Транзистор в ключевом режиме представляет собой бесконтактный электронный выключатель, основными режимами работы которого являются разомкнутое состояние (транзистор закрыт) и замкнутое состояние (транзистор полностью открыт). Использование такого режима работы транзисторов может применяться в цифровой технике, когда двум состояниям выходного напряжения ключа соответствуют два значения логической переменной, или в энергетической электронике, когда коммутация ключа регулирует поток энергии от источника к нагрузке путем изменения соотношения между длительностями открытого и закрытого состояний ключа.
Рассмотрим ключевой режим работы биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.
На области выходных характеристик транзистора построим линию нагрузки согласно уравнению UКЭ=ЕК—IК∙R К по двум точкам пересечения с осями координат
A[0;E_K/R_K] и B[E_K;0]
Учитывая, что основными состояниями транзистора, работающего в ключевом режиме, являются отсечка и насыщение, на семействе выходных характеристик пересечению границ перехода в эти режимы с нагрузочной прямой соответствуют точки:
A’ \left[U_{КЭ}^{нас};\displaystyle\frac{E_K-U_{КЭ}^{нас}}{R_K}\right]
B’\left [E_K-I_{K0}\cdot R_K;I_{K0}\right ]
Для обеспечения заданных режимов работы транзистора необходимо формирование входного сигнала, обеспечивающего соответствующее состояние.
- Разомкнутое состояние ключа (транзистор закрыт, режим отсечки, точка В на графике).
Ток эмиттера близок к нулю, по цепи коллектор-база протекает обратный ток коллекторного перехода: I_Э\approx 0, I_K=I_{K0}, I_Б=-I_{K0}
U_{ВХ}=-I_{K0}\cdot R_Б+U_{БЭ}, U_{БЭ}=0 \Rightarrow U_{ВХ}\le -I_{K0}\cdot R_Б.
Учитывая, что неуправляемый коллекторный ток IК0 сильно зависит от температуры, условие закрывания транзистора должно быть обеспечено при максимальной температуре работы транзисторного ключа.
- Замкнутое состояние ключа (транзистор открыт и насыщен).
Условие насыщения транзистора: I_K\lt \beta\cdot I_Б.
I_K^{max}=\displaystyle\frac{E_K}{R_K} \Rightarrow I_Б^г=\displaystyle\frac{E_K}{\beta\cdot R_K} ,
I_Б=S\cdot I_Б^г; S=1,2 \div 3 \Rightarrow U_{ВХ}\ge U_{БЭ}+\displaystyle\frac{E_K\cdot R_Б}{\beta\cdot R_K}\cdot S.
Здесь S – степень насыщения транзистора.
Учитывая, что входное напряжение транзистора зависит от температуры (с уменьшением температуры входное напряжение повышается) и коэффициент b зависит от температуры (увеличивается с ростом температуры), входное напряжение должно быть рассчитано из условия обеспечения насыщения транзистора при минимально допустимой температуре работы ключа.
Динамические характеристики работы транзисторного ключа
Динамические характеристики имеют очень важное значение при проектировании транзисторных ключей, поскольку определяют их производительность (допустимое количество коммутаций в единицу времени), что имеет важное значение и в информационном, и в энергетическом аспектах. Повышение быстродействия ключей увеличивает эффективность ключевых схем и является актуальной схемотехнической задачей. В целом, динамические характеристики базируются на анализе динамики переходных процессов.
Скачкообразное изменение входного напряжения с уровня закрытого состояния на уровень открытого в момент времени t0 приводит к скачкообразному изменению базового тока транзистора. Постоянная времени работы базовой цепи во много раз меньше постоянной времени работы коллекторной цепи, поскольку в коллекторной цепи ёмкость коллекторного перехода шунтируется динамическим сопротивлением его обратного смещения, а в базовой цепи входная ёмкость шунтируется динамическим сопротивлением прямого смещения эмиттерного перехода.
