим эмиттером.

При увеличении базового тока рабочая точка на рис.2.5 перемещается влево вдоль линии нагрузки при этом напряжение на коллекторе уменьшается:

. (2.6)

Уменьшение до нуля при напряжении на базе открытого транзистора приведёт к

открытию коллекторно-базового перехода и прекращению его действия как усилителя базового тока . При этом диаграмма коллекторного тока на рис.2.5 превращается в линейную зависимость , (линию критического режима).

Рис. 2.5

Состояние транзистора при этом называется состоянием насыщения. Напряжение на базе оценивается с приближением, поэтому переход в насыщение (точка «НАС» на характеристиках) происходит уже при положительном напряжении на коллекторе , величина которого близка к 50 мВ для германиевых и 150 мВ для кремниевых транзисторов: .

Для определения коллекторного тока в режиме насыщения используем эквивалентную схему коллекторной цепи (рис.2.6б) при , откуда:

. (2.7)

Во многих случаях можно считать , тогда .

Рис. 2.6

Для определения создаваемого генератором в схеме рис.2.2 базового тока составим эквивалентную схему рис.2.6а, используя апроксимацию характеристики открытого базо-эмиттерного перехода (рис.2.3) ступенчатой функцией с напряжением . Тогда

. (2.8)

Это выражение представляет управляющее воздействие как модель генератора тока, не зависящего от напряжения . Погрешность такой апроксимации невелика и обсуждалась в 2.1.1.

Теперь можно определить минимально необходимый базовый ток для обеспечения режима насыщения. На границе перехода транзистора из активного режима в насыщение (рис.2.5) ещё действует формула:

. (2.9)

Сравнение величин (2.8) и (2.9) определяет условие нахождения транзистора в насыщении:

. (2.10)

Сила неравенства (2.10) определяет важный физический параметр транзисторного ключа, называемый глубиной насыщения и влияющий на показатели скорости переключения:

. (2.11)

Величина разности в (2.11) определяет величину тока помехи запирающей полярности, при которой транзистор выходит на границу насыщения. Дальнейшее уменьшение тока переводит транзистор в активный режим. Помехоустойчивость ключа в состоянии насыщения определяется максимальной величиной тока (напряжения) помехи, при которой это допустимо.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: