электронные ключи. Электронные ключи. Министерство образования рф
 Скачать 0.73 Mb.
|
1.2Электронные ключи на биполярных транзисторахЧаще всего используются ключи, собранные по схеме с общим эмиттером, как показано на рис. 3. В ключевом режиме биполярный транзистор работает в режиме насыщения (замкнутый ключ) или режиме отсечки (разомкнутый ключ). Полезно помнить, что в режиме насыщения оба перехода (коллектор-база и эмиттер-база) открыты, а в режиме отсечки – заперты. В режиме насыщения выходную цепь транзистора можно представить эквивалентным источником напряжения, величина ЭДС которого приводится в справочниках (  - напряжение насыщения). Строго говоря, следует учитывать также внутреннее сопротивление этого источника, величина которого определяется крутизной наклона линии граничного режима, однако, в большинстве практически важных случаев для инженерных расчетов можно ограничиться величиной - . Резисторы  и  должны обеспечивать надежное запирание транзистора при низком уровне управляющего сигнала во всем диапазоне рабочих температур и насыщение при высоком уровне управляющего сигнала. Рисунок 3 – Схема электронного ключа на биполярном транзисторе При расчете необходимо учитывать обратный ток коллектора, протекающий через резистор , и создающий на нем падение напряжения. Суммарное напряжение на эмиттерном переходе определяется выражением: ,где  - максимальный ток обратный коллектора,  - напряжение низкого уровня управляющего сигнала. Очевидно, для надежного запирания транзистора необходимо, чтобы  . Необходимо учитывать сильную температурную зависимость обратного тока коллектора, и для расчета выбирать максимальное значение. В противном случае ключ может «подтекать» при изменении температуры.Открытый транзистор может находиться в активном режиме или режиме насыщения. Для электронных ключей активный режим является невыгодным, так как в этом режиме на коллекторе рассеивается значительная мощность. Поэтому активный режим допустим только в течение переходных процессов (где он, собственно говоря, неизбежен). Для обеспечения насыщения необходимо, чтобы выполнялось соотношение  . Ток базы можно определить по формуле:  . Ток насыщения определяется сопротивлением резистора в цепи коллектора, усилительными свойствами транзистора и сопротивлением между коллектором и эмиттером в насыщенном состоянии:  . При расчетах целесообразно пользоваться наихудшим значением  . Отметим, что при нарушении условия насыщения транзистор переходит в активный режим, что сопровождается ростом напряжения на коллекторе и увеличением мощности рассеяния. В ряде случаев используют иной критерий насыщения – прямое смещение обоих переходов транзистора (база-эмиттер и база-коллектор). В активном режиме переход база-коллектор смещен в обратном направлении.Используя этот критерий, легко понять, что составной транзистор (по схеме Дарлингтона) не удастся полностью насытить, так как база выходного транзистора в лучшем случае может иметь потенциал, равный потенциалу коллектора. Необходимой частью проектирования электронных ключей является оценка их динамических свойств, определяющих скорость переключения и потери энергии на этом этапе (динамические потери). Переходные процессы в электронном ключе на биполярном транзисторе характеризуются длительностью цикла переключения, который можно разделить на несколько отдельных этапов: задержка включения; включение (нарастание тока до величины, соответствующей насыщению); задержка выключения (обусловлена рассасыванием заряда в базе при переходе из режима насыщения в активный режим); выключение (обусловлено уменьшением тока коллектора до значения, соответствующего отсечке). Необходимо также учитывать процессы заряда емкостей монтажа и нагрузки, которые не имеют прямого отношения к транзистору, но могут существенно влиять на длительность переходного процесса в целом. Рассмотрим характерные участки переходного процесса по временным диаграммам (рис.4).   Рисунок 4 - Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе Транзистор заперт, ток базы определяется обратным током коллектора, заряд в базе практически отсутствует, на выходе ключа высокий уровень. Потенциал на входе ключа скачком увеличивается, начинается заряд входной емкости. Токи базы и коллектора не изменяются, пока напряжение на переходе база-эмиттер не превышает напряжения отсечки (время задержки включения). В момент превышения напряжения отсечки открывается эмиттерный переход, и транзистор переходит в активный режим. Инжектируемые в базу неосновные носители нарушают равновесное состояние базы, и начинается накопление заряда. Пропорционально увеличивается ток коллектора, обусловленный экстракцией носителей в область коллектора. Время до перехода в режим насыщения – время включения. В режиме насыщения все токи и напряжения остаются постоянными, при этом заряд в базе продолжает нарастать, хотя и с меньшей скоростью. Заряд, превышающий величину, соответствующую переходу в режим насыщения, называется избыточным. При скачкообразном изменении потенциала на входе ключа ток базы также быстро уменьшается, нарушается равновесное состояние заряда базы и начинается его рассасывание. Транзистор остается насыщенным до тех пор, пока заряд не уменьшится до граничной величины, после чего переходит в активный режим (время задержки выключения). В активном режиме заряд базы и ток коллектора уменьшаются до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим отсечки. В этот момент входное сопротивление ключа возрастает. Этот этап определяет время выключения. После перехода транзистора в режим отсечки напряжение на выходе продолжает нарастать, так как заряжаются емкости нагрузки, монтажа и емкость коллектора. Очевидно, ключевую роль играет степень (глубина) насыщения транзистора  . Для количественной оценки коммутационных параметров можно воспользоваться следующими выражениями: ,  ,  , где  .Существуют схемотехнические методы повышения быстродействия ключа: форсирующая цепочка (рис. 5а) и нелинейная обратная связь (рис. 5б).  а) Ключ с форсирующей цепочкой  б) Ключ с нелинейной обратной связью Рисунок 5 - схемотехнические приемы повышения быстродействия Принцип работы форсирующей цепочки очевиден: при отпирании транзистора ток базы определяется процессом заряда форсирующей емкости (быстрый переход в режим насыщения), в открытом состоянии ток базы определяется резистором, величина которого выбирается таким образом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора. Таким образом, уменьшается время рассасывания неосновных носителей в базе. При использовании нелинейной обратной связи применяется диод, включенный между базой и коллектором транзистора. Запертый диод не влияет на работу схемы, когда ключ открывается, диод оказывается смещенным в прямом направлении, а транзистор охваченным глубокой отрицательной обратной связью. Для уменьшения времени выключения необходимо обеспечить малое время восстановления обратного сопротивления диода, для чего применяются диоды с барьером Шотки. Монолитная структура диод Шотки – биполярный транзистор называется транзистором Шотки. Ключи на биполярных транзисторах имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение: Ограниченное быстродействие, вызванное конечной скоростью рассасывания неосновных носителей в базе; Значительная мощность, потребляемая цепями управления в статическом режиме; При параллельном включении биполярных транзисторов необходимо применение выравнивающих резисторов в цепях эмиттеров, что приводит к снижению КПД схемы; Термическая неустойчивость, определяемая ростом тока коллектора при увеличении температуры транзистора. Вопросы для самостоятельной проработки Как рассчитать длительность седьмого этапа (рис. 4) ? Почему в процессе задержки выключения транзистора не учитывается разряд (перезаряд) входной емкости транзистора ? Как определить входную емкость транзистора на этапе задержки включения, на этапе включения ? Что такое эффект Миллера ? Почему при параллельном включении биполярных транзисторов необходимо применение выравнивающих резисторов ? Как определить оптимальную емкость конденсатора в форсирующей цепочке ? Задачи для самостоятельного решения Определить мощность статических потерь для ключа по схеме рис.3 при следующих параметрах  ,  ,  ,  . На вход ключа поступает последовательность импульсов с периодом  и длительностью  . Принять  ,  ,  .Определить мощность, рассеиваемую на коллекторе, если изменения напряжения на коллекторе соответствуют рисунку 6. С  хема ключа соответствует рис. 3, , . |