Работа транзистора в ключевом режиме

РАБОТА ТРАНЗИСТОРА В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

                        Статические характеристики

В ключевом режиме используются схемы ОЭ, ОБ, ОК, но чаще всего схема ОЭ.

Как правило, в ключевом режиме транзистор находится в двух крайних состояниях:

1 Закрытое состояние.

Iб = 0; Iк = Iк0;   Vк ~ Vист.

2. Открытое состояние.

Iб > Iк / b;   Vк = Vнас.,        где 

Этот режим называется режимом насыщения. В нем транзистор теряет свои усилительные свойства и становится по коллекторной цепи малым сопротивлением. Сопротивление коллекторного перехода уменьшается до десятков ом у маломощных транзисторов до долей ома у мощных.

Пример:          КТ3102      Iб = 1 мА, Iк = 10 мА, Vнас. £ 0.1 В, Rнас. =  10 ом

КТ818А    Iб = 0.5 А, Iк = 3 А, Vнас. 0.3 ¸ 0.5 В, Rнас. ~ 0.1 ом

Коэффициент насыщения транзистора:

        

Пример: КТ3102. b = 100 - 250

                   S = 100 ∙ 1.0/10 = 10

Для маломощных транзисторов S = 5 – 20, для мощных транзисторных ключей b = 2 - 3.

Распределение потенциала.

 Vбэ нас. = 1 В.  Пусть Vкэ нас. = 0.4 В, тогда Vкб = -0.6 В. Коллекторный  переход смещается в прямом направлении и тоже начинает инжектировать в область базы не основные носители. Это приводит к существенному уменьшению сопротивления между эмиттером и коллектором транзистора.

Расчет схем по постоянному току в ключевом режиме.

Необходимо обеспечить надежное запирание транзистора с учетом возможного увеличения обратного тока коллектора Iк0 с ростом температуры. Если между базой и эмиттером транзистора включено сопротивление Rб, то ток Iк0  создает на нем падение напряжение Vбэ = Iк0 * Rб. Транзистор будет заперт, если выполняется условие:

Vбэ £  (3 – 4) ∙ ft;                где ft = 25 мВ - температурный потенциал.

Надежный переход транзистора в насыщенное состояние при минимальном значении bмин.  для  данного типа транзистора обеспечивается при:

           Iб ³

Пример: Обеспечить ключевой режим транзистора.

1. Транзистор открыт:

Iк » Епит/R = 10 мА

Iб = Iк ∙  S/b = 10 ∙ 10/100 = 1 мА.

Rб = (3В – Vбэнас.)/Iб = (3-1)/10 ^-3 = 2кОм.

2. Транзистор закрыт:

Vбэ = Iк0 ∙  Rб = 2Е-6 А * 2Е+3 = 4 мВ< 3ft

Cуществование режима насыщения транзистора приводит к появлению некоторых важных особенностей во временных характеристиках его переключения. Оказывается, процессы включения выключения имеют инерционных характер, что объясняется наличием накопленного заряда неосновных носителей Q в базе.

Накопление заряда Q в базе транзистора аналогично процессам в диоде:

              при          Iб = const

                                                               t ® ∞

                                                                                                     Q ® Iб∙tb

Известна также другое соотношение

 = // =

tb -  постоянная времени накопления заряда с общим эмиттером.

ta - постоянная времени накопления заряда с общей базой

ta = 1/(2p×fгр.), где fгр. – граничная частота транзистора – частота, на которой бета транзистора становится равным единице. На этой частоте транзистор теряет свои усилительные свойства.

Отпирание транзистора

Случай ненасыщенного режима: Пусть при t = 0,    Q = 0. Тогда, решая дифференциальное уравнение, можно найти:        (от 0.1 до 0.9)Vфронта Случай насыщенного режима: Iк << bIб – ток коллектора увеличивается также по экспоненте, но рост прекращается при Iк = Время включения транзистора может значительно уменьшиться.

