Процессы переключения ключа на биполярном транзисторе.

Схема транзисторного ключа приведена на рис. 128. Для анализа временных процессов воспользуемся моделью, отображающей изменение зарядов в базе. Если заряд неосновных носителей в базе обозначить Q, то его изменение во времени можно отобразить уравнением dQ/dt + Q/τ = i_б(t).

В этом выражении τ ─ время жизни носителя и i_б(t) ─ ток базы. В практических приложениях в качестве τ принимают τ_β. Более просто анализ выполняется если в качестве входного сигнала i_б(t), являющегося функцией времени, использовать постоянный ток, то есть i_б(t) = Iб. При этих условиях уравнение имеет решение в виде Q(t)=Iб*τ_β*(1 – e^-t/τ). Максимальное значение заряда будет при t стремящемся к бесконечности, а реально это за (5―7)τ_β, Q_макс = Iб*τ_β. Следовательно заряд в базе изменяется по экспоненциальному закону и его величина определяется величиной тока базы.

С другой стороны величина заряда в базе Q однозначно связана с величиной тока коллектора Q(t) ≈ (τ/β)*Ik(t). Отсюда следует, что, так как τ и β константы, ток коллектора транзистора изменяется пропорционально заряду в базе и по тому же закону. В соответствии со схемой, входное напряжение в виде единичного уровня подается между базой и эмиттером. Это должно привести к установлению постоянного тока базы Iб, но этого не происходит так как пока напряжение на базе не станет равным Uб пор ≈ 0,3 ─ 0,7 В ток базы остается равным нулю. Напряжение на базе не становится мгновенно высокого уровня потому, что имеется паразитная емкость Сбэ и пока она не зарядится ток остается на нулевом уровне.

С учетом всего вышеизложенного рассмотрим процесс открывания ключа (рис.129).

Исходное состояние t = 0.

Напряжение сигнала равно нулю, следовательно, ток базы будет равен тепловому току коллектора Iб = -Ik0. Такой режим работы транзистора называют ─ режим отсечки, ток коллектора равен нулю и напряжение на коллекторе в нашем случае равно напряжению питания.

В момент времени t = t1 появляется положительный сигнал, который формирует Iб. Однако это на приводит к формированию заряда в базе, так как начинается заряд паразитной емкости Сбэ. Длительность этого процесса может быть определена, если предположить, что заряд этой емкости происходит постоянным током. Интервал времени t2 ─ t1 называют временем задержки включения и определяют t2 – t1 = tздвкл = (Cбэ*Uпор)/Iб. По истечении этого времени Сбэ зарядится до Uпор и начиная с момента t2 происходит накопление заряда неосновных носителей в базе. Этот процесс имеет экспоненциальный характер и его длительность примерно равна (5 ─ 7)τ_β. Пропорционально возрастанию заряда возрастает ток коллектора, то есть на интервале t3 – t2 = tсп транзистор работает в линейном режиме. Однако в момент t3 рост тока коллектора прекращается, так как он ограничивается резистором Rk, величина тока при этом называется током насыщения коллектора Iкн, а величина заряда в этот момент называется граничным зарядом Qгр. В момент t3 коэффициент насыщения S = 1, а напряжение на коллекторе будет равно напряжению насыщения (параметр транзистора) Uk = Uкнас и составит (0,2 ─ 0,5) В.

Однако процесс включения на этом не заканчивается, так как продолжается рост заряда в базе который заканчивается только в момент t4. В этот момент времени процесс открывания ключа заканчивается. Заряд накопленный на интервале t4 – t3 называют избыточным Qизб. Если величину заряда в момент t4 обозначить Qмакс, то Qизб = Qмакс – Qгр. Процесс включения ключа состоит из двух сотавляющих tвкл = tздвкл + tсп.

Рассматривая график можно прийти к выводу, что ускорить процесс включения ключа можно за счет увеличения тока базы, так как время накопления заряда t4, определяемое параметрами транзистора не изменится, но увеличится Qмакс и кривая тока пойдут круче и ток достигнет величины Iкн за менее короткий интервал времени, то есть процесс включения пройдет значительно быстрее. Однако необходимо учитывать, что при увеличении тока базы возрастает и коэффициент насыщения.

Рассмотрим процесс выключения насыщенного ключа. График приведен на рис.130.

Исходное состояние.

Транзисторный ключ включен и находится в режиме насыщения, что обеспечивается высоким напряжением на входе, формирующим в базе ток Iбн. Заряд в базе соответствует току базы и равен Qмакс. Ток коллектора определяется резистором Rк и равен Iкн. Напряжение на коллекторе равно Uкн ≈ 0.

В момент времени t1 входное напряжение становиться равным нулю, что приводит к началу рассасывания заряда базы и как следствие появления тока базы –Iбн, равного по величине прямому току. Но процесс рассасывания заряда базы не приводит к изменению тока коллектора, так как в базе накоплен заряд, превышающий граничное значение. Только в момент t2 уменьшающийся заряд базы становиться равным граничному значению и начинает уменьшаться ток коллектора и возрастать напряжение на коллекторе.

Интервал времени t2 – t1 = tздвык называют время задержки выключения. Продолжается процесс рассасывания заряда в базе, который заканчивается в момент t3. При этом ток коллектора становиться равным Ik0 ≈ 0, а напряжение на коллекторе становиться равным напряжению питания, то есть транзистор полностью закрывается. В момент t3 начинается возрастание тока базы, который в момент t4 становиться равным нулю. На этом процесс выключения ключа заканчивается. Интервал времени t3 – t2 = tфр называют длительность фронта. Весь процесс выключения ключа требует времени tвык = tздвык + tфр.

Для повышения быстродействия при выключении ключа необходимо оценить возможности уменьшения каждой из составляющих tвык. Время задержки выключения определяется накопленным избыточным зарядом, чем больше заряд тем больше задержка. Практически задержка выключения будет равна нулю при Qмакс = Qгр, то есть при коэффициенте насыщения равном единице S = 1.

Уменьшение длительности фронта связано со скоростью уменьшения заряда. Это можно осуществить, если при выключении ключа в базе формировать вытекающий из базы ток достаточной величины.

Как видно из изложенного требования по повышению быстродействия для включения и выключения противоположны. Для решения этой задачи приходиться идти на компромисс, то есть не требовать максимального быстродействия для обоих режимов.

Обычно при расчете ключа сопротивление в цепи коллектора Rk выбирают из требуемой нагрузочной способности транзистора. Тогда выбор режима работы транзистора определяется сопротивлением в цепи базы Rб. Для высокого быстродействия его нужно выбирать из расчета получения коэффициента насыщения близкого к единице. Однако при этом получим низкое быстродействие при включении ключа. Чтобы иметь в этом случае высокое быстродействие нужно в цепи базы формировать большой ток, это возможно только при малой величине сопротивления в цепи базы. Явно противоречивые требования. Но имеется очень простое схемотехническое решение этого противоречия, достаточно параллельно сопротивлению в цепи базы включить форсирующий конденсатор Сф.

На рис.131 показано такое схемотехническое решение. При подаче на вход положительного напряжения разряженный конденсатор позволяет сформировать в базе большой ток, что приводит к быстрой зарядке паразитной емкости Сбэ (сокращается tздвкл) и позволяет быстро накопить заряд неосновных носителей в базе. Однако после заряда Сф величина тока в базе будет определяться Rб, что позволяет снизить коэффициент насыщения. Полярность напряжения заряда Сф ─ левая обкладка +, правая обкладка ─. Такая полярность напряжения заряда приводит к том, что при нулевом входном напряжении напряжение заряда Сф формирует в базе большой по величине вытекающий ток. Этот ток осуществляет быстрое рассасывание заряда в базе и соответственно приводит к быстрому закрыванию транзистора. Транзисторный насыщенный ключ является основой для построения большинства ТТЛ серий логических элементов.

Лекция 17