Eng Ru
Отправить письмо

Ключи на полевых транзисторах в схемах на микроконтроллере. Подключение транзистора в режиме ключа


Ключи на полевых транзисторах в схемах на микроконтроллере

Полевые транзисторы служат опорой современной микроэлектроники. Без них не было бы ни СБИС, ни ПЛИС, ни MK. Все современные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки построены на полевых транзисторах, и достойной альтернативы им пока не видно.

На выходах портов MK находятся каскады с полевыми транзисторами. Казалось бы, что подключить к ним ещё одного полевого «тёзку» — проще простого. Однако новичок-радиолюбитель впадает в шоковое состояние, узнав, что существуют десятки разновидностей полевых транзисторов с разной структурой проводимости, разной топологией изоляции затвора, разной технологией легирования канала, разными фирменными названиями и брэндами, а также разными условными графическими изображениями на электрических схемах.

К счастью, в цифровой, импульсной и преобразовательной технике, как правило, используются полевые МДП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие n- или  -проводимость канала. Это достаточно узкий класс электронных приборов, хорошо исследованный и легко поддающийся изучению.

Для прямого сопряжения с MK подойдут те полевые транзисторы, которые имеют низкое напряжение отсечки «затвор — исток» (параметр Gate Theshold Voltage в пределах 0.5…2.5 В). Технологические достижения последнего десятилетия сделали такие транзисторы малогабаритными и дешёвыми. Мощные полевые транзисторы обычно подключаются к MK через буферные каскады.

Если сравнивать полевые и биполярные транзисторы, то выводы «база — коллектор — эмиттер» (Base — Collector — Emitter) в первом приближении эквивалентны выводам «затвор — сток — исток» (Gate — Drain — Source). Соответственно, схемы ключевых каскадов у них будут очень похожими. Из отличий — полевые транзисторы управляются напряжением, а не током. Они имеют высокое входное и низкое выходное сопротивление, что улучшает экономичность. С другой стороны, большая ёмкость перехода «затвор — исток» 100…3000 пФ снижает быстродействие, а значительный технологический разброс параметров заставляет проектировать схемы с перестраховкой и с запасом «на всякий пожарный случай».

На Рис. 2.69, а…ж и Рис. 2.70, a…r приведены схемы ключевых каскадов соответственно с одним и двумя полевыми транзисторами. На Рис. 2.71, a…r представлены варианты совместного включения полевых и биполярных транзисторов.

Таблица 2.11. Параметры полевых транзисторов

В Табл. 2.11 приведены типовые параметры полевых транзисторов разной мощности. Транзисторы с я-каналом аналогичны транзисторам структуры п—р—п, а транзисторы с  -каналом — транзисторам структуры р—п—р. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (начало):

а) классический инвертирующий ключ на л-канальном транзисторе VT1. Главным параметром при выборе транзистора является напряжение отсечки затвора, которое при рабочем токе нагрузки RH не должно превышать напряжение питания MK. Резистор R3 (R1) сопротивлением 51…510 кОм ставят, чтобы транзистор VT1 был закрыт в следующих случаях: при рестарте MK, при срабатывании супервизора просадок питания, при пропадании напряжения +5 В, при переводе линии MK в Z-состояние. Резистор R3 ускоряет разряд ёмкости затвора. Резистор R2 защищает линию MK от наводок большой амплитуды через цепь затвора со стороны стока при коммутации мощных нагрузок. Он обязателен при высоких напряжениях в нагрузке и большом уровне помех. Резисторы R1, R3 допускается не ставить, если нагрузка не критична к случайным включениям. По большому счёту затвор полевого транзистора VT1 в данной схеме может «висеть в воздухе», поскольку его защищают от статического электричества внутренние диоды MK;

б) диоды VD1, VD2 ставят для защиты полевого транзистора VT1 от выбросов напряжения в индуктивной нагрузке и для снижения помех в цепи питания. Современные полевые транзисторы серии MOSFET имеют встроенные мощные диоды, аналогичные VD2. Резисторы R1, R2 можно не ставить при низких напряжениях и резистивной нагрузке;

в) гальванически изолированое включение/выключение транзистора VT1. На выходе MK генерируется ВЧ-сигнал, который выпрямляется и фильтруется элементами VD1…VD4, C3, R2. Стабилитрон VD5 защищает затвор транзистора VT1. Трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита N30, обмотка I содержит 15, а обмотка II — 30 витков провода ПЭВ-0.2;

г) ключ на полевом  -канальном транзисторе VT1 эквивалентен ключу на биполярном транзисторе р—п—р. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК  транзистор VT1 закрыт, а при переводе в режим входа с Z-состоянием транзистор открывается из-за наличия резистора R1\ О

О Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (окончание):

д) предохранитель FU1 срабатывает при аварийном токе в нагрузке RH;

е) часть схемы электронного дверного звонка. Защита транзистора VT1 производится варторами RU1, RU2n конденсатором C1. Индикатор прихода гостей — светодиод HL1\

ж) диод VD1 защищает линию МК  от высокого напряжения при пробое транзистора VT1 и от наведенных помех при наличие мощной индуктивной нагрузки RH.

а) последовательное включение n- и  -канальных транзисторов VT1, VT2 для коммутации «высоковольтной» нагрузки RH. Диод VD1 ускоряет разряд ёмкости затвора транзистора VT1\

б) параллельное включение двух полевых транзисторов для увеличения тока нагрузки;

в) DA1 — это специализированный драйвер (фирма International Rectifier), обслуживающий мощные полевые транзисторы VT1, VT2 (ток до 1.5 А). Диод VD1 повышает надёжность; О

О Рис. 2.70. Схемы подключения двух полевых транзисторов к MK (окончание):

г)         преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное напряжение 220 В (DC/AC). Двухтактный каскад на транзисторах K77, VT2 управляется буферной логической микросхемой DD1. Сигналы с выходов МК  должны быть противофазными, но с небольшой «бестоковой» паузой, равной 10% от длительности периода (для устранения сквозныхтоков и повышения КПД). Конденсатор С/ компенсирует реактивность обмотки трансформатора T1 и приближает форму выходного сигнала 50 Гц к синусоиде.

Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(начало):

а) буферный биполярный транзистор VT1 управляет мощным полевым транзистором VT2. Подбором резистора R4 можно уменьшить выбросы напряжения на стоке транзистора VT2, возникающие в момент переключения сигнала;

б) биполярный ключ на транзисторе VT1 (возможная замена KT503) ускоряет разряд ёмкости затвора мощного полевого транзистора VT2. Конденсатор C1 увеличивает крутизну фронта сигнала, поступающего с выхода MK. Резистор R1 обеспечивает открытое состояние транзистора VT1 и закрытое состояние транзистора VT2 при рестарте MK; О

О Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(окончание):

в) резисторы R1, R2 одновременно не дают «висеть в воздухе» базе транзистора VT1 и затвору транзистора VT2npu рестарте MK;

г) маломощный биполярный транзистор VT1, как правило, дешевле полевого аналога, а полевой транзистор VT2 обеспечивает более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем биполярный аналог.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

nauchebe.net

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Добавлено 1 сентября 2017 в 07:00

Сохранить или поделиться

Поскольку коллекторный ток транзистора пропорционально ограничен его током базы, то транзистор можно использовать как своего рода ключ с токовым управлением. Относительно небольшой поток электронов, передаваемых через базу транзистора, обладает способностью управлять намного большим потоком электронов через коллектор.

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотели включать и выключать с помощью ключа. Такая схема была бы предельно простой, как на рисунке ниже (a).

Для иллюстрации, давайте вставим вместо ключа транзистор, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу. Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером. Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, то мы должны подключить коллектор и эмиттер нашего транзистора на место двух контактов ключа. Мы также должны убедиться, что поток электронов через лампу будет двигаться против направления стрелки эмиттера на условном обозначении (направление электрического тока должно совпадать с направлением стрелки), чтобы убедиться, что смещение перехода транзистора будет правильным, как показано на рисунке ниже (b).

(a) механический ключ, (b) ключ на NPN транзисторе, (c) ключ на PNP транзисторе.

Для этой работы может использоваться и PNP транзистор. Схема с ним показана на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP может быть произвольным. Всё, что имеет значение, заключается в правильных направлениях токов для правильного смещения перехода (поток электронов двигается против стрелки на обозначении транзистора).

Возвращаясь к NPN транзистору на схеме нашего примера, мы сталкиваемся с необходимостью добавить что-то еще для появления тока базы. Без подключения к выводу базы транзистора ток базы будет равен нулю, и транзистор не сможет включиться, в результате чего лампа всегда будет выключена. Помните, что для NPN транзистора ток базы должен состоять из электронов, протекающих от эмиттера к базе (против обозначения стрелки эмиттера, точно так же, как и поток электронов через лампу). Возможно, проще всего было бы подключить коммутатор между выводом базы транзистора и аккумулятором, как показано на рисунке ниже (a).

Транзистор: (a) закрыт, лампа выключена; (b) открыт, лампа включена (стрелками показано направление движения потока электронов)

Если ключ разомкнут, как показано на рисунке выше (a), вывод базы транзистора остается "висеть в воздухе" (не подключенным к чему-либо), и ток через этот вывод протекать не будет. В этом состоянии говорят, что транзистор закрыт. Если ключ замкнут, как показано на рисунке выше (b), электроны смогут перемещаться от эмиттера, через базу транзистора, через ключ, назад к положительному выводу батареи. Этот ток базы позволит протекать намного большему потоку электронов от эмиттера через коллектор, что приведет к тому, что лампа загорится. В этом состоянии максимального тока говорят, что транзистор открыт/насыщен.

Конечно, может показаться бессмысленным использование транзистора для этого способа управления лампой. В конце концов, мы всё еще используем в схеме ключ, не так ли? Если мы всё еще используем ключ для управления лампой – хотя и косвенно – тогда в чем смысл ставить транзистор для управления током? Почему бы просто не вернуться к нашей первоначальной схеме и использовать ключ напрямую для управления током лампы?

На самом деле здесь можно обратить внимание на два момента. Во-первых, тот факт, что при таком способе через контакты ключа должен проходить лишь небольшой ток базы, необходимый для открытия транзистора; транзистор сам обрабатывает большой ток лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель может пропускать небольшой ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно мощной нагрузкой. Что еще более важно, управляемое током поведение транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения и выключения лампы. Рассмотрим рисунок ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1В для преодоления 0,7В напряжения база-эмиттер, что позволит протекать току через базу, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит в качестве датчика освещенности (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Или мы можем использовать термопару (несколько соединенных последовательно термопар), чтобы обеспечить протекание тока базы, необходимого для открывания транзистора, как показано на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает напряжение менее 40 мВ. Несколько соединенных последовательно термопар могут обеспечить напряжение, превышающее 0,7 В напряжения VБЭ транзистора, что вызовет появление тока базы и, следовательно, тока коллектора через лампу (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Даже микрофон (рисунок ниже) с достаточным напряжением и током (от усилителя) может открыть транзистор, если сигнал на его выходе выпрямляется из переменного напряжения в постоянное так, чтобы на PN-переход эмиттер-база транзистора подавалось прямое смещение.

Усиленный сигнал микрофона выпрямляется в постоянное напряжение для смещения базы транзистора, обеспечивающего больший ток коллектора (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

К настоящему времени должен быть очевиден следующий момент: любой достаточный источник постоянного тока может использоваться для открывания транзистора, и от этого источника требуется лишь малая часть тока, необходимого для включения лампы. Здесь мы видим, что транзистор работает не только как коммутатор, но и как настоящий усилитель: использует относительно слабый сигнал для управления относительно большой величиной мощности. Обратите внимание, что фактическое питание для зажигания лампы исходит от батареи справа на схеме. Это не малый ток сигнала от солнечного элемента, термопары или микрофона магически трансформируется в большее количество энергии. Скорее эти маломощные источники просто контролируют мощность батареи для зажигания лампы.

