Статические характеристики транзисторного ключа

Процессы в схеме проанализируем графоаналитическим методом, основанном на построении линии нагрузки по постоянному току в осях I _к – U _кэ, совмещенной с выходными характеристиками транзистора (рис. 85, б), с учетом входной характеристики (рис. 7.2, в). Линия нагрузки описывается уравнением U _кэ = Е_к - I _к R _к и проводится так же, как и для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольтамперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях.

1. Режим запирания (режим отсечки) «ключ разомкнут». Это состояние соответствует точке М_отс на рис. 7.2, а. Ток коллектора минимальный, равный обратному току I _ко обратно смещенного перехода коллектор-база, а напряжение коллектор-эмиттер U _кэ максимально близко к напряжению питания U _кэ = Е_к - I _ко R _к в виду малости I _ко.

Режим отсечки создается путем подачи на вход ключа напряжения U _вх запирающей полярности (в данном случае полярность показана на рис. 7.2, а без скобок). Под действием этого напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U _бэ < 0) и ток эмиттера становится равным нулю I _э= 0. Однако через резистор R _б протекает обратный ток коллекторного перехода I _ко, замыкаясь по цепи: +Е_к, R _к, переход коллектор-база, R _б, источник входного сигнала U _вх , - Е_к. На входной характеристике (рис. 7.2, в) видно, что в этом случае ток базы становится отрицательным и равным I _ко.

Ток I _ко зависит от типа выбранного транзистора, поэтому одним из критериев выбора транзистора для ключевой схемы является малое значение I _ко.

Величину запирающего входного напряжения U _{вх зап} выбирают, исходя из того, чтобы выполнялось условие

U _бэ = U _{вх зап} - I _ко R _б .                           (7.1)

Напряжение U _бэ для германиевых транзисторов составляет 0,5 – 2 В, для кремниевых – 2 – 5 В.

Иногда закрытое состояние транзистора создается без источника запирающего напряжения. В этом случае U _вх= 0 и ток базы I _б= 0. Такому состоянию транзистора соответствует точка М_З на рис. 7.2, б. Величина тока, протекающего по транзистору и нагрузке R _к в этом случае возрастает и зависит от величины сопротивления резистора R _б, а также от типа транзистора и температуры.

Причина возрастания тока состоит в том, что тепловой ток транзистора, включенного по схеме ОЭ равен I _ко ^* = ( b +1) I _ко, где b - коэффициент усиления транзистора. Однако I _ко ^* - это сквозной ток транзистора при отсутствии резистора между эмиттером и базой. При включении такого резистора (в данном случае R _б) тепловой ток значительно снижается.

Мощность, рассеиваемая на транзисторе в статическом режиме (мощность потерь) в состоянии отсечки Р_отс равна

Р_отс = I _ко Е_к.

При умеренных температурах и невысоких напряжениях Р_отс мала и в расчетах может не учитываться.

2. Режим открытого состояния «ключ замкнут» создается изменением полярности входного напряжения U _вх > 0 (полярность указана в скобках на рис. 7.2, а) и заданием соответствующего тока базы I _б транзистора.

Необходимый ток базы, соответствующий открытому состоянию транзистора, найдем, постепенно увеличивая ток базы от нуля до тех пор, пока сохраняется известная пропорциональная зависимость между I _б и I _к (режим усиления)

I _к = b I _б + ( b +1) I _ко » b I _б.                             (7.2)

При этом рабочая точка транзистора будет перемещаться вверх по линии нагрузки из положения М_З до положения М_о, соответствующего «полному» открытию транзистора, а ток базы будет равен граничному току I _б = I _б3 = I _{б гр} (рис. 7.2, б). Через транзистор и резистор R _к будет протекать ток

I _к = (Е_к - D U _{кэ откр} )/ R _к,                             (7.3)

где D U _{кэ откр} – остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение на транзисторе в схеме ключа должно быть минимальным. В зависимости от типа транзистора и уровня тока D U _{кэ откр} лежит в пределах 0,1 – 1,5 В. Вследствие относительно малого остаточного напряжения по сравнению с Е_к расчет тока открытого транзистора производят по формуле

I _к = Е_к/ R _к.                                  (7.4)

С учетом (7.2) граничное значение тока базы I _{б гр} открытого транзистора равно

I _{б гр} = I _к / B = Е_к/( B R _к ),                               (7.5)

где B - статический коэффициент усиления транзистора для большого сигнала (при большом токе и малом напряжении B < b).

Мощность, рассеиваемая на транзисторе в статическом режиме (мощность потерь) в открытом состоянии Р_о равна

Р_о = I _к D U _{кэ откр}.

Для уменьшения напряжения на открытом ключе применяют насыщенный режим работы, получаемый увеличением тока базы по сравнению с граничным

I _{б нас} = sI _{б гр},                                       (7.6)

где s – коэффициент насыщения, выбираемый в пределах 1,3 – 3.

На рис. 7.2, б, в ток базы насыщения I _{б нас} = I _б4. При этом рабочая точка транзистора переместилась в точку М_нас, а напряжение на открытом транзисторе уменьшилось до величины D U _{кэ нас}.

Представляют интерес потенциалы электродов транзистора, по которым можно судить, в каком режиме находится транзистор.

В режиме отсечки U _кэ » Е_к > 0, U _бэ < 0, поэтому U _кб = U _кэ – U _бэ = Е_к – U _бэ > 0 (см. рис. 7.2, б, в).

В активном режиме (между точками М_З и М_о) D U _{кэ откр} < U _кэ < Е_к, DU_{кэ откр} > U_бэ > 0, поэтому U _кб = U _кэ – U _бэ = Е_к – U _бэ > 0 (см. рис. 7.2, б, в).

В граничном режиме (в точке М_о) U _кэ = D U _{кэ откр}, U _бэ = D U _{кэ откр}, поэтому U _кб = U _кэ – U _бэ = 0.

В режиме насыщения (в точке М_нас) U _кэ = D U _{кэ нас} < D U _{кэ откр}, U _бэ = U _бэ4 > U _бэ3 = D U _{кэ откр}, поэтому U _кб = U _кэ – U _бэ = D U _{кэ нас} – D U _{кэ откр} < 0 (см. рис. 7.2, б, в).

Режим насыщения используют не только для снижения напряжения на открытом транзисторе, но и для стабилизации открытого состояния транзистора при воздействии помех во входной цепи, а также для снижения чувствительности к разбросу параметров транзисторов и изменений температуры.

Необходимый ток базы обеспечивается параметрами входной цепи транзисторного ключа

I _б = ( U _вх – U _{бэ нас} )/ R _б .                                          (7.7)

 

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться: