Транзисторный ключ на биполярном транзисторе

Транзисторный ключ на биполярном транзисторе представляет собой усилитель (см. гл. II), работающий в режиме класса В (ненасыщенный ключ) или в режиме класса D (насыщенный ключ). Стандартная схема ключа изображена на рис. 3.1.

Базовый делитель усилителя заме­нен схемой базового смещения, состоящей из сопротивления R_б и источни­ка E_б, которая обеспечивает закрытое состояние транзистора при малых входных сигналах (как правило на­пряжениях, соответствующих напря­жению логического нуля). Кроме того через сопротивление R_б осуществля­ется вывод неравновесных носителей из базы при выключении транзисто­ра, что уменьшает время рассасывания и ускоряет работу схемы.

Рассмотрим статические режимы работы транзисторного ключа.

Запишем 1-й закон Кирхгофа для узла Б:

(3.2)

Выражение (3.1) можно переписать в следующем виде:

(3.3)

Здесь E_б < 0, если полярность E_б соответствует обозначению на рис.3.1.

Транзистор может работать в трех режимах: отсечки, активном и насыщения. Чтобы определить, при каких значениях э. д. с. источника сигнала реализуется тот или иной режим, выразим Е_C из выражения (3.2):

(3.3)

Ключ считается закрытым, если транзистор в отсечке. В этом случае I_б = 0, а напряжение U_бэ не превышает порогового значения U_бэ.пор (рис. 3.2), т. е. U_бэ U_бэ.пор, поэтому

(3.4)

При таких входных сигналах ключ закрыт.

Ключ считается открытым, если транзистор находится в активном режиме (для ненасыщенного ключа) или в насыщении (для насыщенного ключа). При увеличении напряжения источника сигнала Е_С транзистор сначала переходит в активный режим. При этом базовый и коллекторный токи увеличиваются с ростом Е_С, а потенциал коллектора транзистора уменьшается. При некотором значении Е_С.гр потенциал коллектора окажется ниже потенциала базы на величину U_пор для коллекторного перехода: U_К - U_б =- U_пор коллекторный переход включится прямо и транзистор перейдет в режим насыщения. Значению Е_С.гр отвечает базовый ток I_{б.нас.гр}. Это минимальный базовый ток, при котором транзистор переходит в насыщение. Значение I_{б.нас.гр}. зависит не только от свойств транзистора, но и от напряжения питания и сопротивления коллекторной цепи.

При дальнейшем увеличении напряжения Е_С базовый ток транзистора продолжает увеличиваться, а коллекторный ток остается неизменным и равным значению

(3.5)

 

Рис. 3.2. Входная характеристика биполярного транзистора

 

Действительно, сопротивление насыщенного транзистора мало по сравнению с сопротивлением коллекторной цепи R_К поэтому ток I_к не зависит от входного сигнала. Напряжение U_кэ.нас, отвечающее режиму насыщения, мало по величине и практически не меняется при увеличении степени насыщения, в дальнейшем мы будем считать его постоянным.

Базовый ток I_{б.нас.гр}. может быть определен с помощью параметра h_21э

(3.6)

Следует отметить, что h-параметрами транзистора можно пользоваться только для активного режима. Формула (3.6) отвечает базовому току на границе режимов активного и насыщения, когда h-параметры еще работают.

Степень насыщения транзистора характеризуется коэффициентом насыщения, равным (см., напр., [2], [7])

(3.7)

Здесь I_б — базовый ток насыщенного транзистора. Коэффициент насыщения вводится только для насыщенных транзисторов, поэтому его значение всегда больше единицы.

Определим теперь значение входного сигнала Е_C.гр, при котором транзистор переходит в насыщение. Напряжение U_бэ.нас в режиме насыщения будем считать известным и не зависящим от степени насыщения

Подставив в выражение (3.3) , (3.6) и получим

(3.8)

При всех Е_С > Е_С.гр транзистор будет находиться в насыщении. Пользуясь общей формулой (3.3), можно определить, при каком входном сигнале Е_С достигается заданная степень насыщения. Для этого надо принять, что I_б = К_насI_{б.нас.гр}, и тогда

(3.9)

ЗАДАЧИ

Задача 3.1.1. Транзисторный ключ (рис. 3.1) собран на транзисторе КТ 847 A, U_п = 5 В; R_к = 1 Ом; R_б = 20 Ом; R = 5 Ом; Е_б = -1 В. Определить значения U_вх, при которых транзистор работает в режимах отсечки, насыщения и в активном режиме. Характеристики транзистора приведены в приложении на рис. П.6.

