Ключ на биполярном транзисторе

Схема ключа на биполярном транзисторе представлена на рис. 7.1.

При подаче во входную цепь транзистора импульса прямого тока I_б1 начинается переходной процесс включения, состоящий из трех этапов. На начальной стадии включения, называемой задержкой t_зад, происходит перезаряд барьерной емкости входного эмиттерного перехода. Время задержки приближенно оценивается по формуле:

t_зад = ,

где С_эб – барьерная емкость эмиттерного перехода;

U_эо ≈0,7 В – напряжение прямого смещения для кремниевого транзистора.

Затем начинается этап нарастания коллекторного тока. Длительность этого этапа t_r определяется условием насыщения транзистора, при котором выходной ток ключа становится равным максимально возможному, определяемому внешней нагрузкой R:

I_k(t_н) = I_кнас = .

Чтобы обеспечить переход транзистора в насыщенное состояние необходимо выполнение условия:

I_б1 >= I_бнас.

Для количественной оценки глубины насыщения используют параметр, называемый степенью насыщения N. Он определяется как относительное превышение базовым током I_б1 тока насыщения I_бнас:

N = .

Время нарастания можно найти по формуле:

t_r = τ_β ∙.

На последнем этапе переходного процесса включения ток коллектора не изменяется и равен I_кнас, однако заряд в базовом слое продолжает накапливаться. Данный заряд называется избыточным, так как он превосходит граничную величину накопленного заряда при переходе транзистора из активной области в насыщение. Процесс накопления избыточного заряда длится в течение времени накопления t_н:

t_н = (2…3) τ_н,

где τ_н – постоянная накопления заряда при работе транзистора в режиме насыщения.

Переходной процесс включения транзистора начинается в момент изменения входного тока от положительного уровня I_б1 до отрицательного I_б2. При этом начинается уменьшение накопленного заряда в базе. Выключение протекает в два этапа. На первом, называемом этапом рассасывания избыточного заряда, происходит уменьшение заряда до граничного значения. В течение процесса рассасывания коллекторный ток транзистора остается неизменным и равным I_кнас, так как ключ продолжает находиться в насыщенном состоянии. Длительность этого этапа характеризуется временем рассасывания t_р, которая определяется по формуле:

t_р = τ_н ∙.

Эту формулу можно использовать для количественной оценки параметра τ_н на основе справочных данных.

На втором этапе переходного процесса выключения происходит спад коллекторного тока от I_кнас до нуля. Длительность этапа называется временем спада t_с:

t_с = τ_β ∙.

(Основные этапы переключения(рис.7.2))

Временные параметры, характеризующие скорость переключения, являются одними из главных и задаются в справочниках. Времена нарастания и спада коллекторного тока транзистора уменьшаются с ростом амплитуды соответственно отпирающего и запирающего входного тока. Время рассасывания увеличивается с ростом отпирающего тока базы I_б1 и уменьшается с увеличением запирающего I_б2. При увеличении тока нагрузки фронты переключения увеличиваются, а время рассасывания уменьшается.

7.2 Ключ на мощном МДП – транзисторе

Ключ с резистивной нагрузкой по схеме с общим истоком показан на рис.7.3.

Поскольку все мощные МДП–транзисторы имеют структуру с индуцированным каналом, при выполнении условия U_зи<U_o (где U_o – пороговое напряжение на проходной характеристики транзистора) ключ заперт, а напряжение U_си = E. Обычно в закрытом состоянии ключа U_зи = 0. Однако для высоковольтных транзисторов с целью защиты от всплесков стокового напряжения рекомендуется устанавливать небольшое отрицательное смещение порядка 2…5В. Амплитуда положительного входного импульса , открывающего ключ, составляет 12…15В.

Переходной процесс включения состоит из трех этапов: задержки включения, фронта нарастания и установления напряжения во входной цепи транзистора.

На первом этапе при постоянном напряжении в цепи стока (U_си = E) осуществляется заряд входной емкости транзистора С_вх от источника входного напряжения. Задержка включения t_зад определяется из условия U_зи (t_зад) = U_o:

t_зад = R_вх∙C_вх ∙.

На втором этапе включения транзистор отпирается и по цепи нагрузки начинает протекать ток. Из-за действия отрицательной обратной связи через проходную емкость С_зс напряжение во входной цепи транзистора практически не изменяется (немного возрастает до порогового значения U_пор = U_o +).Длительность перезаряда проходной емкости определяет изменение напряжения на транзисторе и определяется по формуле:

t_r = R_вх∙ С_зс ∙.

На последнем этапе процесса включения транзистор находится в открытом состоянии, при этом входное напряжение возрастает с постоянной времени

τ = R_вх∙C_вх до максимального значения . Длительность этого этапа равна:

t_c = 3∙ R_вх∙C_вх.

Переходный процесс выключения также проходит в три этапа. Сначала, при переключении входного напряжения, происходит разряд входной емкости до порогового напряжения. Ток ключа при этом не изменяется и длительность задержки выключения определяется по формуле:

t_зад- = R_вх∙C_вх ∙.

Затем наступает этап выключения тока стока под действием сильной отрицательной обратной связи через проходную емкость С_зс. Длительность этапа спада равна:

t_f = R_вх∙C_зс ∙.

На заключительном этапе выключения происходит установление входного напряжения до значения с постоянной времени R_вх∙C_вх. Длительность этапа установления:

t_c = 3∙ R_вх∙C_вх.

Временные диаграммы переключения МДП – транзистора показаны на рис.7.4.

Времена задержки при включении и выключении уменьшаются с возрастанием перепада напряжения E_вх. Наименьшие значения времени задержки обеспечивает заряд (разряд) входной емкости от источника постоянного тока. Фронты переключения в основном определяются проходной емкостью С_зс. Скорость изменения напряжения на ключе определяется режимом входной цепи, сопротивление которой R_вх определяет временные параметры.