Транзисторный ключ

Однако электромагнитные реле также обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле намного меньше, чем на открытом полупроводниковом элементе. Кроме того, реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей от низковольтных цепей.

Содержание

С развитием электронно-импульсной технологии транзисторные переключатели в той или иной форме используются практически в каждом электронном устройстве. Более того, большинство интегральных схем состоят из десятков, сотен или миллионов транзисторных ключей. И цифровые технологии отнюдь не лишены их. В общем, современный электронный мир был бы немыслим без устройства, о котором пойдет речь в этой статье.

Здесь мы узнаем, как рассчитать переключатель на биполярном транзисторе (БТ). Одним из распространенных применений является согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами, семисегментными дисплеями, шаговыми двигателями и т.д.

Основная функция любого транзисторного переключателя заключается в переключении мощной нагрузки на маломощную сигнальную команду.

Электронные переключатели глубоко проникли в сферу автоматизации и вытеснили механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитных реле, транзисторные переключатели не имеют движущихся механических частей, что значительно увеличивает срок службы, скорость и надежность устройства. Скорость включения и выключения, т.е. частота срабатывания, несравненно выше, чем у реле.

Как работает транзисторный ключ

В этой статье мы рассмотрим, как работает переключатель на биполярном транзисторе. Эти полупроводниковые элементы производятся двух типов n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются по типу используемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – “дырки”; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выходы устройства BT называются база, коллектор и эмиттер, которые графически представлены на принципиальных схемах, как показано на рисунке.

Для того чтобы понять принцип работы и различные процессы, происходящие в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух диодов, соединенных последовательно и против часовой стрелки.

Наиболее распространенная схема BT в ключевом режиме показана ниже.

Чтобы открыть транзисторный переход, необходимо подать потенциалы определенного знака на оба pn-разъема. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого питающие электроды U_KE подключены к выводам базы и коллектора через согласующий резистор R_К. Обратите внимание на положительный потенциал U_KE по R_К прикладывается к коллектору, а отрицательный потенциал – к эмиттеру. Для полупроводника p-n-p структура полярности питания U_KE перевернута.

Резистор в коллекторной цепи R_К служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие BT задается управляющим напряжением U_BEкоторый подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор R_Б. Значение U_BE должно быть не менее 0,6 В, иначе эмиттерный переход не откроется полностью, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не перепутать полярность подключения напряжения питания U_KE и управляющий сигнал U_BE BT с различными полупроводниковыми структурами, обратите внимание на направление стрелки эмиттера. Стрелка указывает направление протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки, легко установить источники напряжения нужным образом.

Статические входные характеристики

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме переключателя. Работа КТ в режиме усилителя уже обсуждалась подробно, с примерами расчетов, в нескольких статьях. Я очень рекомендую прочитать их. Ключевой режим работы BT рассматривается в этой статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находиться только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), как показывают отрезки зарядовой линии, расположенные на входной статической характеристике биполярного транзистора. На отрезке прямой 3-4 BT закрыт, и на его выходах имеются потенциалы U_{KE .}. Коллекторный ток I_К близка к нулю. В этом случае ток базовой цепи I_К также отсутствует, что является причиной закрытия КТ. Область входной переходной характеристики, соответствующая закрытому состоянию, называется зона отсечения..

Второе состояние – когда КТ полностью открыт, как показано в разделе 1-2. Как видно из характеристик, ток I_К имеет конкретное значение, которое зависит от значения параметра U_KE и R_К. В цепи база-эмиттер также протекает ток I_Бчто достаточно для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер pn составляет порядка сотых и десятых долей вольта, в зависимости от серии транзистора и мощности. Эта область работы ЧР, где он полностью открыт, называется областью насыщения. область насыщения.

В третьей области полупроводниковый переключатель находится в среднем положении между открытым и закрытым, т.е. он либо наклонен, либо закрыт. Это область, используемая для транзистора, работающего как усилитель, это называется активная область.

Расчет транзисторного переключателя

В этом примере мы рассчитаем транзисторный переключатель с использованием биполярного транзистора, подключающего светодиод к источнику питания 9 В, к короне. В качестве управляющего сигнала будет использоваться обычная батарейка 1,5 В. Для примера мы будем использовать n-p-n структуру серии 2222A. Хотя подойдет и любой другой, например, 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.д.

Рассматриваемую схему транзисторного переключателя достаточно просто собрать на макетной плате и провести соответствующие измерения с помощью мультиметра, чтобы оценить точность наших расчетов.

Таким образом, расчеты сводятся к определению сопротивления коллектора R_К и основание R_Б. Хотя логичнее, особенно при подключении большой нагрузки, сначала подобрать ток и напряжение транзистора, а затем рассчитать параметры резистора. Однако, в нашем и большинстве других случаев, ток нагрузки относительно мал и U Источник питания имеет небольшой размер, поэтому подходит практически любой БТ с низким энергопотреблением.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Процедура расчета

Начнем расчет с нахождения сопротивления резистора R_Ккоторый используется для ограничения тока I_Кпроходящий через светодиод ВД. R_К определяется законом Ома:

Это значение I_К равен I_ВД = 0,01 А. Найдите падение напряжения на резисторе:

Значение U_KE Мы знаем, что он составляет 9 В, ΔU_ВД также известен и равен 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных ИС составляет до 0,1 В. Поэтому мы с оговоркой предполагаем, что ΔU_KE = 0,1 В. Теперь подставьте все значения в приведенную выше формулу:

Найдите сопротивление R_К:

Ближайшие стандартные номиналы резисторов – 680 Ом и 750 Ом. Выберите больший резистор R_К = 750 Ом. Ток, протекающий через светодиод I_ВД в коллекторной цепи немного уменьшится. Пересчитайте его значение:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в базовой цепи R_Б:

Эта формула также содержит два неизвестных ΔU_R_б и I_Б. Сначала найдите падение напряжения на резисторе ΔU_R_б:

U_BE мы знаем – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет в среднем 0,6 В, следовательно:

Для определения базового тока I_Б вам нужно знать I_К, который мы ранее пересчитали (I_К = 0,0092 А), и коэффициент усиления по току биполярного транзистора, обозначаемый как β (бета). Коэффициент β всегда можно найти в справочниках или технических паспортах, но проще и точнее определить его с помощью мультиметра. Модель 2222A, которую мы используем, имеет β = 231 один.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия BT) – 22 кОм.

Для более точного подбора параметров вместо постоянных резисторов в схеме, включенной по приведенной ниже схеме, следует использовать переменные резисторы.

Итак, мы рассчитали коммутатор транзистора, то есть определили R_К и R_Б в соответствии с заданными входными данными. Более полные расчеты требуют определения рассеиваемой мощности этих резисторов, но из-за небольшой нагрузки в нашем примере подойдут резисторы с минимальной рассеиваемой мощностью.

И мы должны убедиться, что рабочая точка находится в положении 1, когда она открыта. В этом случае падение напряжения U_ <кэ>на транзисторе будет минимальным, т.е. почти вся полезная мощность от источника попадет на нагрузку. С другой стороны, в закрытом состоянии рабочая точка должна находиться в положении 2. Тогда почти все напряжение будет падать на транзистор, и нагрузка будет отключена.

Расчет коммутатора биполярного транзистора.

Добавим в схему нагрузку в виде светодиода. Резистор R_k останется на месте, ограничивая ток через нагрузку и обеспечивая требуемый режим работы:

Предположим, что напряжение 3 В ( U_d ) подается на светодиод, чтобы включить его. Диод будет потреблять ток 50 мА (I_d). Установим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

Коэффициент усиления тока h_ <21e> = 100. 500 (всегда указывайте диапазон, а не конкретное значение)
Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_ <бэ>= 0,6 ∗ V пространства .
Напряжение насыщения: U_ <кэ medspace="" нас="">= 0,1 ∗ V пространства .

Для расчетов мы берем конкретные значения, но на практике все обстоит несколько иначе. Как вы помните, производительность транзисторов зависит от многих факторов, в частности, от режима работы и температуры. Температура окружающей среды, конечно, может меняться. Определить однозначные значения из спецификаций может быть сложно, поэтому постарайтесь оставить небольшой запас. Например, коэффициент усиления по току при расчетах лучше брать минимальный из значений, приведенных в спецификации. Например, если коэффициент в реальности выше, это не повлияет на производительность схемы, конечно, производительность будет ниже, но схема все равно будет работать. И если взять максимальное значение h_ <21e>, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение меньше и уже не достаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Что ж, вернемся к примеру ? Входными данными для расчета, помимо всего прочего, являются напряжения источников. В данном случае:

E_ <вх>= 3.3medspace V . Я выбрал типичное значение, встречающееся на практике при проектировании схем микроконтроллеров. В данном примере это напряжение включается и выключается с помощью переключателя S_1 .
E_ <вых>= 9 Space V .

