Экзамен микроэлектроника / Лекции / 2. ключевой режим работы транзистора. Транзистор в ключевом режиме

6.9. Работа транзистора в ключевом режиме

Одна из простейших схем транзисторного ключа приведена на рис. 6.22, а временные диаграммы для этой схемы – на рис. 6.23. Схема с общим эмиттером используется в транзисторном ключе чаще всего потому, что по сравнению с другими схемами может быть получен максимальный коэффициент усиления по мощности.

Рис. 6.22. Схема транзисторного ключа

При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения Ucм (рис. 6.23, а). Состояние отсечки соответствует положению – «разомкнутый контакт». Источник положительного напряжения смещения + Ucм вводится в цепь базы для ограничения не равного нулю тока IКО, проходящего через цепь нагрузки. При подаче отрицательного управляющего сигнала (рис. 6.23, б), амплитуда которого превышает значение напряжения смещения, на базу транзистора подается отрицательный сигнал (рис. 6.23, в) и он переходит в состояние насыщения, которое аналогично замкнутому контакту. В закрытом состоянии потенциал коллектора (Uвых) близок к (–UК), в открытом – к (+UК) (рис. 6.23, г).

Для обеспечения режима насыщения необходимо, чтобы значение тока базы соответствовало следующему условию (рис. 6.23, д):

IБ нас  IК нас/мин, (6.16)

где IК нас – ток коллектора в режиме насыщения;

мин – минимальный статический коэффициент усиления транзистора.

Рис. 6.23. Временные диаграммы в схеме транзисторного ключа

При открытии транзистора ток эмиттера IЭ появляется практически мгновенно (рис. 6.23, е), его задают в ключевых схемах на 20-30 % больше номинального тока IЭ ном. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение

(6.17)

называется коэффициентом (глубиной) насыщения.

Ток в цепи коллектора (рис. 6.23, ж) появляется позже на время задержки включения (t2 – t1), которое затрачивается на диффузионное перемещение через базу инжектированных носителей. Это время незначительно и в случае приближенных расчетов им пренебрегают.

Разность (t3 – t2) – время фронта импульса коллекторного тока (на уровне IК=Iк нас заканчивается переходный процесс в коллекторной цепи).

Разность (t4 – t3) – время продолжения переходного процесса в базе, так как концентрация инжектированных носителей зарядов при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время возрастать.

Момент окончания переходного процесса в транзисторе соответствует моменту времени t4.

Разность (t4 – t1) – время установления, соответствует времени заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода.

Разность (t6 – t5) – время задержки включения, при котором IК = IКнас.

Приложение к эмиттерному переходу обратного напряжения вызывает в начальный момент значительный обратный ток вследствие насыщения перехода свободными носителями зарядов. Этот ток протекает до момента времени t7. После момента времени t5 – подачи запирающего напряжения в коллекторной цепи, и момента времени t7 в цепи эмиттера токи начинают снижаться, что связано с рассасыванием накопленного заряда в базе.

Завершение переходного процесса происходит в момент времени t8.

Разность (t8 – t6) – время спада импульса коллекторного тока.

studfiles.net

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 показана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для наглядности— с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что напряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника— если соотношение 2>IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напряжение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет такой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реально можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еледует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

clip_image002

Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяется к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенциал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзисторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полностью — лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень неприятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).

Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Самое интересное, что рассчитывать его практически не надо — лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше чем 0,6 В. Чем он больше, тем лучше, но все же сопротивление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор Re, но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как указано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот резистор будет так: если включающее напряжение на Re подано, то он не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую — примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R63 надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «земле» или «висит в воздухе».

Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R63 при работе в ключевом режиме часто забывают — даже в очень интересной во всех отношениях книге [16] повсеместно встречается эта ошибка.

Простейшая ключевая схема есть вариант т. н. схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к питанию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой книге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распространенные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое питание, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.

Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвертирован (то есть противоположен по фазе) по отношению к входному сигналу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеется — на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертирует сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному режиму работы, о котором будет рассказано). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке — то есть она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.

Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Транзистор Дарлингтона (его часто называют транзистор с «супербетой», мы будем называть его и так, и так) есть две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру самостоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина Р для них равна произведению коэффициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до нескольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обязательно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение между базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величину от обычного транзистора — то есть 1,2—1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных транзисторов может составлять несколько килоом.

clip_image004

Рис. 6.5. Другие схемы подключения: а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов

На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная схема параллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допустимого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естественно, не происходит— суммируются только предельно допустимые показатели. Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.

nauchebe.net

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 Vкнасыщ (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.

fa= 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 Qграничн. 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 Iб2.