Подведем итоги:

  • Транзисторы могут использоваться в качестве коммутирующих элементов для управления постоянным напряжением, поступающим на нагрузку. Переключаемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
  • Когда через транзистор не протекает ток, говорят, что транзистор находится в закрытом состоянии (полностью не проводит ток).
  • Когда через транзистор протекает максимальный ток, говорят, что транзистор находится в открытом состоянии, состоянии насыщения (полностью проводит ток).

Оригинал статьи:

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

Двухтранзисторные биполярные ключи в схемах на микроконтроллере

«Один в поле не воин». Так можно символически охарактеризовать однотранзисторные ключи. Естественно, в паре с себе подобными решать поставленные задачи гораздо легче. Введение второго транзистора позволяет снизить требования к разбросу и величине коэффициента передачи А21э- Двухтранзисторные ключи широко применяются для коммутации повышенных напряжений, а также для пропускания большого тока через нагрузку.

На Рис. 2.68, a…y приведены схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах к MK.

Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (начало):

а)транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем. Он усиливает ток и через ограничительный резистор R2 подаёт его в базу транзистора VT2, который непосредственно управляет нагрузкой RH;

б) транзисторы K77, VT2 включены по схеме Дарлингтона (другое название «составной транзистор»). Общее усиление равно произведению коэффициентов передачи Л21Э обоих транзисторов. Транзистор VT1 обычно ставят маломощный и более высокочастотный, чем VT2. Резистор R1 определяет степень насыщения «пары». Сопротивление резистора R2 выбирается обратно пропорционально току в нагрузке: от нескольких сотен ом до десятков килоом;

в) схема Д.Бокстеля. Диод Шоттки VD1 ускоряет запирание мощного транзистора VT2, повышая в 2…3 раза крутизну фронтов сигнала на частоте 100 кГц. Тем самым нивелируется основной недостаток схем с транзисторами Дарлингтона — низкое быстродействие;

г) аналогично Рис. 2.68, а, но транзистор VT1 открывается при переводе линии MK в режим входа с Z-состоянием или входа с внутренним « pull-up» резистором. В связи с этим уменьшается токовая нагрузка на линию порта, но снижается экономичность за счёт рассеяния дополнительной мощности на резисторе R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

д) «само защищённый ключ» на силовом транзисторе VT2 и ограничивающем транзисторе VT1 Как только ток в нагрузке Лн превысит определённый порог, например, из-за аварии или замыкания, на резисторе R3 выделяется напряжение, достаточное для открывания транзистора VT1 Он шунтирует базовый переход транзистора VT2, вызывая ограничение выходного тока;

е) двухтактный усилитель импульсов на транзисторах разной структуры; О

ж) транзистор И72открывается с относительно малой задержкой по времени (R2, VD1, C7), а закрывается — с относительно большой задержкой по времени (C7, R3, VT1)\

з) высоковольтный ключ, обеспечивающий фронты импульсов 0.1 МК с при частоте повторения до 1 МГц. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт, а ГТ2закрыт. На время импульса транзистор VT1 открывается и через него быстро разряжается ёмкость нагрузки 7?н. Диод VD1 исключает протекание сквозных токов через транзисторы VT1, VT2\

и) составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT1, ГТ2обладает сверхбольшим коэффициентом усиления по току. Резистор 7?2гарантированно закрывает транзисторы при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

к)транзистор VT1 в открытом состоянии блокирует транзистор VT2. Резистор R1 служит коллекторной нагрузкой транзистора VT1 и ограничителем базового тока для транзистора VT2\ л) мощный двухтактный каскад с буферной логической микросхемой 7)7)7, которая имеет выходы с открытым коллектором. Сигналы с двух линий MK должны быть противофазными. Резисторы R5, 7?6ограничиваюттоки в нагрузке, подключаемой к цепи 6 вых; О

м) ключ для нагрузки Лн, которая подключается к источнику отрицательного напряжения. Транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем, а транзистор VT2 — усилителем с общей базой. Максимальный ток нагрузки определяется по формуле /н[мА] = 3.7 /Л,[кОм]. Диод VDJ защищает транзистор VT2 от переполюсовки питания.

н) ключ на транзисторах разной структуры. Резистор R1 определяет ток в нагрузке RH, но подбирать его надо осторожно, чтобы не превысить ток базы транзистора VT2 при полностью открытом транзисторе VT1 Схема критична к коэффициентам передачи обоих транзисторов;

о) аналогично Рис. 2.68, н, но транзистор VT1 используется как ключ, а не как переменное сопротивление. Ток в нагрузке задаётся резистором R4. Резистор R5 ограничивает начальный пусковой ток транзистора VT2 при большой ёмкостной составляющей нагрузки RH. Схема не критична к коэффициентам передачи транзисторов. Если в качестве К72используется «суперба» транзистор KT825, то сопротивление R4 следует увеличить до 5.1 …10 кОм;

п) практический пример коммутации высоковольтного напряжения 170 В при низком токе нагрузки при сопртивлении RH не менее 27 кОм;

p) аналогично Рис. 2.68, н, но с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK; О

О Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (окончание):

с) транзисторы VT1 и кТ2работают в противофазе. Напряжение в нагрузку Лн подаётся через транзистор VT2 и диод VD1, при этом транзистор VT1 должен быть закрыт ВЫСОКИМ уровнем с верхнего выхода MK. Чтобы снять напряжение с нагрузки, транзистор Г72закрывается ВЫСОКИМ уровнем с нижнего выхода MK, после чего транзистор VT1 открывается и через диод VD2 ускоренно разряжает ёмкость нагрузки. Достоинство — высокое быстродействие, возможность быстрой повторной подачи напряжения в нагрузку;

т) на MK подаётся «взвешенное» и отфильтрованное питание в диапазоне 4…4.5 В. Обеспечивают это гасящий стабилитрон VD1 и помехоподавляющий конденсатор C1. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК  транзисторы K77, Г72закрыты, при НИЗКОМ — открыты. Максимально допустимый ток стабилитрона VD1 должен быть таким, чтобы он был больше суммы тока потребления MK, тока через резистор R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK и тока внешних цепей, если они подключены к MK по другим линиям портов;

у) видеоусилитель натранзисторах VT1 и VT2, которые включены по схеме Шиклаи (Sziklai). Это разновидность схемы Дарлингтона, но на транзисторах разной проводимости. Данная «парочка» эквивалентна одному транзистору структуры п—р—п со сверхвысоким коэффициентом усиления Л21Э. Диоды VD1, КД2защищаюттранзисторы от выбросов напряжения, проникающих извне по цепи  ВЫх- Резистор R1 ограничивает ток при случайном коротком замыкании в кабеле, подстыкованном к внешней удалённой нагрузке 75 Ом.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

nauchebe.net

Принцип работы и схема биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет о биполярных. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся 😉

Итак, понеслась..

Биполярный транзистор является одним из самых важных и основных активных компонентов. Основная цель работы биполярного транзистора заключается в увеличении сигнала по мощности. Естественно, мощность не может появиться просто из воздуха, законы физики никто не отменял, поэтому в транзисторе увеличение мощности входного сигнала достигается за счет внешнего источника питания. Еще раз повторюсь и уточню, что усиление заключается именно в увеличении мощности, в отличие от трансформатора, который может усиливать по напряжению, но при этом происходит ослабление тока, и мощность на выходе равна мощности на входе.

Двигаемся дальше) Биполярники бывают двух типов – n-p-n и p-n-p. Какого бы типа не был биполярный транзистор, он имеет три вывода (электрода), которые называются – коллектор, эмиттер и база.

Схема биполярного транзистора:

:Схема биполярного транзистора

Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.

Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Это может показаться не очень логичным, но это действительно так, просто БТ так устроен =) Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации пары диодов:Транзистор в виде диодов

Теперь, представляя немного принцип работы биполярного транзистора, и, глядя на его диодную модель, составим основные правила его работы. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0.8 В). Таким образом,

    \[ U_b = U_e + 0.6В \]

Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/ эмиттере/ базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении Uбэ, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{bk} и U_{ke}.

Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора )

С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными).

Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:

    \[ I_k = h_{21e} * I_b \]

Величина h_{21e} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.

С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее, чтобы лучше понять, в чем заключается суть работы биполярного транзистора )

Схема ключа на биполярном транзисторе.

Ключ на биполярном транзистореВот такая вот несложная, но безумно полезная схема! Будем разбираться, как она работает.

Пусть нагрузка у нас потребляет ток 100 мА при 12 В. Если на входе у нас ничего нету, то потенциал базы равен потенциалу эмиттера и равен нулю. При таком раскладе у нас диод база-эмиттер закрыт и, следовательно, тока на выходе тоже нет. Транзистор тут находится в режиме отсечки (это значит, что оба перехода – база-коллектор и база-эмиттер – закрыты).

Подаем на вход положительное напряжение (ну, например, с ножки контроллера) и сразу же начинается движуха 😉 Напряжение на базе составит около 0.6 В (диод база-эмиттер открыт) и в схеме начинает протекать ток базы. И к чему же это приведет? А вот к чему. Так как диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт, то БТ находится в режиме усиления, а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток. Соответственно, на нагрузке появится напряжение. А это в свою очередь приведет к тому, что напряжение на коллекторе будет уменьшаться (смотрите сами, напряжение коллектора + напряжение на нагрузке в сумме должны составлять 12 В, если увеличивается одно из этих значений, второе уменьшается, чистая математика =) ). В итоге, когда ток коллектора увеличится до 100мА, падение напряжения на нагрузке составит около 12В (таковы параметры нагрузки у нас), и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в режим насыщения (оба диода открыты), и дальнейшего роста тока не будет происходить.

Короче, пока на входе ничего нет – режим отсечки, подаем сигнал, транзистор, очень быстро минуя режим усиления, переходит в режим насыщения. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора в качестве ключа.

Есть тут, кстати, еще одна важная фишка. Пусть, к примеру, резистор в цепи базы имеет сопротивление 1кОм. Пусть на базу подается 10 В. Тогда на этом резисторе будет напряжение 9.4В (10В минус прямое напряжение диода база-эмиттер). Рассчитаем ток базы – делим 9.4В на 1кОм и получаем 9.4мА. Пусть коэффициент усиления транзистора равен 50. Находим коллекторный ток: 9.4мА * 50 = 470мА. Вот такой получили расчет. Вроде бы все верно, но на самом деле все совсем не так и таким образом рассчитывать нельзя! Давайте разбираться, в чем тут ошибка.

Вспоминаем, что при значении тока коллектора 100мА напряжение на нем становится мало относительно базы и биполярный транзистор насыщается. А значит дальнейшего роста тока быть не может! Таким образом, рассчитанные 470 миллиампер на нагрузке мы не увидим, просто образуется так называемый избыток тока базы.

Обсудили мы сегодня суть работы биполярного транзистора, его схему. Хотел я еще рассказать в этой статье про эмиттерный повторитель, но как то получилось объемно, а про повторитель надо поговорить обстоятельно и обширно, так что через пару дней в новой статье обязательно вернемся к биполярникам. До скорой встречи, следите за новостями =)

P.S. Вот все статьи про биполярный транзистор – ссылка

microtechnics.ru

Ключи на биполярных транзисторах | Основы электроакустики

В линейных схемах потенциал коллектора транзистора устанавливается таким, чтобы его величина находилась в пределах между напряжением питания +Е и напряжением на коллекторе в режиме насыщения UК НАС. При этом усиление сигнала осуществляется в окрестности установленной рабочей точки.

Отличительной особенностью линейных схем является то, что величина входного сигнала остается настолько малой, что выходное напряжение линейно зависит от входного и не выходит за пределы верхней и нижней границ линейного участка характеристики, так как в противном случае появились бы заметные искажения сигнала.

В отличие от линейных схем цифровое схемы работают только в двух характерных рабочих состояниях. Эти состояния характеризуются тем, что выходное напряжение может быть либо больше некоторого заданного напряжения , либо меньше заданного напряжения  причем UL < UH. Если выходное напряжение превышает , то говорят, что схема находится в состоянии H (high – выcокий), если же оно меньше, чем  говорят, что она находится в состоянии L (low – низкий).