Сначала нам нужно рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и токи выходной цепи при включении связаны следующим образом:

И ток, который мы имеем, является данностью, потому что мы знаем ток, потребляемый нагрузкой (в данном случае диодом) во включенном состоянии. Следующий:

Таким образом, в этой формуле мы знаем все, кроме сопротивления, которое нам нужно определить:

Выберите доступное значение сопротивления из стандартного диапазона номиналов и получите R_ <к>= 120 пространство Ω. Важно выбрать более высокое значение. Это связано с тем, что если мы возьмем значение немного больше расчетного, то ток, протекающий через нагрузку, будет немного меньше. Это не вызовет никаких помех в работе. Если взять меньшее значение сопротивления, то ток и напряжение на нагрузке будут выше расчетного значения, то есть хуже ? .

Пересчитаем ток коллектора для выбранного значения сопротивления:

Время для определения тока базы, для этого мы используем минимальное значение коэффициента усиления:

Падение напряжения на резисторе R_b :

Теперь мы можем легко определить значение сопротивления:

Опять же, мы ссылаемся на диапазон допустимых оценок. Но теперь нам нужно выбрать значение, меньшее, чем рассчитанное значение. Если сопротивление резистора больше расчетного значения, ток базы будет меньше. Это может привести к тому, что транзистор откроется недостаточно, и при включении большая часть напряжения упадет на транзисторе (U_.). <кэ>), что явно нежелательно.

Поэтому мы выбираем значение 5.1kΩ для базового резистора. И этот этап расчета был последним! Подводя итог, можно сказать, что наши расчетные рейтинги таковы:

R_ <б>= 5,1 кΩ.
R_ <к>= 120 Ом пространство

Кстати, в схеме транзисторного переключателя обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, например, 10Kohm. Это необходимо для подтягивания базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 открыт, вход просто висит в воздухе. И транзистор будет хаотично открываться и закрываться под воздействием шума. Поэтому добавляется подтягивающий резистор, чтобы сделать потенциал базы равным потенциалу эмиттера в отсутствие входного сигнала. В этом случае транзистор гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошли по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть от теории к практике ? Надеюсь, материал будет вам полезен, а если возникнут вопросы, пишите в комментариях, буду рад помочь!

Даже если ток базы больше требуемого, большой проблемы нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. Это режим насыщенности. Кроме обычных транзисторов, для ключевого режима используются транзисторы “Дарлингтона” или составные транзисторы. Их “супер-бета” может достигать 1000 раз и более.

Работа транзистора в ключевом режиме

Для простоты транзистор можно представить как переменный резистор. Выход с базы – это просто ручка, которую можно поворачивать. Это вызывает изменение сопротивления между коллектором и эмиттером. Конечно, не нужно выкручивать основание, так как оно может отломиться. Но подать на него некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, возможно.

Если мы не будем подавать никакого напряжения, а просто свяжем контакты базы и эмиттера, даже если они не закорочены, резистором величиной в несколько кОм. Оказывается, что напряжение база-эмиттер (Ube) равно нулю. Поэтому ток базы также отсутствует. Транзистор закрыт, ток коллектора пренебрежимо мал, только этот начальный ток. Примерно то же самое, что и диод в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии OPEN, что на обычном языке означает закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется SAFE. Это точка, в которой транзистор полностью открыт, так что открываться больше некуда. При такой степени смещения сопротивление участка коллектор-эмиттер настолько мало, что транзистор нельзя включить без нагрузки в коллекторной цепи, он сразу сгорит. Остаточное напряжение на коллекторе может достигать 0,3…0,5 В.

Чтобы привести транзистор в это состояние, необходимо обеспечить достаточно большой ток базы, приложив к базе большое напряжение Uбэ,- около 0,6…0,7 В, по отношению к эмиттеру. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение очень велико без ограничивающего резистора. Поскольку характеристики входного транзистора, показанные на рисунке 1, очень похожи на характеристики прямого диода.

Рисунок 1: Характеристики входного транзистора

Эти два состояния, насыщение и отсечка, используются, когда транзистор работает в режиме ключа, как обычный контакт реле. Основная идея заключается в том, что небольшой ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора берется от внешнего источника питания, но коэффициент усиления по току, как вы говорите, все равно существует. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Для определения величины этого коэффициента усиления транзистора в ключевом режиме используется “коэффициент усиления тока в режиме большого сигнала”. В учебниках она обозначается греческой буквой β “betta”. Практически для всех современных транзисторов этот коэффициент составляет не менее 10…20 в ключевом режиме работы. β определяется как отношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Она безразмерна, просто “сколько раз”.

Даже если ток базы больше, чем нужно, проблемы нет: транзистор не сможет открыться выше. В этом и заключается смысл режима насыщенности. Помимо обычных транзисторов, для работы в ключевом режиме используются транзисторы “Дарлингтона” или составные транзисторы. Их “супер-бета” может достигать 1000 раз и более.

Как рассчитать режим ключевого этапа

Чтобы не быть совсем уж голословными, давайте попробуем рассчитать работу ключевого этапа, показанного на рисунке 2.

Задача этого этапа очень проста: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузкой может быть что угодно: катушка реле, электродвигатель, простой резистор – все, что вам больше нравится. Лампочка взята только для иллюстрации эксперимента, для его упрощения. Наша задача несколько сложнее. Нам нужно рассчитать резистор Rb в цепи основания, чтобы лампочка могла гореть на полную мощность.

Такие лампочки используются для подсветки приборной панели в отечественных автомобилях, поэтому найти их несложно. Транзистор КТ815 с коллекторным током 1,5 А справится с этой задачей.

Самое интересное во всей этой истории то, что напряжения не участвуют в расчетах, пока выполняется условие β ≥ Ik/Ib. Таким образом, лампочка может иметь рабочее напряжение 200 В, а цепь цоколя может управляться схемой с напряжением питания 5 В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением коллектора, лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере никаких микросхем не предусмотрено, базовая цепь просто управляется контактом, на который просто подается 5 В. Лампочка имеет напряжение 12 В и потребляет ток 100 мА. Мы предполагаем, что β нашего транзистора равен ровно 10. Падение напряжения на переходе база-эмиттер равно Ube = 0,6 В. Смотрите входные характеристики на рисунке 1.

При этих данных ток в базе должен быть Ib = Ik / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rb будет равно (минус напряжение на переходе база-эмиттер) 5В – Ube = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспомните закон Ома: R = U / I = 4,4 В / 0,01 А = 440 Ом. Если подставить напряжение в вольтах, ток в амперах и результат выразить в Омах. Выберите резистор сопротивлением 430 Ом из стандартной серии. На этом расчеты заканчиваются.

Однако тот, кто внимательно смотрит на схему, может спросить: “Почему ничего не сказано о резисторе между базой и эмиттером, RbE? Была ли она просто забыта или стала ненужной?

Назначение этого резистора – надежно закрыть транзистор, когда кнопка открыта. Идея заключается в том, что если база “висит в воздухе”, любой вид помех гарантирован, особенно если провод к кнопке достаточно длинный. Разве это не антенна? Почти как детекторный приемник.

Чтобы надежно закрыть транзистор, перевести его в состояние отсечки, потенциалы эмиттера и базы должны быть равны. Самым простым решением в нашей “учебной схеме” было бы использование переключающего контакта. Когда лампочка должна быть включена, контакт переключается на +5 В, а когда она должна быть выключена, вход всего каскада просто замыкается на “землю”.

Но не всегда и не везде вы можете позволить себе такую роскошь, как дополнительный контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера с помощью резистора RbE. Нет необходимости рассчитывать номинал этого резистора. Обычно предполагается, что она равна 10 Rb. Исходя из практических данных, его значение должно составлять 5…10Комм.

Эта схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Здесь следует отметить две особенности. Первое – это использование 5 В в качестве управляющего напряжения. Это напряжение используется, когда ключевой каскад подключен к цифровым микропроцессорам или, что более вероятно в наши дни, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертируется относительно сигнала на базе. Если на базе есть напряжение, контакт закорочен на +5 В, то на коллекторе оно падает почти до нуля. Конечно, не до нуля, а до напряжения, указанного в справочнике. Лампочка визуально не перевернута – на цоколе есть сигнал и есть свет.

Входной сигнал инвертируется не только в режиме транзисторного ключа, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Рисунок 2.58 – Аналоговый переключатель на полевом транзисторе

Транзисторные переключатели

Транзисторный ключ является фундаментальным компонентом цифровых электронных устройств и многих силовых электронных устройств. Параметры и характеристики транзисторного переключателя во многом определяют характеристики схемы (электронного устройства), в которой он используется. Знание того, как транзистор работает в ключевом режиме, является необходимым условием для проектирования импульсных силовых устройств и цифровой электроники.

Транзисторные переключатели используются в цифровой и силовой электронике для обеспечения на выходе схемы напряжения, близкого к нулю (когда переключатель открыт) или близкого к напряжению питания (когда переключатель закрыт и ток, потребляемый нагрузкой, подключенной к переключателю, достаточно мал). Такие транзисторные переключатели называются цифровые ключи.

В системах передачи информации переключатели обычно используются для подключения (отключения) источника входного аналогового сигнала к приемнику этого сигнала. Такие ключи принято называть аналоговые клавиши или Аналоговые переключатели.

2.11.1 Цифровые переключатели

Простейший цифровой переключатель на биполярном транзисторе в схеме AWT показан на рисунке 2.52.

Рисунок 2.52 – Цифровой переключатель на биполярном транзисторе

Давайте проанализируем работу переключателя. При отсутствии входного напряжения (u_w = 0) транзистор находится в состоянии покоя. Поскольку в схеме нет источника напряжения смещения на эмиттерном переходе, переход заперт, и транзистор находится в состоянии покоя. В то же время на эмиттерный переход также подается напряжение. Поскольку обратный ток коллектора очень мал (I_KBO ” 0), даже с резистором сопротивлением R_б единицы до десятков килоомов напряжения U_BE₀ недостаточно для надежного открытия транзистора.

Для управления цифровым ключом обычно используется напряжение в форме импульса. На рисунке 2.53 показана упрощенная схема входного и выходного напряжения ключа. В запертом состоянии ключа (u_w. = 0) его выходное напряжение равно напряжению At и_вход = U к эмиттерному переходу транзистора прикладывается напряжение, достаточное для открытия транзистора и доведения его до насыщения. Когда переключатель разомкнут, на его выходе поддерживается напряжение. Напряжение насыщения для разных типов транзисторов различно и может составлять 0,08 . 1 В.

Рисунок 2.53 – Временные диаграммы входных напряжений

и выходных напряжений цифровых переключателей

Как упоминалось ранее, цифровые переключатели широко используются в цифровой электронике. В этом случае уровни высокого и низкого напряжения и_KE назначаются в логическое состояние 1 или 0.

Коллекторный ток в режиме насыщения переключателя максимален и зависит в основном только от напряжения питания и сопротивления коллекторного резистора, т.е.

Для того чтобы коллекторная цепь цифрового переключающего транзистора имела ток насыщения I_Knaнеобходимо поддерживать ток в его базовой цепи. Учитывая, что даже в одной серии транзисторов существуют значительные различия в статическом коэффициенте передачи тока базы b_св. и, кроме того, значение b_св. изменяется в зависимости от температуры транзистора, фактический ток базы в открытом состоянии транзистора должен быть в несколько раз больше минимального значения, необходимого для обеспечения режима насыщения транзистора:

где S = 1,5 . 3 – коэффициент насыщения. Учитывая это, сопротивление резистора R_б можно определить по формуле

где и_BEPOR – напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу транзистора.

Поскольку цифровой переключатель работает в импульсном режиме, важными параметрами являются время активации и Время включения и время выключения коммутатора. Когда переключатель переходит из одного устойчивого состояния (например, “выключено”) в другое устойчивое состояние (“включено”), ему требуется время, равное длительности процесса перехода. На рисунке 2.54 показаны временные диаграммы изменения напряжения и тока в цифровом переключателе во время переходного процесса.

Как показано выше, когда транзистор в схеме транзисторного переключателя работает, он может находиться только в одном из двух режимов – режиме отсечки и режиме насыщения. Режим усиления в такой схеме является промежуточным. Чтобы надежно запереть транзистор, когда переключатель выключен, мы подаем на его вход некоторое отрицательное напряжение и_w = –U₂. На клемме эмиттера действует отрицательное напряжение и_BE = –U₂ + I_BER_бтранзистор заблокирован (в режиме отсечки) и на его коллекторе поддерживается максимально возможное напряжение и_KE = Е_п – I_BWCR_к.

Рис. 2.54 – Переходные процессы при переключении цифровых клавиш

Когда на вход переключателя подается положительное напряжение и_w = U₁ подается на вход переключателя, транзистор открыт. Уровень входного напряжения должен быть выбран таким образом, чтобы транзистор находился в насыщенном состоянии, когда он открыт.

Биполярный транзистор является инерционным устройством, поэтому переход транзисторного ключа из выключенного состояния во включенное и наоборот не является мгновенным. Положительное входное напряжение обеспечивает ток в базовой цепи, который

который открывает транзистор и переключает его из выключенного состояния в активное. Коллекторный ток транзистора начинает увеличиваться, достигая I_К = b_св.I_Bnas с постоянной времени t_э. Постоянная времени транзистора в цепи с общим эмиттером равна

где – постоянная времени коэффициента передачи базового тока;

– постоянная времени коэффициента передачи тока эмиттера;

f_a – предельная частота транзистора в схеме с общей базой (частота, при которой a = 0,707a_св.где а_св. – статический коэффициент передачи тока эмиттера при постоянном токе);

С_К – емкость коллекторного перехода;

R_к – сопротивление коллекторной нагрузки транзистора.

