Очень часто при построении ключевых схем необходимо учитывать, что нагрузка помимо активной составляющей может содержать реактивную (индуктивную) составляющую, обусловленную наличием обмотки или длинных проводов соединительной линии.
Наличие индуктивной составляющей в сопротивлении нагрузки кардинально изменяет характер работы ключа. Так, при работе с идеальной индуктивностью (L=const., L\ne f(I), r_L\rightarrow 0) , в момент перехода входного напряжения с запирающего уровня на открывающий, ток коллектора транзистора, равный току индуктивности мгновенно измениться не может. Ключевой транзистор сразу попадает в режим глубокого насыщения, поскольку β∙IБ > IK. Напряжение на насыщенном транзисторе близко к нулю, напряжение питающего источника – постоянно, тогда ток индуктивной нагрузки будет изменяться по линейному закону.
U_L=E_K=L\displaystyle\frac{dI_L}{dt} \Rightarrow dI_L=\displaystyle\frac{E_K}{L}dt \Rightarrow i_L(t)=\displaystyle\frac{E_K}{L}\cdot t +I_L(0).
Поскольку в начальный момент коммутации ток индуктивности мал – степень насыщения транзистора очень высока и, следовательно, длительность переднего фронта выходного импульса стремится к нулю. Увеличение протекающего через индуктивность нагрузки тока увеличивает запасенную в ней реактивную энергию L∙I2/2. Особенность индуктивной нагрузки заключается в том, что в схеме ключа необходимо предусмотреть цепь рекуперации реактивной энергии, накопленной в индуктивности.
Как правило, такая цепь имеет вид резистивно — диодной цепочки, которая называется цепью защиты и включается параллельно индуктивности нагрузки. Направление включения диода цепи позволяет осуществить замыкание тока индуктивности через защитный резистор RЗ при отключении ключа. Благодаря наличию диода VD цепь не оказывает влияния на процесс схемы в период открытого состояния ключа (защитный диод закрыт) и обеспечивает контур замыкания тока индуктивности при закрытом ключе. Номинал защитного сопротивления определяет амплитуду выброса коллекторного напряжения и постоянную времени его спадания.
Увеличение номинала защитного резистора приводит к увеличению амплитуды выброса напряжения в выходной цепи ключа и сокращению его длительности.
Можно показать, что площадь под кривой выброса не зависит от номинала защитного резистора, а зависит от величины энергии в индуктивности, накопленной к моменту запирания ключа.
Если за время действия входного импульса ток коллектора не достигает величины β∙IБ, то транзистор остается насыщенным до конца действия входного импульса.
В момент окончания входного импульса t1 транзистор закрывается, токи базы и коллектора падают до нуля.
Работа ключа иллюстрируется моделированием в программе LTspice
На графиках приведены входное напряжение, ток базы транзистора, ток коллектора, ток диода защитной цепи, напряжение на выходе ключа, а также мощность, рассеиваемая на транзисторе в процессе коммутации.
На графике мощности рассеяния 1 В сигнала соответствует 1 Вт мощности.
Влияние номинала защитного резистора на параметры выброса также может быть проанализировано с применением модели LTspice.
Если за время действия входного импульса ток коллектора достигает величины β∙IБ, то в момент времени рост тока коллектора прекращается. Транзистор при этом выходит из насыщения и переходит в активный режим работы, что сопровождается установлением выходного напряжения транзистора на уровне напряжения питающего источника (при условии, что активное сопротивление индуктивности стремится к нулю). Резко возрастает мощность, рассеиваемая на транзисторе, что может привести к выходу ключа из строя.
Такой режим работы ключа крайне нежелателен, поэтому длительность открывающего импульса должна выбираться с учетом инерционных свойств нагрузки.
Работа ключа с выходом транзистора из режима насыщения иллюстрируется моделью LTspice.
