Ключевой режим транзистора

Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение электронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ не протекает ток. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключевых элементов находят транзисторные каскады, в первую очередь каскад с ОЭ. Рассмотрим работу такого каскада в ключевом режиме. При рассмотрении воспользуемся графическим методом расчета транзисторных цепей.

Рисунок 1. Транзисторный ключ: а- простейшая схема, б- траектория рабочей точки.

На рисунке (б) приведена выходная характеристика транзистора, на которой нанесена нагрузочная линия, пересекающая оси координат в точках: Uк=Ек, при i_к=0 и Uк=0, при i_к=Ек/Rк.

В ключевом режиме транзистор может находится в двух основных состояниях:

1. Состояние (режим) отсечки ("ключ разомкнут"). При этом через транзистор протекает минимальный ток. Это состояние соответствует точке А на выходной характеристике (рис.1,б), i_к=Iкбо»0, напряжение на транзисторе Uк»Ек.

Рисунок 2. Схемы замещения транзистора в режимах отсечки (а) и насыщения (б).

Транзистор в режиме отсечки может быть представлен следующей схемой замещения (рис.2,а), содержащей только один источник тока Iкбо, включенный между базой и коллектором.

Для того, чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо выполнить условие отсечки: сменить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора или для n- p- n транзистора выполнить условие:

Uб<0. (1)

Мощность, теряемая в режиме отсечки на транзисторном ключе Рк=i_кU_к мала, так как мал ток.

2. Состояние (режим) насыщения ("ключ замкнут"). Минимальное напряжение на транзисторе Uк=U_КЭ,Н»0 соответствует точке В на выходной характеристике (рисю1,б). Ток через транзистор ограничен резистором R и определяется:

Iк,н=(Ек-U_КЭ,Н)/Rк»Ек/Rк (2).

В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжения между электродами транзистора малы. Транзистор в режиме насыщения представлен схемой замещения (см.рис. 2, б), которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что "транзистор стянут в точку").

Режим насыщения достигается уже при

i_Б=I_Б,Н=I_К,Н/h_21Э.

Дальнейшее увеличение тока базы i_Б>I_Б,Н не изменяет тока в коллекторной цепи. Таким образом, условие насыщения транзистора записывается в виде:

i_Б >>I_Б,Н=I_К,Н/h_21Э (3)

где I_К,Н»Ек/Rн.

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (3) выполнялось при h_21Э= h_21Эmin. Величина Sн= i_Б/I_Б,Н>>1 называется коэффициентом насыщения транзистора.

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Рк=i_кU_к мала, так как мало напряжение. Напряжение U_КЭ,Н приводится в справочниках, для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U_КЭ,Н<<Ек.

При работе транзисторного ключа переключение из открытого состояния в разомкнутое и обратно происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Таким образом, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является важным преимуществом по сравнению с полупроводниковыми устройствами.