4.2.Статический режим работы транзисторного ключа

Под статическим режимом транзисторного ключа подразумевают два устойчивых его состояния – состояние выключено и – состояние включено. Состояние выключено – транзистор закрыт. При этом оба перехода транзистора база–эмиттер и база–коллектор смещены в обратном направлении. Состояние включено – транзистор открыт, его оба перехода либо смещены в прямом направлении (у насыщенных ключей), либо переход база–эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база–коллектор имеет небольшое обратное смещение. В ключевом режиме используется также инверсный режим работы транзистора, в котором переход коллектор база смещен в прямом направлении, а переход база–эмиттер в обратном. Инверсный режим позволяет получить меньшее остаточное напряжение. При анализе работы транзисторного ключа обычно положительными считают направления токов I_э, I_к и I_б открытого транзистора или перехода.

Как известно, связь между напряжениями на эмиттерном и коллекторном переходе (U_э и U_к) с токами I_э, I_к и I_б выражается с помощью уравнений Эберса-Молла:

Эти уравнения описывают три области работы транзисторов: область отсечки, активную область и область насыщения. Рассмотрим семейство выходных ВАХ транзистора (рис. 3) с построенной линией нагрузки. Точка 2 (т.е. точки пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей значению I_б = 0) соответствует закрытому состоянию транзистора. В этой точке коллекторный ток минимальный и определяется тепловым током I_ко. В цепи коллектора закрытого транзистора также протекает малый ток и в первом приближении можно считать, что Е_к ≈ U_к.

Знак (+) в уравнении Эберса-Молла соответствует отпирающей полярности напряжений на переходах. Поскольку в области отсечки напряжение на переходах имеет запирающую полярность, то напряжения U_э и U_к необходимо брать со знаком минус.

Рис. 4.3. Области работы транзисторного ключа

При выполнении условий │U_к│3 φ_Т, и │U_э│3 φ_Т режим работы транзистора называют режимом глубокой отсечки. В этом случае в цепи коллектора протекает минимально возможный ток, близкий к току I_ко

Так как рассматриваемый транзистор включен по схеме ОЭ, то целесообразно вместо коэффициентов _n, _I ввести прямой и инверсный коэффициенты передачи базового тока

_n = _n/(1 +_n ), _I = _I/(1 + _I ).

Кроме того, желательно также исключить ток I_эо, используя для этого следующее выражение

I_эо_n = I_ко_I.

Если при этом учесть, что _n ≈ 1, тогда как _I <<1, то можно cчитать, что

_n_I = _I и _n  _I.

Окончательно получаем:

I_э ≈ - I_ко _I / _n, I_к ≈ I_ко, I_б ≈ -I_ко(1 + _I/_n).

Приведенные значения токов соответствуют предельным значениям в режиме глубокой отсечки. В этих выражениях: I_ко – ток коллектора закрытого транзистора, _n – коэффициент усиления по току в схеме ОЭ при нормальном ключении транзистора, _I – значение  при инверсном включении транзистора. Из приведенных выражений следует, что I_б  I_к  I_э.

Для обеспечения положения рабочей точки на линии нагрузки в температурном диапазоне, т.е. для стабильной работы схемы необходимо выполнять следующие условия:

При наличии источника смещения выбирать значение R_б  E_б / I_ко.

При отсутствии источника смещения обеспечивать R_б  r_б.

В обоих случаях выбирать R_к  E_к/I_ко.

Расчетной величиной тока I_ко должно быть его наибольшее значение, определяемое максимальной температурой.

Таким образом, все токи транзистора в закрытом состоянии определяются тепловым током коллекторного перехода I_ко. Последний, в свою очередь, сильно зависит от температуры. Следовательно, в режиме отсечки все токи транзистора являются функцией температуры.

В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный — в прямом. Для работы транзисторного ключа в активной области характерна прямая пропорциональность между приращениями I_к и I_э в схеме ОБ или приращениями I_к и I_б в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ из уравнений Эберса-Молла следует, что I_к = I_эо + I_ко, а для схемы ОЭ I_к=I_б + I_ко(1+ ), (=_n).

Такая пропорциональность будет до тех пор, пока напряжение на коллекторе транзистора, равное Е_к – I_к R_к не станет близким к нулю, т.е. пока транзистор не перейдет в режим насыщения.

Режим насыщения характеризуется малым остаточным напряжением на переходах транзистора, а токи транзистора определяются уже параметрами схемы

I_б = (Е_б – U_бэ)/ R_б ≈ Е_б/R_б, I_к = (Е_к –U_кэ)/R_к ≈ Е_к/R_к.

Одним из основных параметров насыщенного ключа является остаточное напряжение. Анализ показывает, что

U_{кэ min}^N ≈ φ_Т/_I U_{кэ min}^I ≈ φ_Т/_N.

Если же учесть объемные сопротивления эмиттерной и коллекторной цепи, то

U_{кэ min}^N ≈ φ_Т/ _I + I_б r′_э +I_кr′_к, U_{кэ min}^I ≈ φ_Т/ _N + I_бr′_к +I_эr′_э.

Последнее выражение показывает, что остаточные напряжения U_кэ^N и U_кэ^I зависят от токов базы и коллектора. На рис. 4 приведена характерная зависимость остаточного напряжения на коллекторе сплавного транзистора от величины базового тока.

Рис. 4.4. Зависимость остаточного напряжения транзисторного ключа от величины тока I_б

Заметим, что U_{кэ min} для германиевых и кремниевых транзисторов невелико и составляет величину в пределах 0,2 ÷ 0,5 В. Из приведенной зависимости следует, что нет смысла увеличивать величину базового тока более чем в 2÷3 раза по сравнению с его граничным значением.

Обратимся вновь к семейству выходных характеристик транзистора (рис. 4.3) с построенной линией нагрузки. Точка 1 соответствует границе режима насыщения. При дальнейшем увеличении базового тока коллекторный ток остается практически неизменным.

Таким образом, режим насыщения можно определить следующим образом: I_б  I_бн, где I_бн базовый ток на границе режима насыщения, или

I_б  I_кн /  ≈ Е_к / R_к,

где I_кн – коллекторный ток в режиме насыщения.

Чем на большую величину базовый ток превышает значение I_бн, тем в более глубоком насыщении находится транзистор. Количественно глубину насыщения оценивают степенью насыщения

N = (I_б – I_бн) / I_бн.

В свою очередь, ток I_бн = I_кн / . От степени насыщения зависит остаточное напряжение. При N 2÷3 напряжение U_кэ изменяется незначительно, и вводить транзистор в более глубокое насыщение не имеет смысла.

Из рассмотренного анализа статического режима можно установить, что напряжения между электродами открытого транзистора малы по сравнению с источником питания и для маломощных транзисторов составляет величину доли вольта. При выполнении неравенства Е_б  U_бэ, Е_к  U_кэ токи открытого транзистора определяются внешними параметрами схемы – величиной напряжения Е_к и сопротивления R_к.

Ключи на биполярных транзисторах можно характеризовать рядом входных и выходных параметров. К входным параметрам относятся:

• входной ток закрытого ключа,

• входное напряжение, обеспечивающее надежное запирание ключа,

• входное сопротивление. Если на входе режим генератора тока, то входное сопротивление определяется внешним резистором и не зависит от транзистора.

К выходным параметрам ключа относятся:

• выходное сопротивление ( у закрытого транзистора оно равно R_к, а у открытого R_вых=U_кэост/I_кн.),

• максимальный ток открытого ключа, равный току I_кн,

• U_{кэ min},

• Напряжение на коллекторе закрытого транзистора

• Коэффициент использования напряжения

• К = (U_{к закр} – U_{к откр}) / Е_к = 1– (U_{кэ откр} + I_ко R_к) / Е_к.

• Этот параметр позволяет сравнивать ключи на различных усилительных элементах.