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

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов.

Переключающий транзистор допускает различные режимы работы (см. лекция 8, параграф 8.2), приведённые на рисунке 25.

	Рисунок 25.1 - Режимы работы переключающего транзистора а) коллекторная характеристика с нагрузочными линиями; б) распределение неосновных носителей в базе при отсечке, в активном режиме и при насыщении

 

 

Область I: область отсечки, коллекторный ток отсутствует, эмиттерный и коллекторный перехода обратно смещены.

Область II: активная область, эмиттер смещён в прямом направлении, а коллектор в обратном.

Область III: область насыщения, эмиттер и коллектор смещены в прямом направлении.

Для обоих режимов (II и III) выключенное состояние (OFF) характеризуется сдвигом рабочей точки по нагруженной линии в область отсечки транзистора.

Видно, что способ переключения определяется уровнем прямого тока и положением рабочей точки во включённом состоянии (ON). чаще всего применяют режим насыщения как наиболее близкий к режиму работы идеального ключа.

Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Простейший ключ на биполярном транзисторе показан на рис. 25.1,а. В установившемся режиме до момента времени t₁ (рис. 25.1,б) эмиттерный переход транзистора заперт, и транзистор находится в режиме отсечки. Для этого режима i_k0= - I_k0 (I_k0 — обратный ток коллектора), i_Э»0. Если пренебречь током I_k0, то можно считать, что i_k=i_б»0. В этом случае

 В интервале времени t₁ t₂ транзистор находится в открытом состоянии. Чтобы напряжение u_kЭ было минимальным, напряжение U₁ выбирают так, чтобы транзистор находился в режиме насыщения или в режиме, близком к насыщению.

 Токи и напряжения на этом отрезке времени определяются выражениями

                                                      (25.1)

 Для определения тока коллектора в режиме насыщения можно воспользоваться приближенной формулой

                                                                                             (25.2)

 Напряжение на транзисторе в режиме насыщения находится в пределах 0.8 1 В. Мерой насыщения транзистора служит коэффициент насыщения q _НАС, который определяет, во сколько раз реальный ток базы превосходит минимальное значение тока базы, при котором имеет место режим насыщения. Минимальный ток базы    I_{бНАС МИН} в режиме насыщения определяется выражением

                                                                      (25.3)

 а коэффициент насыщения определяется как

                                                                     (25.4)

Рисунок 25.1 - Простейший ключ на биполярном транзисторе

 

 Выбирая значение коэффициента насыщения конкретного транзисторного ключа, необходимо руководствоваться следующими соображениями:

 • насыщение должно быть обеспечено для всех транзисторов данного типа в рабочем диапазоне температуры;

 • увеличение тока базы в режиме насыщения снижает величину падения напряжения на транзисторе между коллектором и эмиттером, что снижает мощность потерь в этой цепи транзистора, но снижение мощности практически прекращается при q_НАС =3;

 • увеличение тока базы приводит к увеличению потерь во входной цепи;

 • при увеличении тока базы сокращается время включения транзистора, но возрастает время его выключения.

Временные диаграммы, соответствующие процессу включения транзистора, представлены на рис. 25.2.

	Рисунок 25.2 - Временные диаграммы процесса включения транзисторов

 

На рис.25.2 пороговое напряжение между базой и эмиттером U_{бЭ ПОР} соответствует некоторому малому значению тока базы (например, I_б < I_{б НАС}). Через I_{k ПОР} обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению U_{бЭ ПОР}.

 Интервал t₁ t₂ называют интервалом задержки включения, интервал t₂ t₃ — интервалом формирования фронта, а интервал t₃ t₄ — интервалом накопления заряда. Разность t₃ t₁ называют временем включения.

 Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора I_{К НАС}, величиной b транзистора и временем жизни неосновных носителей в базе.

 На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это проявляется в том, что возникают токи электродов транзистора. Ток коллектора на рассматриваемом интервале мал. Явление изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

 На интервале формирования фронта токи электродов транзистора увеличиваются. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это явление условно называют накоплением неосновных носителей. Заряд неосновных носителей практически сразу компенсируется зарядом основных носителей. Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта t _Ф.

 На интервале накопления заряда (t₃ - t₄) процесс накопления неравновесных носителей электричества продолжается, напряжение u_КЭ незначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

 Временные диаграммы процесса выключения транзистора представлены на рис. 25.3.

	Рисунок 25.3 - Временные диаграммы процесса выключения транзисторов

 

На рис. 25.3 приняты следующие обозначения интервалов времени:

 •t₁   t₂ — рассасывания заряда;

 •t₂ t₃ — формирования спада;

 •t₃   t₄ — установления;

 •t₁ t₃ — выключения.

На интервале рассасывания ток базы, ограниченный резистором R_б, имеет отрицательное значение i_б= -U₂/R_б, если принять напряжение u_бЭ = 0. На этом интервале времени концентрация неравновесных носителей электричества уменьшается, и в конце интервала транзистор выходит из режима насыщения. Время рассасывания возрастает при увеличении коэффициента насыщения.

  Интервал форсирования спада t_СП характеризуется снижением концентрации неравновесных носителей, уменьшением тока i_k и увеличением напряжения на коллекторном переходе и напряжения u_КЭ. В области коллекторного перехода изменяются объемные нескомпенсированные заряды (перезаряд барьерной коллекторной емкости).

 На интервале установления t_УСТ напряжение u_бЭ изменяется от значения U_{бЭ ПОР} до -U₂. Изменяются также нескомпесированные объемные заряды переходов транзистора.

 С момента времени t₃ ток коллектора сравнивается с током базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении. В результате снижения тока базы до нуля транзистор выключается. Время выключения можно уменьшить увеличением запирающего отрицательного тока базы.

	Рисунок 25.4 - Схема транзисторного ключа с форсирующим конденсатором (а) и диаграмма тока базы (б)

 

На рис. 25.4,а представлена схема транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, увеличивающим положительную и отрицательную амплитуды тока базы, и тем самым повышающим быстродействие транзисторного ключа. Диаграмма тока базы показана на рис. 25.4,б.