2.Расчётная часть
2.1 Расчет ключа. Транзисторные ключи
Ключ коммутирует (включает и выключает) участки электрической цепи. Его действие основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выключенном — весьма большим сопротивлением.
В отличие от усилительных схем транзистор ключа работает в нелинейном режиме: с некоторых значений базового напряжения us ток его коллектора перестает изменяться вслед за ив.
Ключ устанавливается последовательно с коммутируемым участком цепи (нагрузкой) или параллельно ему.
На рис. а изображена схема параллельного ключа. Когда под действием управляющего напряжения Uупр транзистор заперт (выключен), нагрузка RK через резистор RK подключена к источнику питания Ек. Если управляющим напряжением обеспечивается насыщение (включение) транзистора, нагрузка оказывается зашунтированной его незначительным сопротивлением и напряжение на ней близко к нулю.
На рис., б приведена схема последовательного ключа. При включенном транзисторе нагрузка Ия подключается к напряжению и„, при выключенном — эта связь обрывается. Данный ключ нормально работает при U,х>0.
Ключевые свойства транзистора не являются идеальными (Rвкл≠ 0,Rвыжл≠ ∞). Поэтому для повышения эффективности коммутации ее иногда осуществляют одновременно последовательным и параллельным ключами. При этом для подключения нагрузки транзистор последовательного ключа включается, а транзистор параллельного ключа выключается.
Для отключения нагрузки состояния транзисторов изменяются на противоположные.
Основными параметрами транзисторного ключа являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение на ключе и быстродействие, определяемое временем переключения.
Ключи используются не только по прямому назначению, но и входят в основные цифровые элементы и импульсные устройства.
Ключи на биполярных транзисторах. В ключевом каскаде транзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером. Именно этот вариант имеется в виду при рассмотрении стационарных и переходных режимов ключей на биполярных транзисторах.
Стационарные состояния ключа. Ключевой каскад (рис., а) может находиться в одном из двух стационарных состоя-
ний: во включенном (транзистор насыщен) и в выключенном (транзистор заперт).
Режим
насыщения возникает
при положительном управляющем
напряжении, если создаваемый им базовый
ток IБ
удовлетворяет условию
где β — коэффициент усиления базового тока; IКн — ток насыщения коллектора.
При насыщении транзистора IK = IKnxEK/RK, иКи — Ек-ImRK~≈ 0.
Режим отсечки (транзистор заперт) возникает при отрицательном управляющем напряжении, если оно обеспечивает запирание эмиттерного перехода (Uбэ≤О). Так как в рассматриваемом режиме в цепи базы проходит вытекающий из нее обратный ток коллекторного перехода (7К0), то указанное условие запишем в виде
— Uyпp +I k0max Rб ≤0,
где Uyпp — абсолютное значение отрицательного управляющего напряжения; Ik0max — значение обратного тока при максимальной рабочей температуре.
В режиме отсечки Iк = IКо ≈ 0, ик = Ек-IK0RK~EK.
Переходные процессы в ключе. Так как транзистор является инерционным прибором, то переход ключа из одного стационарного состояния в другое происходит не мгновенно даже при бесконечно крутых перепадах входного напряжения.
Процесс перехода ключа из выключенного состояния во включенное имеет две стадии: задержку и фронт включения. Задержка включения Tэвкл обусловлена наличием входной емкости Си транзистора, заряжающейся через резистор ЛБ, благодаря чему напряжение на эмиттерном переходе запаздывает относительно входного напряжения. Длительность фронта включения tфвкл зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору, значения коллекторной емкости и уменьшается с увеличением базового тока включения транзистора.
Процесс перехода ключа из включенного состояния в выключенное содержит стадии задержки и фронта выключения. Задержка выключения связана с тем, что под действием выключающего сигнала происходит рассасывание заряда, накопившегося в базе при насыщении транзистора. Длительность рассасывания увеличивается с повышением степени насыщения транзистора и уменьшается с увеличением базового тока выключения. Длительность фронта выключения tфвых зависит от тех же факторов, что и длительность фронта включения, и уменьшается с увеличением базового тока выключения.
Определим продолжительность стадий переключения транзисторного ключа, если Еk=9В, Rk= 5,1 kOм, Rб=27 кОм, Um=1В, τβ = 100 нс, β= 50 , Ск= 7пФ, Сэ= 5пФ, Uпор=0
1.Задержка включения транзистора при Uпор=0
tэ вкл = 0,7 τвх=0,7 (Ск+Сэ)RБ = 0,7 * 12 * 10-12 *27 * 10 3 =226,8 * 10 -9 нс
2. Для определения длительности фронта включения находим эквивалентную постоянную транзистора
τЭК = τβ + RкСк (β+1) = 100 * 10 -9 + 5,1 * 10 3 * 7 * 10-12 * 51 = 1920,7 * 10 -9 нс
и степень насыщения
IKн = Ек/Rк = 9/ 5,1 * 10-3 = 1,76 * 10-3 мA
I+Б = IБ -= ׀Um ׀/ RБ = 1/(27 * 10 3) = 0,037 * 10 3 мА
S = I+Б β/IKн = 0,037 * 10 -3 * 50 / (1,76 * 10-3) = 1,05
Так как S > 1, то
τ Ф вкл = τЭК/S = 1920,7 * 10 -9/ 1,05 = 1829,23 * 10 -9 нс
Общее время включения транзистора
t вкл = t З вкл + t Ф вкл = 226,8 * 10 -9 +1829,23 * 10 -9 = 2056,03 * 10 -9 нс
3. Задержка выключения
t З вык =2,3 τЭК lg(β (I-Б + I+Б)/ β IБ + IKн) =
=2,3* 1920,7* 10 -9 lg (50(0,037*10-3+0,037*10-3) / 50*0,037*10-3 +1,76 *10-3)=
= 38 * 10 -9 нс
4. Длительность фронта выключения
t Ф вых = 2,3 τЭК lg(IKн + β IБ / β IБ ) =
=2,3*1920,7 * 10 9lg(1,76 * 10-3+50*0,037 * 10 -3/ 50*0,037 * 10 -3)=
=1280,64* 10 -9 нс
Общее время выключения транзистора
t вык = t З вык + t Ф вык =38 * 10 -9 + 1280,64 * 10 -9 =1318,64 * 10 -9 нс
