Электронные ключи (стр. 2 из 3)
где UБ+, UП - напряжения источников питания базы и коллектора.
Как видно, токи транзисторного ключа в режиме насыщения определяются внешними параметрами схемы и практически не зависят от характеристик-транзистора. Режиму насыщения соответствует точка В на статических характеристиках.
Режим насыщения кремниевого транзистора определяется условием uкб = -Uотп При заданных коллекторном и базовом токах удобным для расчетов является критерий насыщенного состояния по току. Его можно установить, рассуждая так. Пропорциональная зависимость между токами Iб и Iк, справедливая для активного режима, сохраняется вплоть до отпирания коллекторного перехода. Следовательно, на границе активного режима и режима насыщения также имеет место соотношение
где Iб гр - базовый ток, при котором транзистор входит в режим насыщения. Как было отмечено, дальнейшее увеличение базового тока не приводит к росту коллекторного тока. Таким образом, критерий насыщенного состояния транзистора можно записать в виде 
(7.1)Если в соотношение (7.1) подставить выражения для токов получим:
В реальных условиях работы транзисторного ключа напряжения источников питания могут изменяться, имеет место также разброс сопротивлений резисторов и коэффициента передачи тока h21э. Это может привести к невыполнению неравенства (7.1), выходу транзистора из режима насыщения и соответственно к изменению коллекторного тока и выходного напряжения. Для обеспечения устойчивого режима работы транзисторного ключа параметры его рассчитывают таким образом, чтобы неравенство (7.1) выполнялось при изменениях в некоторых пределах входящих в него величин.
Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения:
Хотя для повышения помехоустойчивости желательно увеличивать коэффициент насыщения, однако следует помнить, что при этом растет время переключения транзисторного ключа.
3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА
Транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения и обратно не мгновенно, а в течение определенного времени. Эта инерционность биполярного транзистора обусловлена двумя основными факторами: накоплением заряда неосновных носителей в базе и емкостями коллекторного Ск и эмиттерного Сэ переходов. Кроме того, на длительность переходных процессов транзисторного ключа оказывает влияние емкость нагрузки Сн.
Расчет длительности переходных процессов в транзисторном ключе проводится методом заряда, базирующимся на том факте, что в базе объемный заряд неосновных носителей скомпенсирован, т. е. база электрически нейтральна.
Метод заряда. Так как в базе (p-область) неосновными носителями являются электроны, то при uбэ > Uотп ток базы iб(t) определяет скорость накопления электронов dq/dt в ней (q — заряд неосновных носителей) и компенсирует их убывание q/t в результате рекомбинации (t — время жизни неосновных носителей в базе). Кроме того, ток базы идет на перезарядку емкостей' Ск и Сэ при изменении напряжения на переходах. Следовательно,
(7.2)Если емкостные токи коллекторного
и эмиттерного 
переходов невелики, то уравнение (7.2) упрощается:dq/dt + q/t = iб(t) (7.3)
В стационарном состоянии, когда dq/dt = 0,
q = tIб, (7.4)
т. е. избыточный заряд неосновных носителей в базе пропорционален базовому току. Это соотношение справедливо не только в активном режиме, но и в режиме насыщения транзистора.
С помощью уравнений (7.2) или (7.3) можно определить объемный заряд неосновных носителей в базе в функции времени. Однако при расчете импульсных схем на транзисторах основной интерес представляет определение закона изменения коллекторного тока.
В активном режиме работы транзистора при условии, что распределение концентрации неосновных носителей заряда в базе является линейным, имеет место соотношение, которое с известным приближением дает связь между зарядом неосновных носителей в базе и коллекторным током транзистора:
(7.5)Это соотношение в стационарном режиме справедливо с высокой точностью. Однако в переходном режиме, длительность которого соизмерима с временем распространения носителей вдоль базы, линейный характер распределения неосновных носителей в базе нарушается.
Решая уравнения (7.2) или (7.3) и используя соотношение (7.5), можно определить закон изменения коллекторного тока при заданном базовом токе. Преобразуем по Лапласу уравнение (7.3), поскольку это упрощает процедуру решения при различных начальных условиях:
(7.6)где q(0) — начальное значение заряда неосновных носителей в базе; р — оператор Лапласа.
Задержка включения. Рассмотрим процесс включения транзисторного ключа при условии, что в момент времени /о на его входе напряжение скачком изменяется от Uб- до Uб+(рис. 7.5). В базовой цепи устанавливается ток
. Хотя управляющее напряжение изменяется скачком, разность потенциалов между базой и эмиттером из-за наличия прежде всего емкостей Сэ и Ск нарастает до значения Uотп при котором транзистор открывается, но не сразу, а в течение определенного времени. Таким образом, импульс коллекторного тока начинается в момент времени, т. е. с некоторой задержкой относительно момента подачи отпирающего напряжения Интервал времени tзд = t1 – t0 определяет длительность стадии задержки - время, в течение которого происходит перезарядка емкостей Сэ и Ск. Так как в это время через транзистор протекают емкостные токи, то эквивалентная схема транзисторного ключа | Рис. 7 5. Переходные процессы в ключе ОЭРис. 7.6. Эквивалентная схема ключа |
на этапе задержки включает внешние резисторы и емкости переходов (рис. 7.6).
В транзисторном ключе обычно Rб > Rк поэтому, пренебрегая Rк получим цепь первого порядка, переходной процесс в которой определяется соотношением
где
. Когда емкость нагрузки транзисторного ключа Сн соизмерима или больше суммарной емкости переходов, 
. После подстановки получим 
Стадия задержки заканчивается, когда
поэтому 
Формирование фронта. Когда в момент времени t1 эмиттерный переход открывается, начинается процесс нарастания коллекторного тока, сопровождающийся снижением коллекторного напряжения. Коллекторный ток увеличивается до момента времени t2, когда транзистор входит в режим насыщения. В интервале времени t1 …t2. происходит формирование фронта импульса тока. Длительность фронтаtф=t1 + t2можно определить из уравнения (7.6). Так как начальный объемный заряд q(0) = 0, а
(7.9)Подставив выражение (7.9) в (7.5), получим:
(7.10)Таким образом, и объемный заряд неосновных носителей в базе, и коллекторный ток во время формирования фронта изменяются по экспоненциальному закону. Когда iк (t2 ) = Iк изаряд неосновных носителей в базе достигает значения q(t2) = tIк нас /h21э, формирование фронта заканчивается. Воспользовавшись соотношением (7.9), получим формулу для расчета длительности фронта
(7.11)Из полученного соотношения следует, что увеличение базового тока включения приводит к уменьшению длительности фронта импульса коллекторного тока. Если при формировании фронта емкостный ток соизмерим с коллекторным током транзистора, то для расчета tф в формуле (7.11) необходимо заменить t на tэкв из (7.8).
После того как транзистор войдет в режим насыщения, ток iк и напряжение uкэ перестают изменяться, но процесс накопления заряда продолжается по экспоненциальному закону в соответствии с выражением (7.9), однако постоянная времени здесь другая: tнас = (0,8. . .0,9)t.
Поскольку процесс накопления носит экспоненциальный характер, то время, в течение которого заряд неосновных носителей достигает стационарного значения, можно вычислить по формуле tнас = (0,8. . .0,9)tнас.