Учитывая, что во временной области, инерционные свойства транзистора описываются в схеме с общим эмиттером зависимостью
\beta (t)=\beta (0)\cdot (1-e^{-\frac{t}{\tau_\beta}}),
где \tau_\beta = \displaystyle\frac{1}{\omega_\beta}=\displaystyle\frac{1}{2\cdot\pi\cdot f_\beta} — постоянная времени коллекторной цепи.
Коллекторный ток начинает расти по экспоненциальному закону. В момент времени t1 рост коллекторного тока прекращается, поскольку он достигает своего граничного значения EK/RK, и транзистор попадает в насыщенный режим работы. Рост тока сопровождается уменьшением выходного напряжения транзистора до уровня UКЭнас за счет увеличения падения напряжения на RK.
Интервал времени t0 — t1 называется интервалом времени переднего фронта. Учитывая, что IБ есть:
I_Б=S\cdot I_Б^Г =S\cdot\displaystyle\frac{E_K}{\beta\cdot R_K},
определим длительность интервала t0 — t1 , перенеся точку отсчета времени в момент времени t0 .
S\cdot\displaystyle\frac{E_K}{\beta\cdot R_K}\cdot\beta\cdot\left (1-e^{-\displaystyle\frac{t_1}{\tau_\beta}}\right )=\displaystyle\frac{E_K}{R_K}
S-S\cdot e^{-\displaystyle\frac{t_1}{\tau_\beta}}=1
e^{-\displaystyle\frac{t_1}{\tau_\beta}}=\displaystyle\frac{S-1}{S}
t_1=\tau_\beta\cdot ln\displaystyle\frac S {S-1}
Таким образом, длительность переднего фронта сокращается по мере увеличения степени насыщения транзистора (S/(S-1)→1⇒ln(S/(S-1)→0.
В момент времени t2 входное напряжение меняет полярность с отпирающего на запирающее, при этом начинается формирование обратного фронта выходного импульса.
Следует помнить, что в насыщенном транзисторе избыточный ток базы (больше граничного) формирует в базовой области транзистора избыточную концентрацию неосновных носителей, инжектированных эмиттерным переходом, поэтому, смена полярности управляющего напряжения не приводит к мгновенному прекращению тока базы.
С момента времени t2 начинается процесс «рассасывания» избыточной концентрации неосновных носителей токами базы и коллектора биполярного транзистора. На временных диаграммах интервал рассасывания отображается неизменностью выходных тока и напряжения и значительным всплеском обратного тока базы, эквивалентным разряду инжекционной ёмкости транзистора.
Длительность интервала рассасывания можно определить по анализу кривой «кажущегося» тока коллектора i_к^{каж}. Под кажущимся понимается ток, который протекал бы в коллекторном электроде при нулевой нагрузке (в ненасыщенном режиме).
Как правило, кажущийся ток в s раз превышает своё граничное значение.
i_к^{каж}(t_2)=\beta\cdot I_Б^{отп}=S\cdot\displaystyle\frac{E_K}{R_K}
S\cdot\displaystyle\frac{E_K}{R_K}\cdot e^{-\displaystyle\frac{t_3-t_2}{\tau_\beta}}=\displaystyle\frac{E_K}{R_K}
t_p=t_3-t_2
S\cdot e^{-\frac{t_p}{\tau_\beta}}=1
e^{\frac{t_p}{\tau_\beta}}=S
t_{Ф2}\approx\tau_\beta
t_p=\tau_\beta\cdot ln S
t_{Ф1}=\tau_\beta\cdot ln\displaystyle\frac S {S-1}
Исходя из полученной длительности временных интервалов можно сформулировать ограничения на допустимую частоту коммутационных импульсов:
f\lt\displaystyle\frac 1 {t_{Ф1}+t_p+t_{Ф2}}
Исследование динамических характеристик ключа с помощью моделирования в программе LTspice приведено на рисунках. Здесь Pk – мгновенная мощность, рассеиваемая на ключевом транзисторе, 1 ВТ соответствует 1 В сигнала на графике модели.
