Ключевой режим работы БТ

Ключевой режим работы характеризунтся большой амплитудой переключающего импульса, когда транзистор переходит из состояния с большим внутренним сопротивлением (ключ разомкнут) в состояние с малым сопротивлением (ключ замкнут) и обратно..

Схема простейшего ключа на n-p-n-транзисторе приведена на рис.24. На рис.25 а показаны выходные статические характеристики, нагрузочная характеристика и расположение рабочих точек A и B. На рис.25 б показано расположение рабочих точек A и B на входных характеристиках.

В точке A транзистор находится в режиме отсечки, на базу подано запирающее напряжение –E^-_Б, напряжение на электродах практически совпадают с э.д.с. источников:

U_К » E_К, U_Б » –E^-_Б

В точке B транзистор находится в режиме насыщения, на базу подано отпирающее напряжение + E⁺_Б, токи электродов определяются внешними цепями:

I⁺_Б» (E⁺_Б - U^*) / R_Б, I_КН»E_К/R_К

Для перевода в режим насыщения необходимо выполнить условие

I_Б⁺>I_БН, или, что то же, B I⁺_Б> I_КН,

где I_БН - ток базы, соответствующий границе режима насыщения, B = I_КН ¤ I_БН - коэффициент усиления тока базы в режиме большого сигнала. Силу этого неравенства характеризуют оcобым параметром – степенью насыщения S:

S = I⁺_Б /I_БН = B I⁺_Б /I_КН (37)

Статическими параметрами ключа являются остаточное напряжение U_КН во включенном состоянии (точка B) и остаточный ток I_ост в выключенном состоянии (точка A). В ключевых схемах транзистор находится в активном режиме лишь в переходном состоянии.

Остаточное напряжение складывается из напряжения U_КЭ и падения напряжения на омическом сопротивлении коллектора r_KK:

U_КН= U_КЭ + r_KK×_×I_КН

Первое слагаемое определяется формулой:

, (38)

где B_i – инверсный коэффициент передачи тока базы.

Быстродействие ключа характеризуется динамическими параметрами – временем включения t_вкл и временем выключения t_выкл.

Переходные процессы

Рассмотрим переходные процессы при переключении ключа из состояния “выключено” в состояние “включено” и обратно. На рис.23 приведены временные диаграммы напряжений, токов и накопленного заряда при включении и выключении транзисторного ключа.

В исходном состоянии на базу транзистора подано запирающее напряжение –E^-_Б. Процесс отпирания транзистора при подаче отпирающего напряжения + E⁺_Б можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление заряда.

Этап: задержки фронта обусловлен заряжением входной емкости запериого транзистора от значения –E^-_Б до напряжения отпирания эмиттерного перехода U^* (для кремниевого иранзистора U^*»0,6В для германиевого U^*»0,2В). Этот процесс протекает с постоянной времени τ_c

τ_c=R_БC_вх (39)

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

C_вх=C_Эбар+C_Кбар (40)

Время задержки фронта определяется формулой

(41)

Ток заряжения входной емкости показан на рис.21 штриховой линией. 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 I_КН. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени τ_oe

, (42)

где τ – время жизни неосновных носителей в базе, - усредненная емкость коллекторного перехода. Обычно принимают =1,6 С_К для сплавных и =1, 4С_К для дрейфовых транзисторов, где С_К – емкость коллекторного перехода запертого транзистора.Длительность фронта t_ф= t₂-t₁ определяется формулой

(43)

При S>>1 формула упрощается:

t_ф = τ_oe / S (43 а)

В конце этапа формирования фронта в базе транзистора накапливается заряд Q_гр, а напряжение на коллекторном переходе падает до нуля. После того как транзистор начал работать в режиме насыщения внешних изменений в схеме ключа не происходит. Однако продолжается накопление заряда, причем на данном этапе заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном, слое. В конце этапа накапливается стационарный заряд Q_стац

, (44)

где - среднее время жизни 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 начинается в момент t₃, когда на базу подается запираюшее напряжение. В момент переключения на обоих переходах сохраняется прямое смещение, близкое к U^*. При этом коллекторный ток остается равным I_КН. Базовый ток принимает значение:

(45)

На первом этапе процесса выключения происходит рассасывание накопленного заряда за счет экстракции p-n- переходами током и за счет рекомбинации. Скорость изменения заряда

Окончание этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных зарядов 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 t_р или временем задержки среза t_хср. В конце этого этапа в базе остается некоторый остаточный заряд Q_ост. Время рассасывания определяется интегрированием выражения (47) в пределах от до Q_ост:

(46)

Обычно Q_ост значительно меньше Q_гр, а Q_гр<< Q_стац, поэтому в первом приближении можно пренебречь остаточным зарядом. Тогда

(46 а)

По окончпнии процесса рассасывания начинается последний этап переходного процесса – запирание транзистора. Длительность запирания обычно определяется процессом заряжения коллекторной емкости, протекающей с постоянной времени τ_к=R_К ,длительность среза по уровню I_К=0,1I_КН равна

t_c=2,3 R_К (47)

Время включения t_вкл и время выключения t_выкл, соответственно, равны

t_вкл= t_зф+ t_ф, t_выкл. = t_р+ t_с (48)

При практическом определении времен t_зф, t_ф, t_р, t_с обычно используются уровни 0,1 I_КН и 0,9 I_КН