Решение.

1) Режим отсечки реализуется, если напряжение на базе транзистора U_б меньше порогового значения U_бэ.пор. Согласно входным характеристикам транзистора, U_бэ.пор. = 0, 68 В. Тогда ток I₂ равен

Базовый ток транзистора в режиме отсечки равен нулю, поэтому I₁ = I₂ = 0, 084 А. Соответствующее входное напряжение равно

Следовательно транзистор находится в отсечке, если

2) Определим граничное входное напряжение для режима насыщения. Для этого нужно знать U_кэ.нас, I_{б.нас.гр} и U_бэ.нас- Величину U_кэ.нас можно приближенно определить по выходным характеристикам транзистора (рис. П.6). Оно примерно равно 0, 2 В. Теперь можно определить ток I_к.нас:

Ток I_{б.нас.гр} можно найти, воспользовавшись выходными характеристиками транзистора. Из рис. П.6 следует, что I_{б.нас.гр}. = 0, 3 А. По входной характеристике (рис. П.6) определяем значение напряжения U_бэ.нас, соответствующее току 0, 3 А: U_бэ.нас = 0, 8 В.

Если транзистор находится в насыщении, то напряжение I_бэ.нас остается постоянным даже при токах I_б, больших, I_{б.нас.гр}. - Ток I₂ равен

Входное напряжение, отвечающее границе между активным режимом и режимом насыщения

При всех напряжениях, больших U_{вх, гр}, транзистор находится в насыщении.

Ответ: Отсечка, если U_вх < 1, 1В; активный режим, если 1, 1В U_вх 2, 75 В; насыщение, если U_вх > 2, 75 В.

Задача 3.1.2. В условиях предыдущей задачи определить Кшс, если UBX = 4 В.

Решение. Базовый ток транзистора равен

Коэффициент насыщения

Ответ: К_нас= 1, 83.

Задача 3.1.3. В условиях задачи 3.1.1 определить напряжение U_вх, если К_нас = 3.

Задача 3.1.4. Транзисторный ключ (рис. 3.1) собран на транзисторе 21860 A. U_п = 10 В; R_к = 10 Ом; R_б = 1 кОм; R = 400 Ом; R_С = 100 Ом; Е_б = 1, 5 В. Определить значения Е_С, при которых транзистор работает в режимах отсечки, насыщения и в активном режиме. Характеристики транзистора приведены в приложении на рис. П. 1.

Задача 3.1.5.В условиях задачи 3.1.4 определить значения Е_С и U_вх, если К_нас = 2.

Задача 3.1.6. В условиях задачи 3.1.4 определить К_нас, если U_вх = 8 В.

Задача 3.1.7. Определить К_нас транзистора (рис. 3.1), если U_п = 6, 2 В; R_к = 1 кОм; R = 1 кОм; R_б = 3, 4 кОм; R_С = 100 Ом; Е_б = -1 В; h_21э = 30; Е_С = 3, 23В. Принять, что U_бэ.нас = 0, 7 В; U_кэ.нас = 0, 2 В.

Решение.

1). Определим сначала базовый ток транзистора I_б. Для этого воспользуемся выражениями (3.1) и (3.2):

2). Найдем ток I_{б.нас.гр} (3.6):

3).

Задача 3.1.8. Определить Е_С (рис. 3.1), если U_П = 5, 2 В; R_к = 500 Ом; R = 2 кОм; R_б = 5 кОм; R_С = 200 Ом; Е_б = -1, 3 В; h_21э=50; К_нас=3. Принять, что U_бэ.нас =0, 7В, U_кэ.нас = 0, 2 В.

Задача 3.1.9. Определить значения Е_C (рис. 3.1), при которых транзистор находится в насыщении, если U_п = 5, 2 В; R_к = 1 кОм; R = 1, 9 кОм; R_б = 10 кОм; R_С = 100 Ом; E_б = -1, 3 В; h_21э = 20. Принять, что U_бэ.нас = 0, 7 В; U_кэ.нас = 0, 2 В.