Инерционность транзистора обусловлена конечным временем диффузии небазовых носителей через базу и наличием емкости коллектора С_К и эмиттер С_Э перекресток. Ток коллектора увеличивается экспоненциально. При достижении этого значения ток коллектора еще больше увеличивается, и транзистор переходит из активного режима в насыщенный.

Одновременно с увеличением тока коллектора, напряжение и_KE от максимально возможного значения в режиме отсечки транзистора и_KEmax = = Е_п – I_BWCR_к до минимально возможного – в режиме насыщения и_KEmin = U_KEnas. Интервал времени, в течение которого напряжение на выходе переключателя изменяется от максимального уровня до минимального, называется время включения транзисторного переключателя. Время переключения может быть определено из приближенного уравнения

из которого следует, что длительность переходного процесса при включенном биполярном транзисторе зависит от скорости используемого транзистора и коэффициента насыщения S. В частности, чем выше ток базы, тем короче время включения.

Когда транзистор входит в состояние насыщения, коллекторный переход транзистора, который в активном режиме был поляризован в противоположном направлении, открывается. В результате в базе насыщенного транзистора начинается процесс накопления заряда, который длится некоторое время. После того как транзистор входит в состояние насыщения, напряжение на эмиттерном переходе немного уменьшается. и_BE (не показано на рис. 2.54).

После изменения входного напряжения z U₁ до -.U₂ транзистор закрывается не сразу. Из-за значительного накопления избыточного заряда небазовых носителей в базе транзистора, транзистор остается насыщенным и поэтому проводит ток в выходной цепи в первый раз после изменения входного напряжения. Блокирующий ток базы, индуцированный инверсным входным напряжением, начинает рассеивать избыточный заряд в базе транзистора. Степень насыщения транзистора постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению тока коллектора и последующему увеличению напряжения и_KE. Время поглощения t_р короче, тем дольше отрицательное входное напряжение создает блокирующий ток в базе и тем меньше насыщается транзистор при включении.

Таким образом, требования к выбору степени насыщения транзистора (коэффициент насыщения S) довольно противоречивы: для того, чтобы уменьшить время включения S желательно увеличить, а время десатурации уменьшить t_р и, следовательно, нерабочее время

где t_с – время отсечки импульса выходного напряжения, коэффициент насыщения S должны быть уменьшены.

Когда процесс рассеивания заряда базы завершен, транзистор переходит из режима насыщения в активный режим. Начинается формирование импульсной отсечки на выходе напряжения. Этот процесс сопровождается уменьшением тока коллектора до уровня отсечки и зарядом емкости коллекторного перехода С_К от источника питания через резистор R_к. Процесс уменьшения тока коллектора z I_Кнас на I_KBO происходит довольно быстро, особенно если ток блокировки базы велик. Продолжительность этого процесса составляет лишь малую часть времени отсечки импульса выходного напряжения. Продолжительность отсечения t_с определяется процессом зарядки конденсатора С_К, который продолжается даже после отключения коллекторного тока. Постоянная времени зарядной цепи с учетом зарядной емкости ключа составляет , где С_н – емкость нагрузки. Таким образом, ширина импульса выходного напряжения может быть определена из выражения

Из (2.114) следует, что уменьшение времени отсечки импульса выходного напряжения может быть достигнуто, прежде всего, за счет использования более высокочастотного транзистора (с меньшей емкостью С_К), а также за счет уменьшения сопротивления резистора R_кминимальное значение которого, в свою очередь, ограничено максимальным коллекторным током используемого транзистора.

Таким образом, в отличие от входного управляющего напряжения, выходное напряжение ключевого каскада имеет время фронта и отсечки, соответствующее t_{на стороне} и t_{z .}. Моменты переключения выходного напряжения не совпадают с моментами переключения входного напряжения. Выходное напряжение находится в фазе с входным напряжением (характеристики каскада op-amp).

В современной электронике существуют различные методы ускорения переключения транзисторов в транзисторном переключателе. На рисунке 2.55 показан пример двух схем, в которых время переключения уменьшено.

Рисунок 2.55 – Транзисторные ключи с уменьшенным временем переключения

На рисунке 2.55, а Показана схема транзисторного переключателя с повышающим конденсатором параллельно базовому резистору. Метод заряженного конденсатора основана на свойстве конденсатора сохранять напряжение, до которого он заряжен, неизменным в течение некоторого времени после переключения.