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

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

Зависимость величины постоянной времени tb 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 Iкнасыщ/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,

vunivere.ru

Работа полупроводниковых приборов

В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

1. Общие сведения о работе полупроводниковых приборов

в ключевом режиме

Ключевыми схемами обеспечивается коммутация электрических цепей и с их помощью, в частности, могут формироваться импульсные сигналы. Эти схемы могут пребывать в двух состояниях: включенном и выключенном. В двух состояниях пребывают также используемые в них полупроводниковые приборы: в одном состоянии их сопротивление очень мало, а в другом – весьма велико. В таких схемах широкое применение получили как диоды, так и транзисторы. В диодном ключе переход из одного состояния в другое происходит под действием непосредственно коммутируемого (анодного) напряжения. Транзисторные ключи, в отличие от диодных, являются управляемыми. Состояния, в которых они пребывают, определяются не коммутирующим напряжением, а напряжением управления.

В зависимости от расположения в ключевой схеме полупроводникового прибора и нагрузки различаются последовательное и параллельное построения этих схем. Так, в выпрямителях используется последовательное построение ключевых диодных схем. Схема параллельного диодного ключа приведена на рис. 4.1. В такой схеме ток через нагрузку протекает при закрытом состоянии диода, а при открытом состоянии диод шунтирует нагрузку.

Рисунок 4.1. Схема параллельного диодного ключа

Рис. 4.2 иллюстрирует параллельное и последовательное построения ключевых схем на биполярном транзисторе. При параллельном построении (рис. 4.2.а) под действием управляющего напряжения uупртранзистор закрыт (его сопротивление велико), нагрузка Rнчерез резисторRкподключается к источнику питанияЕк, который является, по существу, источником входного электрического сигнала. При открытом состоянии транзистора его сопротивление становится незначительным, и он шунтирует нагрузку. В результате снимаемое с нагрузки выходное напряжениеuвыхблизко к нулю.

На схеме рис. 4.2,б транзистор и нагрузка Rнвключены последовательно. При открытом транзисторе через нагрузку, включенной последовательно с источником входного напряжения, каким является ЕКпротекает ток. При закрытом транзисторе ток в этой цепи не протекает, таким образом нагрузка отключается от источника входного сигнала.

Рисунок 4.2. Варианты построения ключевых схем

на биполярном транзисторе:

а – параллельное, б - последовательное

Основными параметрами ключевой схемы, кроме сопротивления использованных в них приборов в открытом и закрытом состояниях, являются также быстродействие, определяемое временами переключения из одного состояния в другое, а также остаточное напряжение в открытом состоянии. В идеальном ключе значения этих параметров равны нулю. Такая идеализация, в частности, принимается при построении временных диаграмм, иллюстрирующих работу выпрямителей и логических устройств.

2. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме

Широко используемая ключевая схема на биполярном транзисторе типа n-p-n, прерывающая протекание тока через нагрузку, приведена на рис. 4.3. В отличие от схемы рис. 4.2,б, в цепь управления введено балластное сопротивлениеRБ. Режим работы транзистора в этой схеме определяется уравнением состояния, имеющий вид, аналогичный (2.3).

Uкэ(Iк) =Е-Iк Rн, (4.1)

где UкэиIк– напряжение коллектор-эмиттер и коллекторный ток транзистора. При этом напряжение коллектор-эмиттер является функцией коллекторного тока. Графическое решение этого уравнения, проводимого также, как и уравнения (2.3), представлено на рис. 4.4, где точки «а» и «б» соответствуют пребыванию транзистора в закрытом и открытом состояниях.

Рисунок 4.3. Ключевая схема на биполярном транзисторе

Рисунок 4.4. Графическое определение режимов

биполярного транзистора в ключевой схеме:

а – в закрытом состоянии, б – в открытом состоянии

Закрытое состояние транзистора достигается подачей на его базу управляющего напряжения отрицательной полярности. В этом состоянии в эмиттерной цепи ток отсутствует, а ток коллектора, Iк зак, соответствующийIБ = 0, будет протекать через базу. Цепь протекания токаIк закпоказана на рис. 4.3. Его направление в базовой цепи противоположно направлению базового тока открытого прибора. Транзисторы, предназначенные для работы в ключевом режиме, характеризуются практически нулевой величиной коллекторного тока, соответствующегоIБ = 0, в результате достигается весьма высокое их сопротивление в закрытом состоянии.

