Перехідний (динамічний) режим ключа

Перехідний режим виникає при вмиканні і вимиканні ключа і визначає його швидкодію.

Процес увімкнення ключа умовно можна розбити на три етапи: затримка фронту, формування фронту при відмиканні транзистора і накопичення надлишкового заряду в базі транзистора. Затримка фронту вихідної напруги ключа відносно моменту надходження вхідного вмикаючого імпульсу зв'язана з перезарядом бар'єрних ємностей транзистора і .Величина часу затримки невелика і при аналізі процесу увімкнення ключа її можна не враховувати. Часові діаграми роботи ТК показані на риссунку 45..

Рисунок 45 – Часові діаграми роботи ТК

Нехай у момент часу на вхід ключа поданий додатний стрибок напруги , що викликає додатний стрибок базового струму, що відмикає транзистор, тоді:

. (77)

З цього моменту починається етап формування фронту, обумовлений наростанням струму колектора за експоненціальним законом:

, (78)

де – стала часу перехідного процесу в транзисторі, увімкнутому за схемою зі СЕ (спільним емітером);

– гранична частота в схемі зі СЕ;

– гранична частота в схемі зі спільною базою (СБ);

– коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером (СЕ).

Колекторний струм прагне до сталого значення:

, (79)

.

Однак, у момент часу при струмі транзистор попадає в режим насичення і ріст колекторного струму обмежується на рівні . На цьому закінчується етап формування фронту і починається етап накопичення надлишкового заряду в базі транзистора. Фізично цей процес полягає у введенні в базу від джерела керуючої напруги надлишкових дірок, що викликають “удавану” зміну струму колектора до величини , хоча реально цей струм дорівнює . Графічно “удаване” збільшення струму колектора на рисунку 45 показано пунктирною кривою. Через час “удаваний” струм досягає сталого значення . На рисунку 45 тривалість вхідного керуючого імпульсу приблизно дорівнює .

Аналіз процесу увімкнення ТК дозволяє зробити висновок, що тривалість фронту можна зменшити, збільшуючи відмикаючий струм бази . З іншої сторони накопичення надлишкового заряду носіїв у базі можна знизити, зменшуючи струм бази. При виконанні умови накопичення надлишкового заряду в базі відсутнє.

У момент на вхід ключа поданий від’ємний стрибок напруги , що закриває транзистор. Починається процес вимикання ключа, який можна розбити на два етапи: розсмоктування надлишкового заряду в базі транзистора і формування зрізу при запиранні транзистора.

Від’ємний стрибок керуючої вхідної напруги викликає від’ємний стрибок базового струму: , що протікає в напрямку, протилежному первісному струму бази .

Надлишковий заряд у базі стрибком змінитися не може, тому починає зменшуватися за екпоненціальним законом з тією ж сталою часу, що і при увімкненні ключа. Зміна струму бази повинна викликати зменшення струму колектора від “удаваного” значення до . Однак, до моменту часу у базі зберігається надлишковий заряд і ніякі зміни струму не відбуваються. Робоча точка транзистора протягом етапу розсмоктування знаходиться в області насичення. Виникає затримка фронту вихідного імпульсу відносно моменту надходження вимикаючої напруги: . Тривалість цієї затримки представляє час розсмоктування .

Тривалість часу розсмоктування можна зменшити, збільшуючи від’ємний струм бази: і зменшуючи ступінь насичення , а отже і відмикаючий струм бази .

У момент часу після виходу робочої точки транзистора з області насичення починається етап формування зрізу вихідного імпульсу. Протягом проміжку часу струм колектора зменшується за екпоненціальним законом до величини , після чого залишається постійним на даному рівні. Подальше зменшення струму колектора до величини: є “удаваним” і на рисунку 45 показане пунктирною лінією. Час зрізу можна зменшити, збільшуючи значення струму бази і .

Для підвищення швидкодії ключа необхідно зменшити час вмикання і вимикання . Проведений аналіз показав, що для цього необхідно виконати суперечливі вимоги: для зменшення необхідно збільшувати ступінь насичення транзистора, а для зменшення - зменшувати. Оптимальна форма вхідного базового струму ТК, що враховує це протиріччя, показана на рисунку 46.

Рисунок 46 – Оптимальна форма вхідного базового струму ТК

Розглянутий ключ керується різнополярними імпульсами і стан схеми визначається знаком і рівнем вхідної напруги. На практиці широко застосовуються ключі, які у вихідному стані закриті чи відкриті.

Переключення ключа відбувається під дією однополярних вхідних керуючих імпульсів, що здійснюють увімкнення закритого ключа або вимикання відкритого.