Задача 3.1.10. Определить значения Е_C (рис. 3.1), при которых транзистор находится в состоянии отсечки, если U_п = 5 В; R_к = 2 кОм; R = 1, 4 кОм; R_б = 10 кОм; R_С = 100 Ом; U_пор = 0, 5 В; E_б = -0, 3 В; h_21э = 40.

Задача 3.1.11. В условиях предыдущей задачи определить К_нас транзистора (рис. 3.1), если U_BX = 2, 1 В. Принять, что U_бэ.нас = 0, 7 В; U_кэ.нас = 0, 2 В.

§ 3.2. Статический триггер на биполярных транзисторах

 

Статический триггер состоит из двух транзисторных ключей с перекрестными коллекторно-базовыми связями.

Схема симметричного статического триггера представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема триггера на биполярных транзисторах

 

 

Триггер имеет два устойчивых состояния, которые отличаются величинами напряжений на выходах триггера и .

 

Благодаря перекрестным коллекторно-базовым связям транзисторы «работают в противофазе», то есть если транзистор VT1 в насыщении, то VT2 — в отсечке, и наоборот. Поэтому низкий уровень выходного сигнала на прямом выходе соответствует высокому уровню на инверсном выходе , а высокий уровень напряжения на выходе отвечает низкому уровню на выходе .

 

Рассчитаем эти выходные напряжения, предположив, что VT1 находится в насыщении, a VT2 — в отсечке. Будем считать, что для насыщенного транзистора U_бэ.нас = 0, 7 В; U_кэ.нас = 0, 2 В. Обозначения токов в схеме рис. 3.3 отвечают этому случаю.

Запишем уравнения Кирхгофа, позволяющие найти все токи, обозначенные на рис. 3.3. Согласно 1-му закону Кирхгофа

(3.10)

(3.11)

(3.12)

Согласно 2-му закону Кирхгофа для выходной цепи транзистора VT1

(3.13)

2-ой закон Кирхгофа для контура U_п ⇒ R_к2 ⇒ R₁ ⇒ бэ_VT1 ⇒ R_э1 ⇒ ⊥

описывается уравнением

(3.14)

Система уравнений будет полной, если добавить еще два уравнения Кирхгофа:

(3.15)

(3.16)

Уравнения (3.10) - (3.16) образуют систему из семи уравнений для определения семи неизвестных токов. Зная токи, можно далее найти потенциалы всех точек схемы.

Как правило с хорошей точностью можно считать, что токи в базовых цепях (I_б, I₂) много меньше коллекторного тока открытого транзистора, поэтому для упрощения задачи будем пользоваться приближением

(3.17)

Система уравнений в этом случае упрощается

(3.18)

(3.19)

(3.20)

(3.21)

Потенциал прямого выхода Q = U_к1 можно определить согласно формуле

(3.22)

Неизвестное значение I_к можно найти из уравнения (3.19):

(3.23)

Потенциал инверсного выхода = U_к2 можно определить, если известен ток I через сопротивление R_к2:

(3.24)

Ток I, в свою очередь, определяется из уравнения

(3.25)

Если известен коэффициент передачи тока транзисторов h_21э, можно определить коэффициент насыщения открытого транзистора

(3.26)

Ток I₁ определяется из уравнения (3.21).

 

ЗАДАЧИ

 

Задача 3.2.1. В статическом триггере (рис. 3.3) транзистор VT1 находится в состоянии насыщения. Определить напряжения Q = U_к1, = U_к2, и коэффициент насыщения транзистора VT1, если U_П = 5 В; R_к1 = R_к2 = 1 кОм; R₁ = R₂ = 9, 1 кОм; R_б1 = R_б2 = 10 кОм; h_21э = 50; E_б = 1, 2 В; R_э1 = R_э2 = 20 Ом. Напряжение U_бэ.нас насыщенного транзистора считать равным 0, 7 В; напряжение U_кэ.нас = 0, 2 В. Найти потенциал базы закрытого транзистора VT2.

Решение. Определим сначала потенциал эмиттера насыщенного транзистора. Для этого нужно знать ток I_э через сопротивление R_э1. Будем считать, что Iк Iэ. Тогда можно воспользоваться уравнением (3.23):

.