Открытое состояние транзистора достигается подачей на базу положительного напряжения, величина которого обеспечивает превышение определенного значения базового тока IБ отк, соответствующего точке «б» на рис.4.4, при которой открывается коллекторный переход. При токеIБ откчерез транзистор и резисторRнпротекает ток

Iк отк= (Е - ∆Uкэ отк)/Rн,

где ∆Uкэ отк– падение напряжения на открытом транзисторе (остаточное напряжение), величина которого должна быть минимальной.

Для обеспечения надежного пребывания транзистора в открытом состоянии, при котором устраняется влияние помех в цепи управления и температурных уходов параметров транзистора, ток базы должен превышать величину IБ отк. Параметром, характеризующим величину превышения базового тока в таком состоянии над током IБ отк, является отношение

s = ,

называемое коэффициентом насыщения транзистора. Его величина обычно находится в пределах от 1,5 до 2,5. Ограничение сверху коэффициента s связано с увеличением мощности входной цепи транзистора. В открытом состоянии величина падения напряжения∆Uкэ откостается практически неизменной, поскольку все вольт-амперные характеристики выходной цепи биполярного транзистора приIБ > IБ откпроходят через точку «б» рис. 4.4.

Величина коллекторного тока в точке «б» может быть определена как

Iк отк=βст IБ отк, (4.2)

где βст – статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ. Тогда ток базы в открытом состоянии транзистора

IБ = s(4.3)

зависит от значений параметров цепи управления

IБ = (Uупр – UБЭ) / RБ. (4.4)

Для работы в режиме электронного ключа наибольшее применение получили кремневые транзисторы типа n-p-n, характеризующиеся малой величиной нулевого тока. Закрытое состояние таких транзисторов может быть осуществлено даже приUупр = 0, т.е. без использования дополнительного источника запирающего напряжения, который для германиевых транзисторов необходим.

studfiles.net

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Характер переходных процессов в транзисторе зависит от схемы включения и внутреннего сопротивления источников сигнала. Наибольшее распространение нашла схема ОЭ, поскольку она позволяет получить усиление по току. На рис.5 приведена схема простейшего транзисторного ключа. На рис.6 показано семейство статических выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ, нагрузочная характеристика и расположение рабочих точек А и В. Имеются три характерные области работы транзистора:

область выключения (отсечки)I, область активного режима II и область насыщения III. В ключевых схемах транзистор находится в активном режиме лишь в переходном состоянии. В области насыщения коллекторный переход смещен в прямом направлении и инжектирует носители в базу, граница между областями II и III определяется условием Uкб=0. На рис.6 показана выходная характеристика при токе базы Iбн, соответствующей этой границе.

Если на базу подано запирающее (положительное для p-n-p-транзистора) напряжение Eб2, то ток базы равен Iб≈-Iкбо, а ток коллектора I'к=Iкбо К коллекторному переходу приложено напряжение:

Uк = EK– I'к Rк≈ Eк

Рабочая точка на выходной характеристике находится в положении А, т.е. в режиме отсечки – транзистор закрыт. В точке А напряжение на электродах практически совпадает с эдс источников питания:

Uк  Eк; Uб  Еб2

(6)

При подаче в цепь базы отпирающего тока Iб1 рабочая точка перемещается в положение B, в цепи коллектора протекает ток Iкн и напряжение коллектора становится равным

Uкн = Eк – Iкн Rк

Статические параметры ключа: остаточное напряжение Uкн во включенном состоянии (рис.6, точка В) и остаточный ток в выключенном (запертом) состоянии (точка А). В точке В токи электродов определяются параметрами внешних цепей:

Iб1 Еб1 Rб; Iкн Ек/ Rк;

(7)

Для перевода в режим насыщениянеобходимо выполнить условие

или, что то же

где В=Iкн/Iбн – коэффициент усиления тока базы в режиме большого сигнала. Силу неравенства (8) характеризуют особым параметром – степенью насыщения S:

S=Iб1/Iбн (9)

Рассмотрим переходные процессы, происходящие при переключении ключа из состояния «выключено» в состояние «включено» и обратно. Временные диаграммы напряжений, токов накопленного заряда базы при включении и выключении транзисторного ключа приведены на рис.7.

Висходном состоянии транзистор закрыт положительным напряжениемЕб2. Процесс отпирания транзистора при подаче на базу отрицательного напряжения Еб1можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление заряда. Этап задержки фронта обусловлен зарядом входной емкости запертого транзистора от значения Еб2 до напряжения открывания транзистора U* (для кремниевого транзистора U* 0,6B, для германиевого U* 0,2B). Этот процесс протекает с постоянной времени c

c=RбСвх (10)

Входную емкость обычно принимают равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов:

Cвх = Сэ бар+ Ск бар (11)

Время задержки фронта tзф можно определять по формуле:

(12)

В момент t1 открывается эмиттерный переход и начинается инжекция носителей в базу, транзистор переходит в активный режим. На этом этапе коллекторный ток возрастает до значения Iкн. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени tоэ:

(13)

где – время жизни неосновных носителей в базе:- усредненная емкость коллекторного перехода. Длительность фронтаtф= t2 - t1определяется формулой:

(14)

при S >> 1 формула (14) упрощается:

В конце этапа формирования фронта в базе транзистора накапливается заряд Qгр, а напряжение на переходе коллектор – база падает до нуля. После того, как транзистор начал работать в режиме насыщения, заметных внешних изменений в схеме ключа не происходит. Однако продолжается накопление заряда, причём на данном этапе заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном слое. В конце этапа стационарный заряд Qст. определяется выражением

Qст = Iб1,

(16)

где – среднее время жизни носителей в базовом и коллекторном слоях. Длительность этого процесса составляет примерно 3. Если длительность входного импульса меньше, чем 3, накопленный заряд будет меньше стационарного значения.

Процесс выключения транзистора начинается в момент t3 (рис.7), когда на базу подаётся запирающее напряжение. В момент переключения на обоих p-n-переходах сохраняются прямые смещения, близкие к U*. При этом коллекторный ток не меняется и остаётся равным Iкн. Базовый ток принимает значение:

Iб2 = -(Еб2+U*)/ Rб

(17)

На первом этапе процесса выключения происходит рассасывание накопленного заряда током Iб2. Окончание этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных носителей на коллекторной границе базы падает до нуля и на коллекторном переходе восстанавливается обратное напряжение. Только после этого может начаться уменьшение коллекторного тока и формирование среза импульса. Длительность этого процесса называется временем рассасывания tр или временем задержки среза tзс. В конце этого рассасывания в базе транзистора остаётся некоторый остаточный заряд Qост. Время рассасывания определяется выражением

(18)

Если запирающий ток настолько мал, что выполняются условия Iб2<< Iб1, Iб2<< Iбн , это выражение принимает вид

(19)

По окончании этапа рассасывания начинается последний этап переходного процесса – запирание транзистора. Длительность запирания обычно определяется процессом заряда коллекторной ёмкости, протекающей с постоянной времени , длительность среза по уровнюIк= 0,1Iкн равна

(20)

Общая инерционность транзисторного ключа характеризуется временами включения tвкл и выключения tвыкл:

tвкл= tзф + tф;	(21)
tвыкл= tр + tс;	(22)

При практическом определении времён tзф, tф, tр, tс обычно используются уровни 0,1Iкн и 0,9Iкн

studfiles.net

Расчет биполярного транзистора в ключевом режиме с резистивной нагрузкой

Упрощенный расчет транзистора для работы в ключевом режиме на резистивную нагрузку.

Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (состояние отсечки).

Рассмотрим пример, где в качестве нагрузки выступает контактор типа КНЕ030 на напряжение 27В с катушкой сопротивлением 150 Ом. Индуктивным характером катушки в данном примере пренебрежем, считая, что реле будет включено раз и надолго.

Рассчитываем ток коллектора:

Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн , где

Ik –ток коллектора

Ucc- напряжение питания (27В)

Uкэнас- напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0.2 до 0.8В, хотя и может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В

Rн- сопротивление нагрузки (150 Ом)

Итак,

Ik= (27-0.4)/150 = 0.18A = 180мА

На практике из соображений надежности элементы всегда необходимо выбирать с запасом. Возьмем коэффициент 1.5

Таким образом, нужен транзистор с допустимым током коллектора не менее 1.5*0.18=0.27А и максимальным напряжением коллектор-эмиттер не менее 1.5*27=40В.

Открываем справочник по биполярным транзисторам . По заданным параметрам подходит КТ815А (Ikмакс=1.5А Uкэ=40В)

Следующим этапом рассчитываем ток базы, который нужно создать, чтобы обеспечить ток коллектора 0.18А.

Как известно, ток коллектора связан с током базы соотношением

Ik=Iб*h31э,

где h31э – статический коэффициент передачи тока.

При отсутствии дополнительных данных можно взять табличное гарантированное минимальное значение для КТ815А (40). Но для КТ815 есть график зависимости h31э от тока эмиттера. В нашем случае ток эмиттера 180мА, этому значению соответствует h31э=60. Разница невелика, но для чистоты эксперимента возьмем графические данные.

Итак,

Iб=180/60=3мА

Для расчета базового резистора R1 смотрим второй график, где приведена зависимость напряжения насыщения база-эмиттер (Uбэнас) от тока коллектора. При токе коллектора 180мА напряжение насыщения базы будет 0.78В (При отсутствии такого графика можно использовать допущение, что ВАХ перехода база-эмиттер подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение база-эмиттер находится в пределах 0.6-0.8 В)

Следовательно, сопротивление резистора R1 должно быть равно:

R1=(Uвх-Uбэнас)/Iб = (5-0.78)/0.003 = 1407 Ом = 1.407 кОм.

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в меньшую сторону (1.3 кОм)

Если к базе подключен шунтирующий резистор (вводится для более быстрого выключения транзистора или для повышения помехоустойчивости) нужно учитывать, что часть входного тока уйдет в этот резистор, и тогда формула примет вид:

R1= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+IR2) = (Uвх-Uбэнас)/(Iб+ Uбэнас/R2)

Так, если R2=1 кОм, то

R1= (5-0.78)/(0.003+0.78/1000) = 1116 Ом = 1.1 кОм

Рассчитываем потери мощности на транзисторе:

P=Ik*Uкэнас

Uкэнас берем из графика: при 180мА оно составляет 0.07В

P= 0.07*0.18= 0.013 Вт

Мощность смешная, радиатора не потребуется.

www.trzrus.ru

2. ключевой режим работы транзистора

Модель БТ для «больших» сигналов строится на основе модели БТ Эбберса-Молла и представляет БТ в виде двух p-n переходов (диодов) и двух управляемых источников тока в коллекторной и эмиттерной цепях.

Токи через диоды определяются соотношениями согласно уравнению Шокли:

(1)

Где – тепловой потенциал (– постоянная Больцмана,,– заряд электрона).

Найдем токи коллектора и эмиттера из схемы:

(2)

Решив это уравнение относительно токов коллектора и эмиттера, найдем уравнения статических характеристик:

Уравнение входной характеристики:

;

Уравнение выходной характеристики:

Под электронным ключом будем понимать элемент, который под воздействием управляющего сигнала (в виде тока или напряжения) осуществляет коммутацию элементов схемы (пассивных, активных, источников питания и пр.).

В работе электронного ключа следует рассматривать два основных режима: статический режим, определяемый положением рабочих точек на характеристиках электронного ключа в открытом и закрытом состояниях, и динамический режим – при переходе из открытого состояния в закрытое и наоборот.

Рассмотрим эти режимы на примере ключа на биполярном транзисторе.

Транзисторные ключи в настоящее время применяются для решения многих технических задач в преобразовательной технике, цифровой электронике и пр. Маломощные транзисторные ключи составляют основу дискретных и интегральных цифровых схем, которые решают различные математические и логические задачи.

Транзисторный ключ (ТК) на БТ строится на основе включения транзистора по схеме с ОЭ, см. рис.

На схеме простейшего ТК обозначены барьерные емкости транзистора и источник тока, отражающий тепловой ток коллектора , которые в режиме отсечки примерно равен току базы.

Далее показаны входные и выходные характеристики ТК, позволяющие определить положение рабочей точки в закрытом и открытом состояниях ключа.

На входной характеристике отметим три характерные точки:

–граница между режимом отсечки и активным режимом;
–Середина области активного режима;
–граница между активным режимом и режимом насыщения.

Для кремниевых p-n переходов при комнатной температуре значения характерных точек следующие:

Перечисленные выше цифры хорошо отражают работу ИС с p-n переходами на основе кремния.

Для переходов металл-полупроводник (например, переходы диодов Шоттки):

Режим отсечки.

В закрытом состоянии оба перехода транзистора смещены в обратном направлении. Для этого на вход транзистора необходимо подать близкое к нулю или небольшое отрицательное напряжение.

Для надежности запирания величина отрицательного напряжения выбирается из условия:

где – запирающее напряжение с генератора,– тепловой коллекторный ток. Его величина очень мала, особенно у кремниевых транзисторов (единицы наноампер). Поэтому в закрытом состоянии напряжение на коллекторе практически равно напряжению источника питания.

При повышении напряжения на базе транзистора он начинает отпираться и, начиная с напряжения начинается резкое нарастание тока базы.

С ростом тока базы увеличивается ток коллектора и уменьшается напряжение на коллекторе и транзистор буде находиться в активном режиме. В этом режиме между током базы и коллектора буде выполняться известное соотношение:

Наконец, при некотором управляющем токе (напряжение) рабочая точка А на выходных характеристиках переместится в такое положение, при котором ток в цепи коллектора практически перестанет зависеть от тока базы, а оба перехода окажутся смещенными в прямом направлении, что является условием для создания режима насыщения.

Режим насыщения.

В этом режиме не все носители заряда, инжектированные эмиттером, попадают в цепь коллектора. Часть из них компенсируется неосновными носителями, идущими из коллектора в базу, что приводит к прекращению роста тока коллектора при дальнейшем росте тока базы.

В режиме насыщения ток базы будет определяться соотношением:

Ток коллектора принимает при этом максимально возможное значение:

На границе насыщения ток коллектора и ток базы связаны соотношением:

Следует отметить, что при превышении тока базы значения приводит к накоплению заряда неосновных носителей в базе, что отражается динамических свойствах транзистора.

Малая величина напряжения на коллекторном переходе транзистора в режиме насыщения обуславливает сравнительно малые потери в нем даже при больших коллекторных токах. Поэтому важно обеспечивать режим насыщения в самых неблагоприятных условиях работы ключа (изменение температуры, разброс параметров элементов и пр.). С этой целью ток базы выбирают с некоторым запасом, чтобы гарантированно обеспечить этот режим. Количественно это определяется коэффициентом, который называется степень насыщения и показывает во сколько раз ток базы больше тока :

Используя уравнения статических характеристик из модели Эбберса –Молла найдем величину напряжения насыщения. Выразим напряжения на открытых p-n переходах используя уравнения (1):

Тогда напряжение между эмиттером и коллектором будет равно:

Отношение обратных токов выразим как отношение коэффициентов :

Используя эту пропорцию и уравнения (2) перепишем формулу для напряжения насыщения:

Введем ещё один параметр, характеризующий степень насыщения:

Опустим несложные математические преобразования и запишем окончательное выражение для напряжения насыщения:

(3)

Для инверсного включения транзистора напряжение насыщение можно найти аналогично, заменяя нормальные параметры инверсными:

Тогда

Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером называют четвертой характерной точкой.

Температурная зависимость напряжения насыщения.

Перепишем выражение (3), выделив из теплового потенциала температуру:

Обозначим символом часть формулы, которая не зависит от температуры:

Тогда выражение (3) представим в виде температурной зависимости:

Очевидно, что является производнойпо температуре:

Поэтому можно записать:

где – фиксированная температура в градусах Кельвина,– изменение температуры, аничто иное как напряжение насыщения при заданной температуре, например 25ºС. Таким образом:

Температурная зависимость трех характерных точек.

Температурный сдвиг характерных точек является вполне предсказуемым и позволяет проводить расчеты статических режимов при различных температурах.

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ p-n перехода (ен важно, где он используется, в транзистор-ли в диоде).

Из уравнения Шокли выразим напряжение на переходе:

(4)

Обратный ток зависит от температуры и ширины запрещенной зоны кремния, которая равна. Функционально эту зависимость можно представить следующим образом:

(5)

Здесь – фиксированная температура в градусах Кельвина;

и – значения теплового потенциала при соответствующих температурахи;

–значение обратного тока при температуре .

Обозначим показатель экспоненты через и выразим значения тепловых потенциалов:

(6)

Подставив в формулу (4) значение из (5) и использовав (6) получим:

Сократив сомножители и преобразовав первое выражение получим:

Подставим значение ширины запрещенной зоны кремния 1.11В и значение получим окончательно:

Введем определение температурного коэффициента напряжения:

Подставляя в эту формулу значения характерных точек можно получить зависимости их значений от температуры.

studfiles.net