Когда в первый момент времени на вход переключателя подается положительное падение управляющего напряжения, реактивное сопротивление конденсатора равно нулю, и конденсатор блокирует резистор R_б а ток во входной цепи транзистора достигает максимального значения, определяемого выражением

По мере зарядки конденсатора С_ф ток в базовой цепи уменьшается и в конце входного импульса достигает значения

Таким образом, добавление повышающего конденсатора в схему С_ф увеличивает коэффициент насыщения и тем самым сокращает время включения.

Непосредственно перед выключением переключателя ток в цепи базы мал, а коэффициент насыщения транзистора низок. После изменения полярности управляющего сигнала, напряжение на конденсаторе, равное U₁ – U_BEnasдобавляется к отрицательному управляющему напряжению, тем самым увеличивая ток блокировки базы. Следовательно, время выключения выключателя также уменьшается.

Транзисторный переключатель с зарядным конденсатором может быть легко реализован из дискретных компонентов. Однако технологически проще сделать выключатель, интегрированный с диодом Шоттки (рис. 2.55, б). Такая схема называется Ключевой каскад с нелинейной цепью отрицательной обратной связи (или ненасыщенный ключ). Диод Шоттки имеет низкий порог срабатывания (около 0,25 В) и высокую скорость (время восстановления менее 0,1 нс), поэтому обратная связь срабатывает до того, как переключающий транзистор входит в состояние насыщения.

До тех пор, пока транзистор не близок к насыщению, диод ВД остается закрытым, и весь ток источника входного сигнала течет на базу транзистора, заставляя его быстро открываться. На границе между активным режимом и режимом насыщения напряжение и_CB приближается к нулю, и диод открывается. Тогда часть входного тока источника возвращается обратно в цепь диода, ток базы уменьшается, и транзистор не входит в состояние насыщения. Таким образом, благодаря использованию нелинейной обратной связи по напряжению в схеме, показанной на рисунке 2.55, бЭто предотвращает накопление избыточного заряда в основании.

В дополнение к преимуществам более короткого времени включения/выключения, ненасыщенный ключ имеет следующие недостатки:

– Более высокое напряжение на открытом ключе;

– Пониженная температурная стабильность.

2.11.2 Аналоговые клавиши

Давайте рассмотрим особенности аналоговые переключатели в транзисторах. Рисунок 2.56, а это схема простейшего аналогового переключателя на биполярном транзисторе с О-коммутацией, а на рис. 2.56 б – Выходные характеристики транзистора для прямого и обратного включения в области, близкой к исходной.

Рисунок 2.56 – Принципиальная схема аналогового переключателя (а) и выход

выходные характеристики транзистора (б)

С помощью и_w показан на рисунке 2.56, а обозначает входное напряжение, которое при наличии разрешающего управляющего сигнала и_{управляющий сигнал} (напряжение положительной полярности) подается на нагрузку R_н. Таким образом, напряжение и_вход может быть положительным или отрицательным. Если и_w > 0, рассматриваемый аналоговый переключатель работает так же, как и цифровая система переключателей с фиксированным напряжением, описанная ранее. Если и_w < 0, транзистор работает в обратном режиме.

Одним из недостатков биполярных транзисторов, используемых в аналоговых переключателях, является то, что выходная характеристика не проходит через начало координат. Следовательно, коллекторный ток транзистора i_K и напряжение нагрузки и_{за пределами} не должен быть равен нулю, когда и_w. = 0, но при определенном положительном входном напряжении Uкоторый обычно составляет 10. 100 мВ. Это напряжение называется остаток или напряжение смещения.

На практике, для того чтобы уменьшить U транзистор подключен таким образом, что эмиттер действует как эмиттер, а коллектор – как коллектор. На рисунке 2.57 показана ключевая схема для этого типа соединения транзисторов, иногда называемая по схеме с общим эмиттером, когда транзистор инвертировани соответствующая выходная характеристика транзистора.

Рисунок 2.57 – Схема переключателя с инвертированным включением транзисторов (а)

и характеристики выходного транзистора (б)

Из-за асимметрии структуры транзистора, разницы в концентрации примесей в различных областях транзистора, остаточное напряжение для обратного переключения U_{инверсия} обычно намного ниже, чем напряжение U. На практике U_inv может быть 1 . 5 мВ. Однако при использовании инверсного переключения следует помнить, что максимально допустимое напряжение на затворе эмиттерного перехода обычно намного ниже, чем соответствующее напряжение коллекторного перехода.

Цифровые и аналоговые переключатели на основе полевых транзисторов широко используются в бытовой электронике. Рассмотрим простую схему аналогового переключателя на основе МФЭТ с каналом р-типа канала (рис. 2.58).

