Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Аналоговая схемотехника», страница 5

Ненасыщенным является ключ, у которого

                                 (2.10)

насыщенный режим работы ключа применяют для повышения быстродействия. У ненасыщенного ключа t_ф ≥ τ_β, , t_pозc = 0,  t_c ≤ τ_β. Ненасыщенный ключ получают из насыщенного, введя цепь нелинейной отрицательной обратной связи (ННЗЗ).

ННЗЗ работает следующим образом. При открывании ключа обеспе­чивается ток базы больше тока базы насыщения. В момент достижения границы между линейными и насыщенными режимами ННЗЗ обеспечивает уменьшение тока базы до величины I_Б = Ik.hac / h_21Е. Это обес­печивает нахождение транзистора в точке В (рис. 2.1, б). При выклю­чении ключа ННЗЗ отключается.

Как правило, организуют ННЗЗ по напряжению коллектора. Введе­ние ННЗЗ по току коллектора неэффективно из-за дрейфа Ек, I_кбо и h_21Е. Другими словами, ННЗЗ должна поддерживать U_КЕ транзистора равным или большим U_КЕ.НАС.  Такая ННЗЗ реализована в схеме рис. 2.3, а.

Цепь ННЗЗ представляет собой цепочку, состоящую из последова­тельно включенных диода VD1 и источника ЕДС E_Q. Величину ЕДС E_Q можно определить по второму закону Кирхгофа:

                       (2.11)

При использовании транзистора и диода из одного и того же ма­териала (например, кремния), можно считать, что , т.е. .

В роли источника E₀ можно использовать внешний источник, одна­ко это не всегда удобно, так как он должен быть гальванически раз­вязан от цепи питания ключа. Поэтому чаще в качестве источника ЕДС используют падение напряжения на элементах цепи - резисторах или диодах. Вариант с резистором показан на рис. 2.3, б.

Рис.2.3. Схемы нненасыщенных транзисторных ключей

В этом случае ток базы I_Б.НАС протекающий через резистор   R2, должен создавать на нем падение напряжения, равное U_КЕ.НАС, при использовании вместо R2 диода, .

2.1.3 Потери в транзисторных ключах и траектория переключения транзистора

При работе транзистора в ключевом режиме в нем рассеивается мощность, определяемая током и падением напряжения на ключе. Эту мощность можно разбить на две составляющие: статическую Р_СП.СТ и динамическую Р_СП.ДИН. Статическая мощность потерь - это мощность, рассеиваемая транзистором, когда он находится в режиме насыщения или отсечки:

                       (2.12)

Как правило, , поэтому можно считать, что

Динамическая мощность потерь представляет собой мощность, рассеиваемую транзистором в динамическом режиме, т.е. при включении и выключении. Рассмотрим динамический режим работы ключа в наиболее вероятном случае активно-индуктивной нагрузки. Временные диаграммы тока коллектора, напряжения коллектора-эмиттера и мощности потерь приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Временные диаграммы тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и мощности потерь в ключе для динамического режима при активно-индуктивной нагрузке

В момент времени t₀ подают импульс управления. Транзистор начинает включаться. Ток коллектора начинает расти, напряжение коллектор-эмиттер снижаться. При этом мощность   потерь может иметь экстремум (рис. 2.4). При t = t₁, переходный процесс включения закончится, при этом I_К станет равным I_К.НАС, U_КЕ.= U_КЕ.НАС и  Р_СП = Р_СП.СТ. В момент времени t = t₂ снимают импульс управления. При этом ток коллектора будет спадать. Так как ток в индуктивности нагрузки мгновенно умень­шиться не может, на нагрузке возникает ЕДС самоиндукции, которая

будет иметь обратный знак, из-за чего возникнет "всплеск" напряже­ния U_КЕ (рис. 2.4). При этом Р_СП(t) возрастет и превысит мощность Р_СП.СТ. Пиковое значение этой мощности:

                       (2.13)

где L_Н - индуктивность нагрузки, Гн.

При различном характере нагрузки (R, RC, RL) вид Р_СП(t) будет различным. При этом линия перемещения рабочей точки в области выходных характеристик (траектория переключения транзистора) может отличаться от прямой (рис. 2.5).

Рис. 2.5  Траектории переключения транзисторного ключа при различном характере нагрузки

Оценивая мощность потерь   из рис.2.5 можно видеть, что для ключа с активной и активно-емкостной нагрузкой она максимальна при включении, а для ключа с активной и с активно-индуктивной нагрузкой – при выключении.

Итак, наиболее благоприятным можно считать случай, когда при включении нагрузка имеет активно-индуктивный характер, а при выключении - активно-емкостной. В этом случае траектория переключения называется благоприятной (рис. 2.6) и в транзисторе выделяется минимум динамических потерь.

Рис. 2.6. Благоприятная траектория переключения транзисторного ключа

2.1.4 Формирование оптимальной траектории переключения транзисторного ключа

Формирование оптимальной траектории переключения производится с помощью вспомогательных цепей - активных или пассивных.

Рассмотрим пассивную цепь формирования траектории в транзисторном ключе с RL -нагрузкой, шунтированной диодом (рис. 2.7, а). Шунтирующий диод VD1 применяют для устранения выброса противо-ЕДС на L_H. При этом возможны два режима работы:

1) ток нагрузки имеет прерывистый характер (за промежуток вре­мени, когда транзистор выключен, энергия, накопленная в индуктивности, успевает рассеяться в сопротивлениях нагрузки и диода VD1);

2) ток нагрузки имеет непрерывный характер. Второй режим является наиболее тяжелым для транзистора, поэтому остановимся на нем.

При включении транзистора ток, протекающий в цепи R_H-L_H-VD1, переходит в коллектор, что вызывает увеличение мощности потерь при включении. Согласно рис. 2.6, необходимо, чтобы ток коллектора на­растал медленнее, чем спадает напряжение U_КЕ.

Рис. 2.7 Транзисторный ключ с активно-индуктивной нагрузкой, шунтированной диодом и цепью формирования оптимальной траектории переключения (а) и временные диаграммы токов и напряжений в схеме (б)

Для этой цели в цепь коллектора транзистора вводят индуктивность  L_К, величину которой определяют из условия:

                       (2.14)

где   - время выключения диода VD1, с;

 - разность между максимальным и минимальным токами нагрузки, А.

В этом случае скорость нарастания тока коллектора будет ограничена введением в цепь протекания этого тока, индуктивности  L_К.