Транзистор у режимі ключа

 

Найважливішими елементами сучасних схем автоматики і електронних обчислювальних машин є пристрої релейного типу. Головна особливість їх полягає в тому, що під впливом вхідного сигналу режим роботи таких пристроїв різко (стрибкоподібно) міняється. Це дозволяє здійснювати перемикання, або комутацію, різних електричних ланцюгів схеми.

Перемикаючі пристрої релейного типу володіють двома стійкими положеннями, які можуть розглядатися як положення «включено» і «вимкнено». По аналогії з двійковим численням в математиці, в якому існує тільки два дискретні значення «0» і «1», такі пристрої часто називаються також двійковими елементами.

Транзистор є одним з найбільш поширених елементів безконтактних перемикаючих пристроїв. Режим роботи транзистора в перемикаючому пристрої зазвичай називають ключовим. Цей режим характерний тим, що транзистор в процесі роботи періодично переходить з відкритого стану (режиму насичення) в замкнуте (режим відсічки) і навпаки, що відповідає двом стійким станам перемикаючого пристрою.

На мал. 7.19 зображена проста схема ключа на транзисторі рпр, включеному по схемі із загальним емітером.

Замикання транзистора (режим відсічки) спостерігається у тому випадку, коли обидва р-п переходи (емітерний і колекторний) закриті. Для цього достатньо, щоб зворотна напруга на цих переходах була близька до нуля (близько 0,05...0,1 В). З схеми мал. 7.19 видно, що для замикання транзистора типу рпр потрібно подати на його вхід таку напругу, щоб потенціал бази був вищий за потенціал емітера, тобто щоб напруга між базою і емітером задовольняла нерівність U_БЕ≥0 (для транзисторів типу npn ознака цієї нерівності буде зворотною).

Напруга на колекторі замкнутого транзистора рівна

 

де I_кБо- зворотний струм колектора.

 

У замкнутому стані транзистор може знаходитися необмежено довго. Вивести його з цього стійкого стану можна тільки за рахунок зовнішніх дій, наприклад шляхом подачі на вхід транзистора типу рпр запускаючого імпульсу негативної полярності.

Мал. 7.19. Ключова схема на транзисторі

 

Другим стійким станом є режим насичення відкритого транзистора.

 

Мал. 7.20. Графічне пояснення роботи транзистора в ключовому режимі: І - режим відсічки; // - активний режим; /// - режим насичення

 

Насичення наступає у тому випадку, коли обидва р-п переходи транзистора відкриті.

На мал. 7.20, а приведені вихідні статичні характеристики транзистора із загальним емітером. У сімействі цих характеристик проведена пряма навантаження АВ, що виражає залежність струму колектора від напруги на колекторі. Величина струму колектора визначається головним чином величиною струму бази: чим більше струм бази (вхідний струм), тим більше струм колектора. При деякому значенні струму бази колекторний струм досягає максимальної величини І_кмах. Така величина колекторного струму відповідає робочій точці А на мал. 7.20, а. При подальшому збільшенні струму бази струм колектора практично залишається незмінним. Тому струм отримав назву струму насичення і позначається І_кнас. Величина струму насичення відкритого транзистора може бути знайдена по формулі

 

 

Струму насичення колектора відповідає величина струму насичення бази

 

 

де β - коефіцієнт посилення транзистора по струму.

З мал. 7.20, а видно, що в області насичення (поблизу точки А) напруги між колектором і емітером, як і напруги між будь-якими іншими виводами транзистора, близькі до нуля.

На мал. 7.20, б показана залежність струму колектора від струму бази. З цього малюнка видно, що характеристика має злами на межах області замикання (відсічки) і насичення. Цесприяє чіткішій роботі перемикаючого пристрою. Слідує, проте, мати на увазі, що під час переходу транзистора з одного стійкого стану в інше можливі перехідні процеси, що спотворюють форму імпульсних струмів і напруги в ланцюгах транзистора. На мал. 7.21 приведені тимчасові діаграми, що ілюструють характер зміни колекторного струму під впливом імпульсного вхідного сигналу прямокутної форми.

Мал. 7.21. До пояснення перехідних процесів при роботі транзистора в режимі ключа

 

Якість транзисторного ключа визначається швидкістю перемикання, тобто часом його переходу з одного стану в інше. Чим вище частотні властивості транзистора, тим вище його швидкодія і тим краще він працює в ключовому режимі.

Контрольні запитання:

1. Який має вплив температура на роботу транзистора?

2. Частотні властивості транзистора?

3. В чому суть роботи транзистора в ключовому режимі?