ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
Электрический ключ (ключевая схема) – это устройство, которое предназначено для коммутации тока в цепи сопротивления нагрузки, т.е. он позволяет подключать нагрузку к источнику напряжения (питания) или отключать нагрузку от источника питания. Электронный ключ является базовым элементом многих импульсных, логических и цифровых схем и служит для формирования электрических импульсов прямоугольной формы.
Ключевая схема (ключ) имеет два состояния - ключ замкнут (включен), ключ разомкнут (выключен). Состояние ключа характеризуют, либо током через ключ - Iк, либо напряжением на ключе - Uк, либо сопротивлением ключа - Rкл=Uк/Iк.
Для коммутации тока идеально подходит механический ключ. При этом предполагается, что его состоянием управляет внешний сигнал, например напряжение Uвх. Под действием этого напряжения ключ может находится в одном из двух своих возможных состояний:
1) Если ключ замкнут (состояние «включено»), то: Rкл вкл = 0=Uк/ Jк, Jк = ЕП / RН, Uк=0,.
2)
Если ключ разомкнут (состояние «выключено»), то: Rкл выкл = =Uк/Jк, Jк = 0; UК = ЕП;.
Идеально для коммутации тока подходит механический ключ, который управляется механической силой, однако он имеет невысокое быстродействие переключения. Поэтому часто в качестве ключа используют транзисторы. Возможны три схемы ключа на биполярном транзисторе – это с ОБ, ОЭ и ОК.
Наиболее распространена схема ключа на биполярном транзисторе с ОЭ. Простейшая схема ключа на биполярном транзисторе с резистивной нагрузкой приведена на рис.1. 2. Аналогично строится схема ключа на полевом транзисторе. На входе ключа включен источник сигнала Uвх с внутренним сопротивлением, равным RБ. Нагрузкой каскада служит резистор RK. Внешняя нагрузка для простоты не показана. На схеме пунктирными линиями показаны две паразитные емкости. Входная емкость Свх включает в себя емкость эмиттерного перехода и емкость монтажа, возникающую между элементами входной цепи и корпусом устройства. Выходная емкость Свых образована емкостью между коллектором и эмиттером транзистора и емкостью монтажа в выходной цепи.
Ключевой режим работы транзистора характеризуется большой амплитудой переключающего импульса, когда транзистор переходит из состояния с большим внутренним сопротивлением (ключ разомкнут) в состояние с малым сопротивлением (ключ замкнут) и обратно – это существенно нелинейный режим, поэтому его анализ проводят используя графоаналитический методом. На рис.1.3.б показаны выходные статические характеристики, нагрузочная характеристика и расположение рабочих точек A (ключ выключен) и B (ключ включен) На рис.1.3а показаны: входная характеристика; нагрузочные прямые, когда Uвх равно U1вх или U0вх ; и расположение рабочих точек A и B.
Различают два режима работы транзисторного ключа: статический и динамический.
1.1. Статический режим работы.
В статическом режиме работы транзисторный ключ может находиться лишь в одном из двух состояний: ключ включен, ключ выключен.
Первое состояние - ключ выключен, заперт (точка А). Идеально, это режим отсечки коллекторного тока, когда Uбэ< 0. При этом эмиттерный и коллекторный переход смещены в обратном направление, а Iк=Iк0, Iб=-Iк0. Но это требует для управления ключом двухполярного источника сигнала, что усложняет схему и нежелательно. Поэтому обычно условием запирания ключа считают
Uбэ<Uбэ.пор.
В таком режиме через транзистор протекает ток малой величины, близкий к IК0. Величина Uбэ.пор зависит от материалаполупроводника, для кремния Uбэ.пор=0,6- 0,8В, для германия Uбэ.пор=0,2- 0,4В.
Итак, в состояние выключено на транзисторе напряжения и токи следующие:
для входной цепи Uбэ<Uбэ.пор, Iб= - Iк0 ;
для выходной цепи Iк=Iк0, UКЭ выкл = Ек - JК0.RН Ек .
Сопротивление транзистора в режиме отсечки велико и примерно равно: Rотс UКЭ выкл/ Iк0 =1МОм, (здесь считали, что UКЭ выкл=5В, а Iк0=5мкА).
Определим напряжение входного источника сигнала U0вх, при котором транзистор заперт. Из схемы и условия запирания ключа следует, что Uбэ= U0вх - Iк0RБ < Uбэ.пор , т.е.
U0вх < Iк0RБ + Uбэ.пор .
Необходимо помнить, что Iк0 сильно возрастает с увеличением температуры, а потому условие выбора величины U0вх должно выполняться на самой высокой температуре. Поскольку для кремниевах транзисторов Iк0 значительно меньше чем для германиевых, то для них указанное условие всегда выполняется при U0вх>0.
2. Второе состояние - ключ включен, открыт, замкнут (точка В). Такое возможно когда, транзистор будет в состояние насыщения, т.е. оба его перехода окажутся смещенными в прямом направлении - это режим двойной инжекции.
В режиме насыщения на транзисторе остается остаточное напряжение, его называют напряжением насыщения. Оно состоит из двух составляющих:
Uкэ ост=Uкэ+ Iкнrкэ.наc,
где Uкэ - разность напряжений на переходах, Iкнrкэ.наc - падение напряжения на омическом сопротивлении коллекторной области транзистора.
Обычно полное остаточное напряжение несколько десятков или сотен милливольт (Uост около 0,1…0,2В).
В режиме насыщения через транзистор протекает ток коллектора насыщения:
IКН = (ЕК - UКЭ ОСТ ) / RК ЕК / RК.
Насыщение транзистора достигается увеличением тока базы. Однако при некотором его значении, которое называется током базы насыщения Iбн, дальнейший рост тока базы не приводит к возрастанию коллекторного тока насыщения IКН.. Поэтому обычно условием насыщения ключа считают соотношение
Iб = S IбН IбН = IКН / = Ек/(Rк)
где - коэффициент передачи тока базы транзистора.
Условие насыщения (неравенство) должно выполняться даже при неизбежном изменении величин входящих в него. Силу неравенства характеризуют параметром S - степень насыщения
S = Iб/Iб нас.
Значение S = 1 соответствует границе с активным режимом. На практике для надежного насыщения S>5.
Итак, в состояние включено на транзисторе напряжения и токи следующие:
для входной цепи Uбэ >Uбэ.пор, Iб IбН ;
для выходной цепи Iк= IКН , UКЭ = Ек ост .
Определим напряжение входного источника сигнала U1вх, при котором транзистор насыщен. Из схемы и условия насыщения ключа Iб = SIбН следует, что
U1вх /(Rб + Rвх оэ) = SЕк/(Rк) , т.е.
U1вх = SЕк Rб /(Rк).
Здесь учтено, что Rб >> Rвх оэ, Rвх оэ - входное сопротивление транзистора с ОЭ.
Передаточная (амплитудная) характеристика транзисторного ключа
Передаточная (амплитудная) характеристика электронного ключа это зависимость Uвых = Uк = F(Uвх). Она приведена на рис. 4. На ней можно выделить три участка.
Участок 1. При малом входном напряжении uвх<U0вх транзистор закрыт и на выходе устанавливается высокое напряжение U1к = Ек, что в цифровых схемах соответствует логической единице.
Участок 111. Если напряжение uвх>U1вх то транзистор полностью открывается. Через него в этом случае протекает большой ток коллектора, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rк будет большим, примерно равным напряжению питания Ек. На выходе ключа устанавливается низкий уровень напряжения U0к = Uост, что в цифровых схемах соответствует логическому нулю.
Участок 11. U0вх< uвх<U1вх. Это активный режим работы транзистора. Это зона неопределенности. uвх = U1вх. - U0вх - ширина зоны неопределенности.
1.2. Импульсный (динамический) режим работы биполярного транзистора
Переход транзисторного ключа из одного стационарного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени - времени переходных процессов. Этим временем определяется быстродействие переключения ключа и им определяется максимальная частота следования входных переключающих импульсов.
Быстродействие переключения определяется двумя факторами:
1. Инерционность транзистора, которая связана с конечной скорость движения зарядов, что приводит к необходимости учета времени их накопления и рассасывания;
2. Влияние паразитных элементов - перезаряд паразитных емкостей в процессе переключения.
Если входной сигнал (напряжение) представляет собой прямоугольный импульс, а его длительность достаточно велика, то выходной сигнал (напряжение Uк) тоже является прямоугольным импульсом, но противоположной полярности. Поэтому ключ называют инвертором.
Если входной сигнал (напряжение) представляет собой прямоугольный импульс, а его длительность достаточно мала и соизмерима с временем переходных процессов в транзисторном ключе, то возникают искажения и выходной импульс отличается от прямоугольного.
Рассмотрим переходные процессы свызанные с перезарядом паразитных емкостей в процессе переключения, а инерционностью транзистора пренебрегаем.