Рисунок 2.58 – Аналоговый переключатель на полевом транзисторе.

Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания, т.е. к точке с наибольшим потенциалом, так что р–п-соединения между подложкой и истоком, подложкой и стоком не разомкнуты. При подаче отрицательного напряжения и ключ открыт и напряжение и_w.. Входное напряжение может быть положительным или отрицательным.

Вопросы для самопроверки

2.12.1 Что называется электронным усилителем?

2.12.2 Перечислите основные параметры усилителя. Определите их

2.12.3 Напишите выражение для комплексного коэффициента усиления по напряжению

2.12.4 Что такое амплитудно-частотная характеристика усилителя? Постройте типичную амплитудно-частотную характеристику усилителя переменного тока.

2.12.5 Что такое фазовая характеристика усилителя? Изобразите типичную частотную характеристику усилителя.

2.12.6 Что мы называем амплитудной характеристикой усилителя?

2.12.7 Что называется обратной связью, цепью обратной связи?

2.12.8 Классифицировать виды обратной связи?

2.12.9 Каково влияние различных типов обратной связи на производительность и работу усилителя?

2.12.10 Какой режим работы транзистора называется статическим, а какой – динамическим?

2.12.11 Что такое рабочая точка, начальная рабочая точка на CVC активного элемента?

2.12.12 Что такое линия нагрузки? Как нарисовать линию нагрузки постоянного тока, линию нагрузки переменного тока?

2.12.13 Объясните режимные характеристики транзисторов класса А А, В, AB.

2.12.14 Как выбрать положение начальной рабочей точки транзистора, работающего в классе А?

2.12.15 Как положение рабочей точки влияет на нелинейные искажения сигнала?

2.12.16 Как амплитуда входного сигнала влияет на нелинейные искажения сигнала на выходе усилителя?

2.12.17 Как емкости разделительных и блокировочных конденсаторов влияют на частотную характеристику усилителя?

2.12.18 Объясните работу схемы, укажите преимущества и недостатки, а также основные параметры SE-каскада.

2.12.19 Объясните работу схемы, укажите преимущества и недостатки, а также основные параметры лампового каскада.

2.12.20 Объясните работу схемы, укажите преимущества и недостатки, укажите основные параметры ступени OC.

2.12.21 Объясните преимущества и недостатки и укажите основные параметры каскада дифференциальных усилителей.

2.12.22 Объясните схему и функции конечного каскада с нажимным усилителем.

2.12.23 Объясните характеристики усилителей постоянного тока.

2.12.24 Объяснить назначение и характеристики цепей опорного напряжения и источников тока.

2.12.25 Объяснить устройство цифровых и аналоговых биполярных транзисторных переключателей.

Результаты измерений на дисплее отображаются для работающего мосфета. Неисправный будет иметь различные соединения, либо сломанные, либо пробитые.

Пример транзистора в ключевом режиме

Коэффициент усиления – одна из основных характеристик транзистора. Он показывает, во сколько раз ток, протекающий через канал эмиттер-коллектор, больше тока базы. Предположим, что этот фактор равен 100 (этот параметр называется h21E). Таким образом, если в цепь управления подается ток 1 мА (базовый ток), то на переходе коллектор-эмиттер он составит 100 мА. Поэтому происходит усиление входящего тока (сигнала).

Во время работы транзистор нагревается, поэтому ему требуется пассивное или активное охлаждение – теплоотводы и радиаторы. Но нагрев происходит только тогда, когда переход коллектор-эмиттер не полностью открыт. В этом случае рассеивается много энергии – ее нужно куда-то девать, приходится “жертвовать” эффективностью и выделять ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только тогда, когда транзистор закрыт или полностью открыт.

Пусть транзистор нагружен обмоткой реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого составляет 400 Ом при номинальном напряжении 12 В. Игнорируя индуктивность катушки реле, пусть разработчики предусмотрели снаббер для защиты от переходных перенапряжений, мы рассчитываем, что реле будет включено один раз и на очень долгое время. Используйте формулу для тока коллектора:

Заключение

И, наконец, о названии “электронные ключи”. Идея заключается в том, что состояние изменяется под действием тока. И что это такое? Правильно, коллекция электронных зарядов. Отсюда и происходит второе название. Вот, в принципе, и все. Как видите, принцип работы и схема транзисторных переключателей несложные, поэтому разобраться в них несложно. Следует отметить, что даже автору этой статьи пришлось воспользоваться некоторыми справочниками, чтобы освежить свою память. Если у вас возникли вопросы по терминологии, советую вспомнить технические словари и поискать там новую информацию о транзисторных переключателях.

Читайте далее: