Транзисторни ключове


Категория на документа: Други


Лекция 19: Тема. Транзисторни ключове

1) Основни понятия: запушен транзистор, наситен транзистор, коефициент на насищане, пространствен заряд, импулсен режим, консумирана мощност, мощен ключ,

2) Основни факти: ключ си биполярен транзистор, предавателна характеристика на ключа, ключ с NMOS транзистор, CMOS ключ.

Транзисторните ключове са сред основните градивни възли на цифровите устройства и множество управляващи блокове на индустриални машини. Използват главно MOS транзистори с индуциран канал поради споменатото в лекция 17 тяхно предимство - при нулиране на напрежението им гейт-сорс UGS поради авария в управляващата ги схема, те се запушват и прекъсват веригата на товара RD. Сравнително по-малко е приложението на ключове с биполярни транзистори.

Ключ с биполярен транзистор (фиг. 19.1а). Действието й ще бъде изяснено

а б
Фиг. 19.1

чрез предавателната характеристика А на фиг. 19.1б, като uo е напрежението колектор-емитер uce на транзистора. При входно напрежение ui = 0 транзисторът е запушен и представлява отворен ключ, няма колекторен ток и напрежение върху колекторния резистор RC, а изходното напрежение е uo = UCC (област 1). Работната точка е Qo на фиг. 13.7а в лекция 13. Когато ui надхвърли напрежението на отпушване UBE0 на транзистора, започва да протича базов ток
(19.1) ,
определян от израза , като може да се приеме, че UBE0 и напрежението UBE на отпушения транзистор са равни на 0,6 V. Транзисторът е в усилвателен режим (защрихованата област 2 на предавателната характеристика), където с нарастване на ui се увеличават IB и колекторният ток IC, изходното напрежение uo намалява, а работната точка се движи по товарната права на фиг. 13.7а в посока към Qs. При входно напрежение Uion = RBIBsat + UBE базовият ток става равен на IВsat, транзисторът се насища (достига се точка Qs) и съответно ключът се затваря, а uo става равно на напрежението на насищане UCEsat. На предавателната характеристика това е област 3, при работа в която протича колекторен ток на насищане
(19.2) ,
а приблизителното равенство е почти винаги изпълнено. Същевременно е в сила зависимостта ICsat = 0IBsat. По-нататъшното увеличаване на ui не променя състоянието на ключа, а само увеличава базовия ток, т.е. обуславя коефициент на насищане
(19.3) ,
по-голям от 1. Увеличаването предизвиква натрупване на токови носители в базата, наричани пространствен заряд. Той е право пропорционален на .

Работата на транзистора в усилвателен режим не се използва, поради което защрихованата площ на фиг. 19.1б трябва да е колкото е възможно по-тясна, за да се приближи предавателната характеристика до идеалната (крива B). Приема се, че смяната на състоянието на ключа става при праговото входно напрежение, което е по средата между UBE0 и Uion.

Пример 19.1. Ключът на фиг. 19.1а е реализиран с транзистор с  = 200 и UCEsat = 0,2 V, резистори RB = 27 k и RC = 510  и се захранва с UCC = +5 V. Да се изчислят базовият ток, приблизителната стойност на колекторния ток на насищане и коефициентът на насищане при входно напрежение Ui = +2 V. Изчислението да се повтори за Ui = 4 V и се направи извод за влиянието на входното напрежение върху параметрите на ключа. При какво минимално входно напрежение Uimin той все още работи като ключ?

За изчисляване на базовия ток трябва да се използва изразът (19.1) като се приеме UBE = 0,6 V. Получава се 51,9 A. Приблизителната стойност на колекторния ток се определя от втория израз в (19.2) и е 9,8 mA. На него му съответства базов ток на насищане IBsat = 49 A. Сега от (19.3) се изчислява коефициентът на насищане 1,06.

При входно напрежение Ui = 4 V се получава базов ток 126 A, а стойностите на ICsat и IBsat остават непроменени. Новият коефициент на насищане 2,57 показва, че стойността му нараства с увеличаване на входното напрежение.

Най-малкото входно напрежение, което осигурява работа на транзистора като ключ е за получаване на коефициент на насищане  = 1 и съответно на базов ток равен на IBsat. От израза след форм. (19.1) може да се определи, че този ток се получава при входно напрежение Uimin = RBIBsat + UBE = 27k49A + 0,6V = 1,92 V.

Импулсният режим е най-често използваният за работа на ключа и при него на входа се подава поредица от правоъгълни импулси (фиг. 19.2), които циклично променят състоянието му. В момента t1 постъпва входно напрежение ui, по-голямо от Uion, което трябва да насити транзистора. Най-напред започва зареждане на входния паразитен капацитет Cip и напрежението база-емитер ube плавно нараства. При достигането му до UBE0 в момента t2 транзисторът се отпушва, започва да работи в усилвателен режим и броят на токовите носители през емитерния преход и съответно колекторният ток ic се увеличават, а напрежението колектор-емитер uce намалява. Транзисторът се насища в момента t3, а интервалът от време t2-t3 представлява продължителността на предния фронт tr на импулса на колекторния ток. През този интервал от източника на постоянно напрежение се консумира мощност
(19.4а) ,
като f = 1/T е честотата на входните импулси. При прекратяване на входния импулс в момента t4 най-напред зарядът на Cip намалява до UBE0 (моментът t5), след което започва разсейването на пространствения заряд в базата. То завършва за време td, право пропорционално на , през

Фиг. 19.2

което транзисторът продължава да е наситен. От фиг. 19.2 се вижда, че при пренебрегване на малкото време от t1 до t2 времетраенето на насищането е ton - tr + td. През него транзисторът консумира мощност
(19.4б) .
В момента t6 започва процесът на отваряне на ключа, през който транзисторът също е в усилвателен режим. Процесът продължава време tf, което е продължителността на задния фронт, и завършва в момента t7. През това време транзисторът консумира мощност
(19.4в) .
Общата консумирана мощност от транзистора е сумата
(19.4г) PD = Pr + Pon + Pf ,
която е право пропорционална на честотата на входните импулси. Това е важна особеност, валидна и за ключовете, реализирани с MOS транзистори. Мощността е означена с PD, тъй като се разсейва върху транзистора под формата на топлина.

Когато напрежението на базата на наситения транзистор се нулира за време, по-малко от td, пространственият заряд няма да се разсее и състоянието на ключа не се променя. На практика това нулиране се дължи на отрицателни смущаващи импулси, които не оказват влияние - ключът е шумоустойчив. Тези импулси могат да бъдат толкова по-дълги, т.е. шумоустойчивостта да нараства, колкото по-голям е коефициентът . Поради това изборът му е компромисен между увеличаването на шумоустойчивостта и повишаване на бързодействието с най-често използвани стойности между 1 и 4.

От времедиаграмите на фиг. 19.2 се вижда, че на положителни импулси на ui съответстват отрицателни импулси на uo и обратното, поради което ключът представлява инвертор.

Пример 19.2. Ключът от пример 19.1 се управлява с положителни правоъгълни импулси с честота f = 1 MHz, коефициент на запълване = 0,5 и амплитуда Uim = 2 V. Изходните импулси са с tr = 20 ns и tf = 60 ns. Да се изчисли консумираната мощност върху транзистора PD при предположение, че той работи с =1.




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Транзисторни ключове 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.