Величины уровней  и  зависят только от используемой схемотехники. Чтобы можно было однозначно интерпретировать выходной сигнал, уровни, лежащие между значениями  и , считаются запрещенными. Схемотехнические особенности, определяемые этими требованиями, рассмотрим на примере транзисторного ключа, представленного на рис. 15.2.

 

Рис. 15.2. Транзисторный ключ

 

В схеме должны выполняться следующие условия:

UВЫХ ≥ UH при UУПР ≤ UL,                       (15.1)

UВЫХ ≤ UL при UУПР ≥ UH.                      (15.2)

 

Эти условия должны выполняться даже для самого неблагоприятного случая, т.е. UВЫХ не должно быть меньше, чем  при UУПР=UL, и UВЫХ не должно быть больше, чем  при UУПР=UH. Такие условия могут быть выполнены соответствующим выбором уровней  и , а также величин сопротивлений RK и RБ. Передаточная характеристика транзисторного ключа показана на рис. 15.3.

 

Рис. 15.3. Передаточная характеристика ключа

 

Параллельный ключ. Применение биполярного транзистора в качестве параллельного ключа показано на рис. 15.3, а, б.

 

 

 

Рис. 15.3. Параллельный ключ на биполярном транзисторе:

a) прямое включение; б) инверсное включение

 

Чтобы транзисторная цепь была достаточно низкоомна, необходимо поддерживать ток базы в пределах нескольких миллиампер. Токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений; при этом остаточные напряжения, соответствующие IК=0 или IЭ=0, будут малы.

Последовательный ключ. На рис. 15.4 представлена схема последовательного коммутатора, выполненная на биполярном транзисторе. Чтобы перевести этот транзистор в режим отсечки, необходимо приложить отрицательное управляющее напряжение. Оно должно быть по абсолютной величине большим, чем максимальное напряжение отсечки.

Рис. 15.4. Последовательный ключ на базе насыщенного эмиттерного повторителя

 

Чтобы открыть транзистор, на его вход надо подать управляющее напряжение большее, чем напряжение отсечки, на величину ΔU = IБRБ. При этом переход коллектор-база откроется, и транзистор будет работать как ключ в инверсном включении. Недостатком схемы является протекание базового тока IБ транзистора через цепь источника входного сигнала. Чтобы это не сказывалось на работе схемы, внутреннее сопротивление источника сигнала должно быть достаточно малым.

Если выполняется это условие, то схема оказывается пригодной и для положительного входного напряжения. При этом ток эмиттера IЭ открытого транзистора будет положителен, что уменьшает напряжение смещения. При определенном значении тока эмиттера IЭ оно может даже равняться нулю.

В этом режиме работы схема представляет собой насыщенный эмиттерный повторитель. Для управляющего напряжения, величина которого лежит в пределах от нуля до входного напряжения (0 < UУПР < UВХ), она работает как эмиттерный повторитель сигнала управляющего сигнала. Это обстоятельство иллюстрируется передаточной характеристикой ключа для положительных входных напряжений, представленной на рис. 15.5.

 

Рис. 15.5. Передаточная характеристика для положительных входных напряжений

 

Последовательно-параллельный ключ. Если совместить насыщенный эмиттерный повторитель и параллельный ключ, получится последовательно-параллельный коммутатор, имеющий в обоих рабочих состояниях малое напряжение смещения. Недостатком его является необходимость наличия комплементарных управляющих сигналов. Более простое управление можно обеспечить, если применить изображенный на рис. 15.6 комплементарный эмиттерный повторитель, который работает в режиме насыщения в обоих направлениях. Для этого необходимо обеспечить    выполнение    следующих   условий   UУПР МАКС>UВХ   и UУПР МИН<0.

Благодаря низкому выходному сопротивлению в обоих режимах схема реализует высокую скорость коммутации выходного напряжения при 0 < UВЫХ < UВХ.

 

 

Рис. 15.6. Последовательно – параллельный ключ

audioakustika.ru

ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Одним из основных элементов импульсной и цифровой техники является ключевое устройство. Ключевые устройства (ключи) слу­жат для коммутации (переключения) цепей нагрузки под воздей­ствием внешних управляющих сигналов. Ключи входят в качестве отдельных элементов в состав сложных устройств — триггеров, мультивибраторов и т. д. Ключ может находиться либо в замкнутом, либо в разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии (ключ включен) сопротивление ключа мало, через него течет боль­шой ток и все напряжение источника выделяется на резисторе R. Напряжение на выходе ивых равно нулю. В разомкнутом состоянии (ключ выключен) сопротивление ключа бесконечно большое, по­этому ток через него практически не протекает. Напряжение на выходе ивых равно Е. Следовательно, при коммутации ключа на вы­ходе создаются перепады напряжения с амплитудой Um=E.

В зависимости от вида элемента, применяемого для коммута­ции, ключевые устройства подразделяются на механические, электромеханические и электронные. Примером механического ключа является обычный выключатель. Электромагнитное реле выполня­ет функции электромеханического ключа, который под воздействи­ем электрического управляющего сигнала производит коммутацию контактов.

Для построения электронных ключей используют диоды, тран­зисторы, электронные лампы и т. д. В зависимости от того, какой прибор использован, различают диодные, транзисторные, лампо­вые и т. п. ключи.

При создании транзисторных ключей используются биполярные или полевые транзисторы.

ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Принцип работы ключа. В качестве основного примера рас­смотрим транзисторный ключ на кремниевом транзисторе типа п—р—п. Такие ключи являются одним из основных элементов ин­тегральных микросхем, они также могут быть реализованы и на дискретных элементах. Переход к транзисторам типа р—п—р сво­дится лишь к изменению полярности источников питания (в тех случаях, когда такой переход связан со схемными изменениями, они оговариваются дополнительно). Наибольшее распространение получил транзисторный ключ по схеме с общим эмиттером. Его принципиальная схема приведена на рис. 1. Транзисторный ключ может находиться в одном из двух состояний: ВЫКЛЮЧЕНО, ког­да транзистор закрыт и ключ ра­зомкнут, и ВКЛЮЧЕНО, в этом случае транзистор открыт и ключ замкнут.