Схема ключа с учетом паразитной выходной емкости приведена на рис. а временные диаграммы входного и выходного напряжений на рис. .
В исходном состояние ключ выключен uвх=U0вх, uк=Ек. Емкость С0 заряжена до напряжения Ек.
При t=t1 возникает положительный перепад напряжения uвх=U1вх, транзистор мгновенно переходит в состояние насыщения, но напряжение uк мгновенно не изменяется. Происходит разряд конденсатора С0, через транзистор находящимся в состояние насыщения, с постоянной времени разр= С0RVTнас , где RVTнас - сопротивление транзистора находящегося в состояние насыщения.
При t=t2 возникает отрицательный перепад напряжения uвх=U0вх, транзистор мгновенно переходит в выключенное состояние, но напряжение uк мгновенно не изменяется. Происходит заряд конденсатора С0, через сопротивление Rк, с постоянной времени зар= С0Rк. Поскольку Rк > RVTнас, то зар > разр , то в основном искажения прямоугольного импульса наблюдаются на этапе выключения ключа.
Рассмотрим переходные процессы и искажения, обусловленные инерционностью транзистора, а влиянием паразитной емкости пренебрежем.
В исходном состоянии на базу транзистора подано запирающее напряжение –E-Б. Процесс отпирания транзистора при подаче отпирающего напряжения +E+Б можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление заряда. Этап: задержки фронта обусловлен зарядом входной емкости запертого транзистора от значения –E-Б до напряжения отпирания эмиттерного перехода U* (для кремниевого иранзистора U*»0,6В для германиевого U*»0,2В). Этот процесс протекает с постоянной времени c
c=RБCвх (39)
Входную емкость Свх обычно принимают равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов
Cвх=CЭбар+CКбар (40)
Время задержки фронта определяется формулой
(41)
В момент t1 появляется ток базы и транзистор переходит в активный режим. Коллекторный ток возрастает до Iкн , а коллекторное напряжение падает до Uкн в условиях заданного тока базы Iб1. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени
(10)
где t - время жизни носителей в базе, для схемы включения с ОЭ
t = tb; Ск - емкость коллекторного перехода.
Длительность фронта tф=t2 – t1 , определяют формулой
(11)
При S>>1 формула упрощается:
tф = oe / S (43а)
В течение времени tф=t2 – t1 в базе транзистора растет заряд неосновных носителей, достигая граничного значения Qст Q. Ток Iк возрастает пропорционально Q. В момент времени t2 транзистор переходит в насыщение, после чего токи транзистора остаются практически постоянными, а заряд Q нарастает до стационарного значения. Стационарного значения заряд достигнет только в случае если длительность входного импульса , где tb - постоянная времени транзистора в схеме с ОЭ. ,
Процесс выключения начинается в момент t3, когда Ed=0. В цепи базы появляется обратный ток, под действием которого заряд в базе уменьшается.
Время, в течение которого заряд уменьшился от Qст до Qгр, называется временем рассасывания tp , при этом транзистор остается в режиме насыщения, а, следовательно, происходит задержка включения на время tp. Рассасывание происходит в тех же условиях, что и накопление при неизменных внешних токах, поэтому и скорость процесса рассасывания определяется той же постоянной времени tb.
(13)
если ,
тогда (14)
По окончании этапа рассасывания начинается этап запирания транзистора. В момент времени t4 транзистор переходит в активный режим. Заряд в базе убывает до 0. Длительность запирания транзистора обычно определяют процессом заряда коллекторной емкости, которая протекает с постоянной времени , тогда
(15)
Это время определяется на уровне Iк = 0,1Iкн.
Время включения tвкл и время выключения tвыкл. равны
tвкл= tзф+ tф, tвыкл.= tр+ tс (48)
При практическом определении времен tзф, tф, tр, tс обычно используются уровни 0,1IКН и 0,9IКН .
Из рассмотренного выше следует, что повышение быстродействия ключа, т.е. уменьшение tф , tp , tc можно достичь, переключая его током базы, временная диаграмма которого показана на рис 5. Включение в момент t1 производится сильным током Id1 > Idн, в момент t2 ток базы снижается до значения Id2 = Idн, при этом заряд в базе уменьшается до величины Qгр. Тем самым транзистор подготавливается к выключению (исключается время на рассасывание избыточного заряда). Выключение в момент t3 осуществляется путем подачи в базу тока Id3.