                 

Если   tb = ta ∙ b, то в пределе можно получить:

             

Следует заметить, что переходные процессы при этом не кончаются, и еще в течение некоторого времени dt = (2 – 3) ∙ tb продолжается накопление заряда в базе транзистора. Этот процесс можно наблюдать по медленному спаданию коллекторного и базового напряжений до установившегося значения, при этом dV = 0.2 – 0.5 В  в зависимости от типа транзистора.

Замечание. Все предыдущие рассуждения касались тока транзистора. Если рассчитывается переходной процесс напряжения коллектора, то надо учитывать влияние коллекторной емкости, иначе ошибки будут большими. В реальной схеме ключа (см рисунок) во время переходного процесса при включении транзистора ток базы тратится на

·  на увеличение накопленного заряда в базе (ток I1)

·  на зарядку емкости коллекторного перехода транзистора Ск при изменении коллекторного напряжения от Епит. до Vк_насыщ (ток I2).

       Влияние Ск приводит к увеличению времени включения на величину :                      

Таким образом, общее время включение будет равно:

                                 

Например,  для транзистора КТ3102:

Ск = 7пф,  Епит = 10В,  Vнас. = 0,   S = 10,  Iб = 1 мА,   Iк = 10 мА.

f_a= 200 ∙ 10 ⁶ Гц.     = 0,8нсек,        f _b =  ∙ b = 80 нсек.

Запирание транзистора

Случай ненасыщенного режима – рассчитывается так же, как и при отпирании, при этом надо также учитывать перезарядку емкостей переходов и монтажных емкостей.

Насыщенный транзистор.

Пусть входной ток Iб1 скачком меняется от Iб1 до Iб2, имеющего отрицательную величину. Тогда накопленный заряд в базе будет рассасываться в результате:

а.  Рекомбинации неосновных носителей в базе.

б.  Возвращения их обратно в эмиттер за счет Iб2.

Ток в коллекторной цепи, как и напряжение на коллекторе,  пока заряд в базовой области не достигнет величины  , меняется мало, так что можно считать его постоянным.  После этого коллекторный ток начнет уменьшаться. Интервал времени, в течение которого накопленный заряд в базе  Qб уменьшается до Q_{граничн}. называется временем выхода из насыщения и его можно получить из соотношения:

Решение можно получить из дифференциального уравнения для запирания диода в предыдущей лекции. Предполагается, что транзистор был включен достаточно долго перед выключением (tвкл > (2 – 3) tb.

t₂ определим, воспользовавшись формулой из предыдущей лекции.

Нужно кроме того помнить, что так же,  как и для случая включения транзистора в ненасыщенном режиме,  время t₂ увеличивается за счет влияния коллекторной емкости, разряжаемой током I_б2.

Пример: Iб₁ = - Iб₂ = 1 мА.  Iк = 10 мА, S = 10.

t₁ + t₂ = 80 ∙ 10^{– 9}    ∙ ln(2) + 80 ∙ 10 ^{– 9}  ∙

Зависимость величины постоянной времени t_b от температуры приводит к  нестабильности задержки переключения транзистора. Нестабильность источников питания тоже может вызывать тот же эффект.  В мостовых схемах накопление заряда в базе вызывает появление «сквозных»  токов, когда один из транзисторов уже включен, а другой еще не успел выйти из насыщения и еще открыт. Сквозной ток приводит к разогреву транзисторов, потреблению дополнительной мощности, при высоких частотах переключения становится заметным появление наводок по питанию.

Для ускорения переключения используется ключ с корректирующей емкостью. Использование емкости позволяет увеличить ток базы в момент переключения транзистора, затем он может быть уменьшен до величины Iк_насыщ/b точностью до разброса b.

Если Rген << Rб и постоянная времени Rген ∙ Сб << tb, то при включении транзистора заряд, прошедший через Сб тратится на:

1.  на зарядку емкости коллекторного перехода Сбк,