 
 

 

 

Рис.1

 

Ключом управляют, подавая на его вход управляющее напряжение ивх. Включенному состоянию соответствует низкий положительный уровень входного сигнала ивх=U0. Включенное состояние обеспечивается высоким по­ложительным уровнем входного сигнала ивх =U1.

Ключ удерживается в одном из состояний, пока на входе со­храняется соответствующий уровень сигнала. Резистор R ограни­чивает ток базы, Rk — коллекторная нагрузка, Ек — источник кол­лекторного напряжения.

Транзистор ключа описывается с помощью семейства входных и выходных характеристик, изображенных на рис.2.

Особенностью входных характеристик кремниевого транзисто­ра является наличие достаточно большого порога от­пирания Uп. При напряжении на базе, меньшем порога отпирания, транзистор всегда закрыт.

Для анализа работы ключа на семейство выходных характерис­тик наносят нагрузочную прямую, соответствующую определенно­му сопротивлению резистора Rк и пересекающую координатные оси в точках Ек и Ек/Rк. При изменении базового тока iБ рабочая точка перемещается вдоль этой прямой, определяя в каждый мо­мент времени коллекторный ток , напряжение между кол­лектором и эмиттером и режим работы транзистора.

 
 

Рис.2.

Режимы транзистора. В соответствии с функциями ключа тран­зистор может находиться в одном из двух статических режимов: режиме отсечки (транзистор закрыт) и режиме насыщения (тран­зистор открыт и насыщен). Активный режим работы обусловлен переходом из одного статического режима в другой.

Режим отсечки (транзистор закрыт). На входе дей­ствует напряжение ивх=U0. В этом режиме ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода. Напря­жение на выходе ключа практически равно напряжению источника питания ивых=Ек (определяя ивых, необходимо суммировать все напряжения, проходя по внешней цепи от коллектора к эмиттеру).

Рабочая точка находится в точке А на нагрузочной прямой (см. рис. 2).

Для обеспечения такого режима в кремниевых транзисторах необходимо выполнить условие:

Uп > ивх=U0 .

Напряжение иБ, приложенное к базе транзистора, определяют, про­ходя от базы к эмиттеру по внешней цепи (см. рис. 1). Оно рав­но сумме двух составляющих: падения напряжения на сопротив­лении R от тока Iкбо ; остаточного напряжения источника вход­ного сигнала ивх=U0 , которое, как правило, снимается с другого аналогичного ключа и не равно нулю (см. ниже режим насыще­ния). Оба напряжения имеют одинаковую полярность и стремятся открыть эмиттерный переход.

Таким образом, ивх=U0 + R * Iкбо и условие отсечки для крем­ниевых транзисторов определяется неравенством:

Un > U0 + R * Iкбо .

Это условие должно выполняться при максимальной температуре коллекторного перехода, когда напряжение Un минимально, а об­ратный ток коллектора максимален. Нужно иметь в виду, что ток Iкбо кремниевых транзисторов достаточно мал.

При выполнении условия отсечки оба перехода транзистора будут закрыты. Коллекторный переход (верхний по схеме) сме­щен в обратном направлении, так как напряжение на коллекторе равно +Ек. Учитывая это, часто считают, что в режиме отсечки все выводы транзистора разъединены.

Активный режим (транзистор открыт, но не на­сыщен). Напряжение на входе лежит в пределах Un < ивх < U1. В этом режиме транзистор находится короткое время, равное вре­мени переключения из одного статического состояния в другое. Через электроды транзистора протекают прямые токи базы, коллектора и эмиттера. При изменении ивх меняется ток базы и рабочая точка переме­щается по нагрузочной прямой от точки А к точке Б (см. рис. 2). Входной (базовый) и выходной (коллекторный) токи связаны между собой линейно с помощью статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Напряжение на выходе равно разности напряжений источника коллекторного питания и падения напряжения на Rк от тока коллектора, протекающего через коллекторный переход:

С увеличением тока базы увеличивается коллекторный ток. Это ведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rk, а следовательно, и уменьшению напряжения на коллекторе ик= ивых. При некотором токе базы, называемом током базы в ре­жиме насыщения /Б нас, рабочая точка попадает в точку Б (см. рис. 2), которой соответствует значение коллекторного тока /к нас, называемое током коллектора в режиме насыщения, и транзистор переходит в режим насыщения.

­Режим насыщения (транзистор открыт и насы­щен). В режиме насыщения на входе действует напряжение ивх = U1, которое вызывает появление тока, втекающего в базу iБ > / Б нас. Этот ток соответствует границе между активным режи­мом и режимом насыщения (см. точку Б рис. 2). В этой точке тoк базы еще связан линейной зависимостью с током коллектора.

В режиме насыщения транзистор полностью открыт, т. е. оба перехода смещены в прямом направлении, и коллекторный ток ог­раничивается только резистором Rк. Пренебрегая падением на­пряжения на открытом транзисторе, можно записать:

iк = / К нас = Ек/Rк.

Выходное напряжение ключа ивых = U0, где U0 — остаточное напряжение на кол­лекторе открытого транзистора.

Для количественной оценки глубины насыщения часто исполь­зуют понятие коэффициента насыщения S, который показывает, во сколько раз ток iБ , втекающий в базу транзистора, превышает ток базы, при котором транзистор оказывается на границе насыщения.

Поскольку на границе насыщения напряжения между вывода­ми транзистора составляют доли вольта, а дифференциальные сопротивления значительно меньше внешних сопротивлений ключе­вого устройства, часто считают, что все выводы транзистора в этом режиме замкнуты между со­бой и транзистор представляет собой точку.

Динамический режим ключа. При анализе работы транзистор­ного ключа предполагалось, что переход его из состояния ВЫ­КЛЮЧЕНО в состояние ВКЛЮЧЕНО происходит мгновенно. В действительности, даже если подавать на вход ключа идеальный прямоугольный импульс или перепад, соответствующие изменения выходного напряжения будут происходить не мгновенно, а в ко­нечные промежутки времени, определяемые длительностью пере­ходных процессов.

Инерционные факторы, влияющие на работу ключа. Возникновение переходных процессов объясняется инер­ционными свойствами, которыми обладают как сам транзистор, так и внешние цепи, подключенные к нему. Инерционность таких цепей связана с наличием паразитных емкостей (монтажа, на­грузки и т. д.), которые при переключении ключа заряжаются и разряжаются за конечное время. Учтем эту емкость введением в схему ключа некоторой нагружающей емкости Сн (рис. 3).

 

 
 

 

 

Рис. 3-а.

 

Инерционность транзистора, обусловленная процессами накоп­ления и рекомбинации заряда в базе при коммутации ключа, на­зывается внутренней, а инерционность транзистора, вызванная на­личием барьерных емкостей переходов, называется внешней.

 

 
 

 

 

Рис. 3.

 

Рис. 3-б.

 

Внутренняя инерционность транзистора учитывается введением некоторой постоянной времени τ. С параметром τ связаны процес­сы накопления и рекомбинации заряда в базе, определяющие ме­ханизм действия транзистора. Вспомним физическую сущность параметра τ. В процессе работы транзистора под действием тока в базе накапливается заряд. Если базовый ток прекращается, то заряд, накопленный в базе, будет убывать по экспоненциальному закону благодаря рекомбинации зарядов. Время, в течение кото­рого число неосновных носителей в базе уменьшается в е раз (где е—основание натурального логарифма), обозначается постоянной времени τ. Постоянная времени τ определяет внутренние инер­ционные свойства транзистора в схеме с общим эмиттером и на­зывается временем жизни неосновных носителей в базе.

Время жизни неосновных носителей в базе может меняться в зависимости от режима работы и типа транзистора. Так, при рабо­те дрейфовых транзисторов в режиме насыщения постоянная вре­мени, обозначаемая Тнас, увеличится, Тнас=(2—6)*τ . Для бездрей­фовых транзисторов можно считать, что Тнас» τ .

Внутренняя инерционность — общее свойство транзистора — проявляется не только в ключевом, но и в усилительном режиме работы транзистора. В усилительном режиме наличие внутренних инерционных свойств приводит к тому, что динамический коэффи­циент передачи по току зависит от частоты (рис. 3-б). Так как на практике эту зависимость легко измерить, то па­раметр τ определяют, пользуясь этой зависимостью.

Время жизни носителей оказывается обратно пропорциональ­ным частоте, на которой коэффициент передачи равен 1.

Следует иметь в виду, что такую же зависимость коэффициентa передачи от частоты имеет не только транзистор, но и интегри­рующая цепь. Поэтому упрощенно можно полагать, что переходные процессы, возникающие вследствие внутренней инерционно­сти транзистора, описываются дифференциальным уравнением первого порядка с постоянной времени τ. В этом случае для рас­четов применимо общее соотношение, являющееся решени­ем дифференциального уравнения первого порядка с постоянной правой частью.

Барьерные емкости Сэ и Ск, являющиеся причиной внешней инерционности транзистора, нелинейны и зависят от приложенных к переходам напряжений. Усреднив их по всему диапазону, конденсаторы Сэ и Ск можно отнести к внешней схеме ключа, как посто­янные. Поэтому Сэ и Ск и называют внешними инерционными па­раметрами транзистора.

При работе транзистора в активном режиме возникает обрат­ная связь с коллектора на базу транзистора через емкость коллек­торного перехода Ск, что также является причиной внешней инер­ционности транзистора. Внешнюю инерционность из-за действия обратной связи через Ск учитывают, вводя постоянную времени τк Общая постоянная времени транзистора в схеме ключа для активного режима равна сумме постоянных времени, обусловлен­ных внутренними и внешними инерционными факторами транзис­тора.

Описание переходных процессов. Рассмотрим пере­ходные процессы, происходящие в ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса. Вре­менные диаграммы, иллюстри­рующие изменение тока базы iБ(t), заряда Q(t), тока коллек­тора IК(t) и т. д. изображены на рис. 4.

Исходное состояние. В исход­ном состоянии транзистор нахо­дится в режиме отсечки, посколь­ку напряжение на входе ивх = U0 меньше порога отпирания. Рабо­чая точка на семействе выходных характеристик и на передаточной характеристике находится в точ­ке А (см. рис. 2).

Включение. В момент t=t1 на вход ключа подается положи­тельный импульс, амплитуда ко­торого больше порогового значе­ния. Этот импульс вызывает появление в цепи базы перепада тока. Ток базы во время дей­ствия входного импульса можно считать практически неизменным, так как входное сопротивление транзистора обычно много меньше сопротивления R. Под воздей­ствием входного перепада тока транзистор переходит последо­вательно из области отсечки в активную область и далее в об­ласть насыщения.

Процесс включения транзисторного ключа обычно подразделя­ют на два этапа: задержка включения (или подготовка включе­ния) и формирование фронта выходного импульса.

Задержка включения. Интервал времени t1-t2 от момента по­дачи входного импульса до начала нарастания коллекторного то­ка, определяет время задержки включения tЗ. Транзистор в это время находится в режиме отсечки.

 

 

 
 

 

Рис. 4.

 

Возникновение задержки при включении ключа объясняется за­рядом барьерных емкостей Сэ и Ск током базы. В процессе заряда напряжение на емкостях Сэ и Ск под действием входного импульса нарастает от значения U0, стремясь к U1. В тот момент, когда на­пряжение на базе достигает порогового значения Un, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит из режима отсечки в активный режим.

Рабочая точка на нагрузочной прямой за время задержкинеменяет своего положения.

Заряд барьерных емкостей происходит в цепи первого порядка с постоянной времени τЗ=R*(Ск+Сэ). Практически время задержки весьма мало, поэтому им часто пренебрегают.

Формирование фронта происходит в интервале t2 - t3 . В мо­мент времени t2 напряжение на базе становится равным порогово­му, транзистор открывается и переходит в активный режим. Начи­нается накопление заряда неосновных носителей, инжектированных в базу. По мере увеличения заряда увеличивается ток коллектора, который пропорционален Q(t), и уменьшается напряжение на коллектор­ном переходе. Скорость накопления заряда в базе определяет скорость нарастания коллекторного тока.

В момент t3, когда заряд достигает граничного значения коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в состояние насыщения. Рост коллекторного тока пре­кращается, поскольку он оказывается ограниченным параметрами внешней цепи:

/К = /К нас = Ек / Rк .

За время формирования фронта рабочая точка по нагрузочной прямой перемещается из точки А в точку Б (см. рис. 2). Интервал времени t2 - t3, в тече­ние которого коллекторный ток меняется от 0 до /кнас, называется длительностью фронта. Транзистор в это время находится в ак­тивном режиме.

Накопление избыточного заряда. После окончания формирова­ния фронта в момент времени t3 транзистор переходит в режим насыщения. Коллекторный переход смещается в прямом направле­нии. Коллекторный ток практически постоянен и равен IК нас . Од­нако заряд в базе продолжает нарастать, стремясь к стационарно­му значению, определяемому входным током.

Избыточный заряд возникает только в том случае, если ток ба­зы превышает значение IБнас. В режиме насыщения нарушается пропорциональность между током базы и током коллектора. Коллекторный ток уже не может следовать за базовым, так как он ограничен сопротивлением Rк. В против­ном случае закон изменения коллекторного тока повторял бы закон изменения заряда Q(t), вызываемое током базы. Необходимо отметить, что при переходе транзистора в режим насыщения изменяется время жизни неоснов­ных носителей в базе, которое для области насыщения обозначает­ся символом Тнас и называется постоянной времени транзистора в области насыщения. Постоянная времени Тнас определяет как про­цесс накопления, так и стационарный уровень заряда в базе. Ста­ционарного значения заряд достигает за время, не меньшее, чем 2,3 * Тнас после начала накопления. Если длительность входного им­пульса меньше этого значения, то заряд в базе к концу будет меньше Q ст.

В режиме насыщения рабочая точка на нагрузочной прямой ос­тается в точке Б.

Выключение. В момент времени t4 действие входного отпираю­щего импульса заканчивается. Возникает обратный ток базы. Под воздействием процесса рекомбинации за­ряд неосновных носителей в базе уменьшается. Спустя некоторое время транзистор выходит из насыщения и переходит в активную область, а затем запирается.

Процесс выключения можно разделить на два этапа: рассасы­вание избыточного заряда и формирование спада импульса.

Рассасывание избыточного заряда. Происходит в течение интер­вала времени t4 - t5. Этот процесс является причиной возникнове­ния задержки при выключении ключа. Заряд неосновных носите­лей в базе мгновенно измениться не может, поэтому требуется время, чтобы он уменьшился от стационарного значения в режиме насыщения Q ст до граничного значения. В течение этого времени транзистор остается в режиме насыщения, ток коллектора посто­янен и равен /кнас, а

Uк = Uк нас = Uo.

Время, в течение кото­рого транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения пос­ле окончания входного импульса, называется временем рассасы­вания.

К концу процесса рассасывания положение рабочей точки на нагрузочной прямой не меняется.

Формирование среза импульса. Начинается в момент времени t5 , когда избыточный заряд уменьшается до нуля. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и транзистор из ре­жима насыщения переходит в активный режим. В течение интер­вала t5 - t6, называемого длительностью среза, заряд в базе продолжает убывать, уменьшаясь от Q гр до нуля, рабочая точка на нагрузочной прямой возвращается в точку А. Коллекторный ток в активном режиме пропорционален заряду и изменяется от Iкнас, стремясь по экспоненциальному закону к 0. В момент t6транзистор запирается и /к=0.

Далее в течение некоторого времени t6 — t7происходит измене­ние заряда барьерных емкостей переходов Сэ и Ск. За время это­го процесса ток базы уменьшается до нуля, а на базе устанав­ливается исходное напряжение Uo.

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ КЛЮЧА НА ЕГО РАБОТУ

Значения элементов и напряжений в схеме транзисторного ключа влияют на длительности соответствующих процессов.

Изменение параметров коллекторной цепи Rк и Ек приводит к изменению тока Iк нас и влияет на длительности всех трех процес­сов. Например, уменьшение Ек до Е'к ведет к уменьшению /к нас до /'к нас. При включении ключа амплитуда коллек­торного тока будет нарастать до меньшего значения /'к нас в цепи с неизменной постоянной времени. Это приведет к уменьше­нию длительности фронта. При уменьшении

/к нас транзистор выходит на границу насыщения при меньшем токе базы, поэтому все дальнейшее увеличение тока базы вызывает накопление избы­точного заряда, что ведет к увеличению времени рассасыва­ния.

Спадать коллекторный ток начнет с меньшего значения, по­этому время среза уменьшится. Уменьшение /к нас из-за увеличе­ния Rk влияет на изменение времен двояко. С одной стороны, при уменьшении /к нас уменьшаются длительности фронта и среза и увеличивается время рассасывания. Но, с другой стороны, особенно при использовании дрейфо­вых транзисторов, увеличивается постоянная времени транзистора в активном режиме вследствие увеличения слагаемого, обу­словленного внешним инерционным фактором. Это уве­личение приводит к увеличению tc, поэтому изменением Rк можно изменять потребляемую мощность и пропор­ционально ей изменять быстродействие при условии, что длитель­ность рассасывания сравнительно мала.

Прямой ток включения базы /б можно увеличить, повысив напряжение Uвх. При этом длительность фронта уменьшается из-за увеличения ско­рости нарастания тока, а длительность рассасы­вания увеличивается вследствие накопления избыточного заряда. Длительность среза остается неизменной. При изменении сопротив­ления R, например уменьшении, происходит пропорциональное уве­личение тока базы, процесс включения протекает быстрее. Со­кращается и процесс выключения, поскольку ток /к спадает от /к нас до нуля с большей скоростью, стремясь к более низкому уровню. Время рассасывания увеличива­ется.

Рассмотренные примеры показывают, что изменение режимов работы транзистора, работающего по схеме ключа, не позволяет заметно повысить его быстродействие, поскольку при неизменной потребляемой мощности уменьшение длительности одних процес­сов сопровождается увеличением длительности других. Для повышения быстродействия используют более сложные схемы ключей.

 

Похожие статьи:

poznayka.org


© ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
Разработка сайта