Потенциал эмиттера U_э1;

Потенциал прямого выхода Q, согласно (3.22):

Потенциал базы транзистора VT1 равен

Ток I через сопротивления R_к2 и R₁

Потенциал определяем по формуле (3.24):

.

Коэффициент насыщения транзистора VT1 можно вычислить по формуле (3.26). При этом ток I₁:

Чтобы найти потенциал базы VT2, нужно знать ток I₂. Он равен

Далее

Ответ: Q = 0, 3 В; Q = 4, 6 В; К_нас =2, 3; U_б2 = -0, 42 В.

 

Задача 3.2.2. В статическом триггере (рис. 3.3) транзистор VT1 находится в состоянии насыщения. Определить напряжения Q = U_к1, Q = U_к2 и коэффициент насыщения транзистора VT1, если U_п = 4, 7 В; R_к1 = R_к2 = 0, 45 кОм; R₁ = R₂ = 4, 55 кОм; R_б1 = R_б2 = 20 кОм; h_21э = 30; E_б = -0, 85 B; R_э1 = R_э2= 50 Ом. Напряжение U_бэ.нас насыщенного ключа считать равным 0, 7 В; напряжение U_кэ.нас = 0, 2 В. Найти потенциал базы закрытого транзистора VT2

 

Задача 3.2.3. В статическом триггере (рис. 3.3) транзистор VT2 находится в состоянии насыщения. Определить напряжения Q U_к1, U_к2 и коэффициент насыщения транзистора VT2, если U_п = 5 В; R_к1 = R_к2 = 1, 95 кОм; R₁ = R₂ = 18, 05 кОм; R_б1 = R_б2 = 20 кОм; h_21э = 120; E_б = -1, 18B; R_э1 = R_э2 = 50 Ом. Напряжение Нбэ.нас насыщенного ключа считать равным 0, 7 В; напряжение U_бэ.нас = 0, 2 В. Найти потенциал базы закрытого транзистора VT1.

 

3 а д ач а 3.2.4. В статическом триггере (рис. 3.4) транзистор VT2 находится в состоянии насыщения. Определить напряжения U_к1, U_к2 и коэффициент насыщения транзистора VT2, если U_п = 6 В; R_к1 = R_к2 = 0, 98 кОм; R₁ = R₂ = 9, 02 кОм; h_21э = 20; R_э1 = R_э2 = 20 Ом. Напряжение U_бэ.нас насыщенного ключа считать равным 0, 7 В; напряжение U_кэ.нас = 0, 2 В.

 

Задача 3.2.5. В статическом триггере (рис. 3.4) транзистор VT1 находится в состоянии насыщения. Определить напряжения ,

Рис. 3.4. Схема триггера без цепи смещения

Рис. 3.4. Схема триггера без цепи смещения

и коэффициент насыщения транзистора VT1, если U_п = 5, 2 В; R_к1 = R_к2 = 500 Ом; R₁ = R₂ = 4 кОм; h_21э = 40; R_э1 = R_э2 = 0. Напряжение U_бэ.нас насыщенного ключа считать равным 0, 7 В; напряжение U_кэ.нас = 0, 2 В.

 

 

ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ ГЛАВЫ З

 

3.1.3. U_BX = 5, 75 В. 3.1.4. Отсечка, если Е_С < 1, 7 В; активный режим, если 1, 7В Ес 6, 8В; насыщение, если Ес > 6, 8 В. 3.1.5. Ес 11, 3 В, U_вх 9, 2 В. 3.1.6. К_нас 1, 7. 3.1.8. Е_с = 2, 9 В. 3.1.9. Е_с > 1, 6В. 3.1.10. Е_с = 0, 62 В. 3.1.11. К_нас = 15.

3.2.2. = 0, 65 В, = 4, 4 В, К_нас = 2, U_б2 = 0, 37 В. 3.2.3. = 4, 59В, = 0, 32 В, К_нас = 5, 45, U_б1 = -0, 39 В. 3.2.4. = 5, 5 В; = 0, 316 В, К_нас = 1, 79. 3.2.5. = 0, 2В, = 4, 7 В, К_нас = 4.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: