Переходные процессы при переключении

 

Переходные процессы в ключе обусловлены как инерционными свойствами самого транзистора, так и внешними цепями С_вх, С_н.

 

(1) Исходное состояние t < t₁

 

U_вх – меандр. U_вх < 0.

Транзистор закрыт. U_вх < U_п.

Рабочая точка А.

 

(2) Включение ключа t₁ ≤ t < t₃

 

U_вх изменяется скачком от до .

2а – задержки включения.

2б – формирование фронта.

 

t = t₁ – скачок.

 

- ток во внешней цепи базы.

U_б = мало, i_к = I_к0, U_к ≈ Е_к.

t₁ < t < t₂ – задержки включения до начала нарастания i_к .

Транзистор находится в режиме отсечки (А).

i_б заряд С _вх.

где .

 

С_вх шунтирует переход база – эмиттер. i_б характеризуется зарядным током С_вх.

Рабочая точка А → в точку С (передаточная характеристика).

Задержка заканчивается, когда U_б = U_п.

Обычно C_вх = С _тр, С _тр = С _э + С _к.

 

С _тр ≈ 2 пФ; R_б = 2 кОм;

τ_б = 4 нс; ;

t_зад ≈ 0,25 τ_б ≈ 1 нс.

t_зад мало. Его часто не учитывают.

 

2б t₂ < t < t₃ – нарастание i_к . Формирование фронта.

 

Активный режим

 

Инерционные свойства характеризуются постоянной τ_экв:

, τ – время жизни, τ = 100 нс. При наличии примеси золота τ = 10 нс.

С_к = 0,5 пФ, β = 100, R_к = 2 кОм, τ_экв = 100 нс.

Для транзисторов, легированных золотом, определяющей является определяющая, обусловленная С_к.

В примерах будем считать τ_экв = 150 нс.

t → ∞, (фиктивный ток).

i_k < I_ф, т.к. при i_k = I_кн транзистор переходит в зону насыщения.

Пример:

β = 100:

т.е. чем больше I_б, тем быстрее переходной процесс.

 

(3) Накопление заряда t₃ < t < t₄

 

Режим насыщения. i_k = I_кн = const

Заряд базы в режиме насыщения:

Заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном слоях.

На границе насыщения (активного режима), т.е. в начальный этап:

,

где t_пр – время пролета, являющееся обобщением времени диффузии при наличии ускоряющего поля в базе.

В конце этапа:

,

где τ_н – среднее время жизни носителей в базовом и коллекторном слоях.

Соотношение между Q_гр и Q⁺ зависит от соотношения I_кн и I_б⁺, т.е. от степени насыщения.

t_пр << τ_н

I_кн соизмерим с I_б⁺

Q_гр << Q⁺

Токи в данном этапе не меняются, заряд накапливается лишь благодаря термогенерации носителей:

 

(4) Выключение транзистора t ≥ t₄

 

(4а) – скачок t = t₄

(4б) – задержка выключения (рассасывание избыточного заряда)

(4в) – спад импульса (формирование среза)

 

(4а) Входной сигнал меняет полярность: . Возникает обратный ток базы:

(4б) Коллекторный переход в прямом направлении. Накопленный заряд Q⁺ не может измениться мгновенно. До Q_гр транзистор находится в режиме насыщения.

может быть больше .

Задержка до момента Q⁺ = Q_гр по закону экспоненты с постоянной τ_н:

(4в) Формирование среза

Q_изб → 0

Коллекторный переход смещается в обратном направлении:

i_k от I_кн → 0

Изменение коллекторного U_k тока идет относительно быстро.

Заряд С_к через R_к.

τ_к = С_к R_к

Если С_н ≠ 0, то τ_к = (С_к + С_н)R_к.

 

Влияние изменения параметров схемы транзисторного ключа на его работу (параметры выходного импульса)

 

 

 

Уровень 3

ИМС ключа на БТ

Изоляция – р-н переход, вкл. в обр. направлении.

р-н переходы образуют паразитные транзисторы и

 

База – скрытый коллекторный слой.

Коллектор – подложка р-типа.

Эмиттер – база Т.

База-скрытый изолирующий слой.

Коллектор – подложка.

Эмиттер - диффузионный р-слой резистора

Подложка подключается к точке с самым низким потенциалом. Коллекторные переходы и смещены в обратном направлении.

- распределённый хар. эмиттера, вдоль которого течёт ток резистора. Учитывают подключением эмиттера к средней точке ( и )

паразитные ёмкости определяются средними значениями зарядных ёмкостей р-н переходов.

Скрытый слой подключают к точке с наибольшим потенциалом → эмит. переход закрыт.

Влияние мало (шунтирует . >> )

Учитывают влияние паразитных ёмкостей как , включ. и

 

 

Переключательные характеристики

Особенности

1. ↓ ↓

2. ↓

3. т.к.

 

При том же ↑

 

∆ переход

Из-за влияния ключ ИМС уступает своему дискретному аналогу по целому ряду показателей

1. → → уменьшается нагрузочная способность ключа () S↓ ()

→

2. на →

3. - т.к. ↓ → S↓

 

Переходный режим работы

1. Стадия формирования фронта вых. имн. Т либо в режиме отсечки, либо в акт. режиме. В обл. насыщ. не заходит.

- закрыт

Активное дейст. не проявляется.

Его влиянием можно пренебречь.

Оказывает влияние и инерционные свойства Т.

 

Суммарное время задержки (t1-t3)

2. Режим насыщения. – в прямом вых. Наполнение заряда с постоянной вместо .

3. Выключение транзистора. В зависимости от управления.

а) Нормальное. Сначала коллекторный, потом эмитторный. Переходы Т.

критического

б) Инверсное запирание

Сначала запирается эм. переход, потом коллекторный.

 

 

в) Непосредственное

 

Эмит. и коллек. переходы закрываются одновременно.

Обычно вместо вводят (до момента, когда изменяется на 10% от вых.)

Рассеивание заряда как Т так и

Режим отсечки и акт. режимы. Потенциал К выше потенциала базы Т.

 

→Эмиттерный переход – смещён в обр. направл.

 

Влияние мало.

 

Режим насыщения: < Т →

 

Эмиттерный переход смещён в прямом направлении. оказывает влияние на работу ключа.

 

 

Упрощённая схема ключа.

В активном режиме

 

ММ Эберса-Молла для рабочего транзистора

 

 

 

1) - заряд до уровня сигналом с амплитудой фронт которого нарастает по экспоненте с постоянной

Оценивают как

время нарастания вх. импульса

2) t1-t3 – формирование фронта выходного импульса. Завершается при переходе Т в обл. насыщения.

– задержка

t₁ – момент откр. Т

t₀ – 10% измен.

 

t_1,0 - длительность фронта U_вых

t_1,0 = ln

Паразитная ёмкость, имитирующая вых. цепь

Постоянная времени характеризующая искажения имн. транзисторным ключом

– коэфф. токораспределения в поле.

Глава 11. Источники питания

Уровень 2

Выпрямительные схемы

 

Наз. такие схемы, которые преобразуют переменный ток в постоянный за счет использования односторонней проводимости п/п элементов.

Обычно

Напряжение наRн

а) Положительный полупериод

Среднее значение U

 

б) Отрицательная полуволна

Свойства выпрямителей в значительной степени зависят от вида нагрузки.

 

 

Индуктивная нагрузка

При наличии L ток начинает протекать при напряжении отличном от нуля.

 

L - задерживает нарастание i.

 

 

Форма кривой тока описывается

где связана с зарядом и разрядом L.

 

L задерживает нарастание и спад тока. Ток может протекать в начальный момент отрицательной полуволны.

 

 

Емкостная нагрузка

 

 

 

ib - прекращается

 

 

Заряд емкости

Разряд С через R_H.

Чем больше r = R_HC тем медленнее разряд. На емкости остается Uc₀.

Можно рассматривать как источник Е.

 

 

 

Применяют для питания цепей малой мощности и высокого напряжения. (Эл.луч. трубок)

Недостатки: высокий уровень пульсации подмагнич. сердечника - р постоянным током.

 

Двухполупериодные схемы.

Мостовая.

С выводом средней точки вторичной обл. трансформатора.

Пульсации меньше.

Мостовые. двухполупер.

 

по сравнению с однополупериодной.

 

Пульсации меньше.

 

Мостовые

 

Фильтры

Пренебречь величинами гармон.сост., т.к.они имеют значительно меньше амплитуду.

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер и является периодическим несинусоидальным напряжением.

В ряд Фурье

для однопериодного

Однополупериод.схема

Двухполупериод.схема

 

1. коэфф. пульсации.

Отношение основной частоты пульсации в выпрям. напряжении к среднему напряжению на нагрузке.

В отдельных случаях - по отдельным гармоникам.

- коэфф. пульсации выпрямления

- коэфф. пульсации на выходе фильтра

 

 

Уменьшает K_{n в} сглаживающий фильтр

7. - коэфф. сглаживания

 

 

8. - коэфф. фильтрации

9. - коэфф. передачи постоян. составляющей 10.

Чем ближе к 1 при одном и том же К_ф, тем качественнее фильтр. Для усилителей необходимо с ;

а для вк. каскадов .

~ на rн уменьш. UHcp # за счет заряда С до Um Особенность rнр, rтр может быть скачок тока Rh=0 (k.3.) Пробой диода

Эфф. работает при малых RH   Особенность При уменьшении   Нет скачков тока. Пробой диода.

 

 

Г - образный фильтр

Простой LC - фильтр

 

Х_с шунтирует R_H

X_L» Х_с - ~ сопр. на X_L.

 

Г - образный RC фильтр

Обычно

R_a должен быть соизмерим с R_H.

 

r = мало, X_L – велико R_ф = R_ф~ (Большие потери при )

 

лучше, но дороже.

 

Для уменьшения пульсации можно ставить несколько фильтров.

 

П - образный фильтр

 

 

 

LC_Ф- резонанс на полям.

 

Схемы умножения напряжения

 

Схема удвоения

 

 

а) + полуволна. Заряд Q

- полуволна. Заряд С₂

б) Разряд Ci, С₂ через R_H.

 

Последовательная схема удвоения.

в+ C₁ - заряд через D_j, D₂- закрыт

а+ U_BX + UC_i -» заряд С₂ до удвоенного напряжения.

 

Стабильность выше, а пульсация ниже.

Утроитель

 

Строится на основе первых двух

 

Стабилизаторы напряжения

 

 

 

 

 

где для переменных ~ составляющих при U1=const

 

коэфф. стабилизации

 

характеризует “приоцентное” изменение входного напряжения по отношению к “процентному” изменению выходного напряжения.