Повышение быстродействия является актуальной задачей, как для информационного, так и для энергетического аспектов применения ключа. Схемотехнически существует несколько вариантов улучшения этой характеристики.
Следует отметить, что базовым механизмом увеличения производительности ключа на биполярном транзисторе следует считать принудительное формирование управляющего тока базы, обеспечивающего разную степень насыщения транзистора в начале и в конце коммутационного интервала.
Так для уменьшения длительности фронта степень насыщения желательно повысить, а для уменьшения длительности рассасывания и заднего фронта степень насыщения желательно уменьшить. Наиболее эффективно эту задачу решает схема транзисторного ключа с ускоряющей ёмкостью.
Реализация схемы отличается последовательным секционированием базового резистора и установка параллельно одной из его секций ускоряющего конденсатора.
Выбор номиналов резисторов базовой цепи производится с одной стороны с точки зрения обеспечения насыщения транзистора при минимальных номиналах ускоряющей емкости, с другой стороны – степень ускорения переходных процессов определяется соотношением номиналов резисторов базовой цепи.
I_K^{max}=\displaystyle\frac{E_K}{R_K} \Rightarrow I_Б^г=\displaystyle\frac{E_K}{\beta\cdot R_K}
I_Б^{min}\approx I_Б^г \Rightarrow U_{ВХ}\ge U_{БЭ}+\displaystyle\frac{E_K\cdot(R_Б ’+R_Б ’ ’)}{\beta\cdot R_K}
R_Б ’\ll R_Б ’ ’ .
Чтобы переходные процессы в ускоряющей цепи гарантировано закончились за время коммутационного импульса, необходимо обеспечить 3\cdot C\cdot R_Б ’ ’ \lt t_И .
Наличие ускоряющей ёмкости в базовой цепи обуславливает дифференцирующий характер её работы, т. е. в моменты резкого изменения входного сигнала в цепи наблюдается всплески, обусловленные перезарядкой конденсатора.
Наличие всплеска базового тока в момент переключения входного напряжения с запирающего на открывающее, с одной стороны, предопределяет большую степень насыщения транзистора, и, следовательно, малую длительность переднего фронта, с другой стороны, форма кажущегося тока коллектора, определяемая взаимодействием двух экспонент, приобретает экстремальный вид. Уменьшение базового тока в течение коммутационного интервала, и, следовательно, снижение степени насыщения транзистора обуславливает короткое время рассасывания, которое в свою очередь формируется импульсом тока базы ускоряющего конденсатора. Максимальное и минимальное значения базового тока определяются приведенными выше соотношениями. Ёмкость ускоряющего конденсатора выбирается из условия обеспечения экстремальности функции кажущегося тока коллектора и обычно составляет от 100 до 1000 пФ.
Применение ускоряющего конденсатора позволяет примерно на порядок сократить длительность переходных процессов коммутаций ключа. Исследование динамических характеристик ключа приведено с использованием модели LTspice.
Здесь Pk – мгновенная мощность, рассеиваемая на ключевом транзисторе, 1 ВТ соответствует 1 В сигнала на графике модели.
Ненасыщенный ключ с диодной обратной связью реализуется на основе типовой схемы ключа с секционированным базовым резистором и диода, включённым между входной и выходной цепями. Механизм работы схемы заключается в том, что при закрывающем напряжении на входе ключа диод работает в режиме обратного смещения и на работу ключа влияния не оказывает, но при подаче открывающего потенциала выходное напряжение транзистора начинает стремительно уменьшаться, при этом потенциал анода диода становится больше потенциала катода и диод открывается. Часть тока входного источника при этом замыкается через открывшийся диод и выходную цепь транзистора, а в базу транзистора втекает лишь ток, необходимый для поддержания транзистора, работающем в активном режиме на границе насыщения (на уровне граничного тока базы).
В течение коммутационного интервала транзистор работает в ненасыщенном режиме интервал рассасывания физически отсутствует, поскольку в базовой области отсутствует избыточная концентрация неосновных носителей.. Поэтому с момента перевода полярности управляющего напряжения (с открытого на закрытое) начинается формирование заднего фронта.
Сравнивая две схемы увеличения производительности транзисторного ключа можно сделать выводы:
1) Схему ключа с ускоряющей ёмкостью целесообразнее применять в силовых электронных схемах (в энергетическом аспекте), поскольку обладая меньшим остаточным падением напряжения, она позволяет достичь более высоких значений КПД.
2) Схему ненасыщенного ключа целесообразнее использовать в информационной электронике, где предварительно не определена тактовая частота изменения входного сигнала.
3) Использование в ненасыщенным ключе в качестве диода обратной связи диода Шоттки с малым прямым падением напряжения позволяет исключить в схеме секцию резистора , а полученный новый полупроводниковый прибор (биполярный транзистор с диодом Шоттки) получим название транзистора Шоттки и является основной элементной базой большинства современных цифровых интегральных схем.
Моделирование динамических характеристик ключей с обычным диодом и диодом Шоттки приведено соответствующими схемами LTspice на рисунках.
Здесь Pk – мгновенная мощность, рассеиваемая на ключевом транзисторе, 1 ВТ соответствует 1 В сигнала на графике модели.
