Статический режим работы простейшего биполярного ключа

На рисунке 22.1 показана схеме простейшего транзисторного ключа.

(Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи).

Транзистор (npn типа) включен по схеме с общим эмиттером. Управляемой является коллекторная цепь с источником питания Ен и нагрузкой в виде резистора Rн. В управляющей (базовой) цепи включен источник управляющего напряжения Еб и последовательное сопротивление Rб.

Рисунок 22.1 - Простейший транзисторный ключ на npn транзисторе

Если напряжение Е_б имеет отрицательную полярность, то эмиттерный переход смещён в обратном направлении, транзистор заперт и остаточный ток в цепи нагрузки очень мал. Соответственно напряжение U_кэ на ключе близко к Е_к.

Если напряжение Е_б имеет положительную полярность и достаточно велико, то транзистор открыт, в цепь нагрузки протекает ток Iк и остаточное напряжение на ключе может быть равным нулю. Из сказанного следует, что рассматриваемый ключ является инвертирующей схемой, т.к.увеличение входного напряжения Е_б от отрицательных значений к положительным сопровождается уменьшением выходного напряжения U_кэ от _Ек до малого остаточного напряжения.

Остаточный ток и остаточное напряжение - главные статические параметры ключа.

В запертом состоянии ключа должно выполняться условие Е_б < 0. (точнее Е_б < 0.6B). При этом токи всех трёх электродов транзистора не превышают долей микроампера. Поэтому падением напряжения на сопротивлениях R_б и R_к можно пренебречь и считать U_б = Е_б и U_кэ=Е_к. Запертому состоянию ключа соответствуют точки А на рис. 22.2. Если напряжение Е_б достигает значения U* (см. на входной характеристике), транзистор открывается. Начинает протекать базовый ток I_б1 и пропорциональный ему коллекторный ток I_k1, а потенциал коллектора соответственно уменьшается (точки 1 на рис. 22.2). При дальнейшем росте напряжения Е_б потенциал базы U_б остаётся равным U* (рис. 22.2a), но токи продолжают расти, а потенциал коллектора падать[3].

 

	Рисунок 22.2 - Расположение рабочих точек ключа на статических характеристиках транзисторах: a) - входной; б) - выходной

 

В точке 2 при токе I_б2 потенциал коллектора U_к делается равным U* (рис. 22.2a), а напряжение на коллекторном переходе U_кб=U_к-U_б - равным нулю. При ещё больших напряжениях U_кб становится отрицательным, т.е. прямым, и транзистор работает в режиме двойной инжекции. Однако до тех пор, пока прямое напряжение на коллекторном переходе остаётся меньше напряжения отпирания (0,6В), инжекция коллектора несущественна и ток коллектора продолжает расти пропорционально току базы.

Только в точке 3 при токе базы U_кб достигает напряжения отпирания (потенциал коллектора 0.1B), инжекция коллектора начинает препятствовать дальнейшему увеличению коллекторного тока и этот ток остаётся практически неизменным. Такой максимальный ток называют током насыщения и обозначают Iк.н. Соответственно и режим двойной инжекции, характерный для открытого состояния ключа называют режимом насыщения транзистора. Открытому(насыщенному) состоянию ключа соответствуют точки В на рис. 22.2. Управляющие ток и напряжения в открытом состоянии обозначены через I_б⁺ и Е_б⁺.

Остаточные напряжения на ключе в точке В содержат две составляющие (см. рис. 22.3б): ,

где U_кэ - разность напряжений на переходах, I_КНr_КК - падение напряжения на горизонтальном сопротивлении коллекторного перехода (рис. 23.3а)

Рисунок 22.3а - Структура npn транзистора без скрытого n+ слоя

Рисунок 22.3б - Начальный участок коллекторной характеристики и составляющие остаточного напряжения