Транзисторные ключи. Стационарные состояния ключа. Разновидности ключей на биполярных транзисторах

переход ключа из одного стационарного состояния в другое происходит не мгновенно даже при бесконечно крутых перепадах входного напряжения.

Процесс перехода ключа из выключенного состояния во включенное имеет две стадии: задержку и фронт включения. Задержка включения t_з._вкл обусловлена наличием входной емкости С_вх транзистора, заряжающейся через резистор R_б, благодаря чему напряжение на эмиттерном переходе запаздывает относительно входного напряжения. Длительность фронта включения t_ф._вкл зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору, значения коллекторной емкости и уменьшается с увеличением базового тока включения транзистора.

Процесс перехода ключа из включенного состояния в выключенное содержит стадии задержки и фронта выключения. Задержка выключения связана с тем, что под действием выключающего сигнала происходит рассасывание заряда, накопившегося в базе при насыщении транзистора. Длительность рассасывания увеличивается с повышением степени насыщения транзистора и уменьшается с увеличением базового тока выключения. Длительность фронта выключения t_ф._выкл зависит от тех же факторов, что и длительность фронта включения, и уменьшается с увеличением базового тока выключения.

Опишем подробнее стадии переключения ключа. Будем считать, что на его вход воздействуют знакопеременные прямоугольные импульсы идеальной формы с амплитудой U_m. Рассмотрение переходных процессов начнем с момента, когда отрицательный входной импульс сменяется положительным, начинающим включение транзистора.

Задержка включения, как указывалось, обусловлена наличием входной емкости С_вх транзистора. В исходном состоянии эта емкость заряжена до напряжения - U_m, a с момента появления положительного входного импульса начинает перезаряжаться и напряжение на ней стремится к значению U_m(рис. 2.18, б):

u _cвх = 2 U_m (1 – е^{-t/τ вх}) - U_m, (2.21)

где τ_вх = R_бC_BX — постоянная времени входной цепи транзистора; R_б — сопротивление резистора в этой цепи.

Будем считать, что эмиттерный переход сместится в прямом направлении, когда напряжение на нем (на емкости С_вх) достигнет некоторого порогового напряжения u _cвх = U_пор > 0 (для кремниевых транзисторов U_пор ≤0,6 В). Это произойдет спустя время t_з._вкл (см. рис. 2.18, б) после того, как на вход ключа начнет воздействовать положительный импульс, т. е. u _cвх = U_пор при t = t_з._вкл.

Подставляя эти значения в выражение (2.21), после простых преобразований и переходя от натуральных логарифмов к десятичным получаем время задержки включения

Если U_пор = 0 (как можно считать у германиевых транзисторов), то предыдущее выражение упрощается:

t_з._вкл= 0,7 τ_вх

Фронт включения транзистора представляет собой начальный участок экспоненты, в соответствии с которым коллекторный ток изменяется в активном (усилительном) режиме:

i_к =βI_б⁺  (1- e^-t/τэк   )                                                                                                 (2.22)

где β — коэффициент усиления базового тока в схеме с общим эмиттером; I_б⁺ = U_m/R_б - импульс базового тока включения; βI_б⁺— ток коллектора, который был бы в отсутствие насыщения («кажущийся» ток); τ_эк = τ_β + R_к С_к(β + 1); τ_β - постоянная времени транзистора в схеме с общим эмиттером при R_K = 0; С_к — емкость коллекторного перехода.

До границы насыщения коллекторный ток увеличивается от i_K  = I_ко ≈0 до значения ; i_K  = I_кн, которое достигается за время t_ф._вкл с момента отпирания эмиттерного перехода. Подставляя t_ф._вкл и I_кн в выражение (2.22), получаем после преобразований длительность фронта включения транзистора

Отношение βI_б⁺ /I_кн = βI_б⁺ / βI_бн⁺ = I_б⁺ / I_бн = Sназывают степенью