Тема 3. Транзисторные ключи

Цель занятия: Расчет статического и динамического режима работы ключа

Транзисторный ключ – это схема коммутатора, служащая для замыкания и размыкания цепи с нагрузкой под действием логического сигнала управления.

Современная импульсная и цифровая техника основана на работе транзисторов (VT) в ключевом режиме. Большинство ключей строят по схеме включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ). В цифровых схемах наиболее часто применяют ключи на транзисторах (VT_Si) n-р-n-типа. При этом, все рассуждения и расчеты справедливы также для ключей на (VT_Ge) р-n-p-типа; необходимо только учитывать изменение полярности напряжения ЭДС и направление токов.

3.1. Статический режим. Схема ключа на транзисторе n-p-n-типа (рис. 3.1,а).

Рис. 3.1. а) Схема ключа;

б) Вольтамперная характеристика (ВАХ) режима работы транзистора.

Нагрузочная прямая А-Б по постоянному току описывается уравнением (рис. 3.1,б):

U_КЭ = Е_К –(I_К∙R_К) (3.1)

и строится так же, как для усилительного каскада.

Точки пересе­чения нагрузочной прямой с ВАХ транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

В схеме ключа транзистор может находиться (работать) только в одном из 2-х режимов (состояний): либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Режим отсечки (запирание) осуществляют по­дачей на вход схемы напряжения

U_ВХ. = U_Б.Э ≤ 0.

Под действием U_ВХ.= U_БЭ ≤ 0 эмиттерный переход транзистора закрыт и его ток I_Э = 0, т.к. сопротивление перехода r_КЭ → ∞. Вместе с тем, через резистор R_Б протекает обратный (тепловой) ток коллек­торного перехода I_КБ.о. Режиму отсечки транзистора со­ответствует участок от точки А до точки 1 на рис. 3.1,б.

Типовые значения U_БЭ для закрытого транзистора Si и Ge (n-p-n и p-n-p типов):

для VT_Si: U_Б.Э ≈ 0. для VT_Ge: U_БЭ = + 0,5...1 В; (3.2)

Из выр. (3.2) условие запирания транзистора можно записать в виде:

U_{ВХ.ЗАП(Si)} > I_КБ.о∙R_Б + (U_БЭ = 0); U_{ВХ.ЗАП(Ge)} ≥ I_КБ.о∙R_Б + (U_БЭ = +0,5…1 B) (3.3)

Режим открытого состояния обеспечивается подачей U_ВХ = U_БЭ.Si ≥1В. Открытое (активное и насыщенное) состояние транзистора соответствует точкам (2 и 3) на на­грузочной прямой (рис. 3.1,б). В этом состоянии через VT и резистор R_К, согласно (3.1), протекает ток I_КН насыще­ния коллектора

I_К = I_КН = (E_К – ΔU_КЭ)/R_К = (E_К - U_Остат.)/R_К (3.4)

где ΔU_КЭ=U_ОСТ =(0,1...1)В – остаточное напряжение на открытом переходе VT.

Ввиду относительно малого значения ΔU_КЭ по сравнению с напряжением Е_К расчет тока I_КН открытого транзистора проводят по формуле

I_КН ≈ E_К/R_К. (3.5)

I_Б = I_К/β = (E_К/R_К)·β (3.6)

Очевидно, наихудшим для условия (3.6) будет соче­тание, когда Е_К → Е_К.Мах., а R_К и β – минимальны. Тогда условие (3.6) будет иметь вид:

I_Б  (Е_К.Мах/R_К.Мин.)/β_Мин.. (3.7)

Если условие (3.7) не выполняется, т.е. I_Б < I_БН, то транзистор находится в активном режиме (например, точка 2 на участке между точками 3 и 1 - рис. 2.1,б).

Условие насыщения транзистора примет вид:

I_Б  I_БН = I_КН/β. (3.8)

Степень насыщения характеризует коэффициент на­сыщения S, показывающий, во сколько раз ток базы I_Б должен превышать ток базы насыщения

I_Б = S·I_БН = S·(E_К/R_К)·β (3.9)

Коэффициент насыщения S характеризует запас на­дежного отпирания транзистора при воздействии помех, и может составлять:

S = Y_21Э = h_21Э/h_11Э = (1,2÷2). (3.10)