3.2. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРА

Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение электронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключевых элементов находят транзисторные каскады, в первую очередь каскад с общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу такого каскада (рис. 3.4, а) в ключевом режиме. При рассмотрении воспользуемся графическим методом расчета транзисторных цепей (см. § 2.2).

На рис. 3.4, б приведена выходная характеристика транзистора, на которой нанесена нагрузочная линия, пересекающая оси координат в точках .

В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях:

1. Состояние (режим) отсечки («ключ разомкнут»). При этом через транзистор протекает минимальный ток.

Рис. 3.4. Транзисторный ключ: а — простейшая схема; б — траектория рабочей точки

Рис. 3.5. Схемы замещения транзистора в режимах отсечки (а) и насыщения (б)

Это состояние соответствует точке А на диаграмме рис. напряжение на транзисторе .

Транзистор в режиме отсечки может быть представлен схемой замещения рис. 3.5, а, содержащей только один источник тока , включенный между базой и коллектором.

Для того чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо выполнить условие отсечки: сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора или для n-p-n транзистора выполнить условие

Мощность, теряемая в режиме отсечки на транзисторном ключе, мала, так как мал ток.

2. Состояние (режим) насыщения («ключ замкнут»). Минимальное напряжение на транзисторе соответствует точке В на диаграмме рис, 3.4,б.

Ток через транзистор ограничен резистором и определяется

Физические процессы в транзисторе при малых рассмотрены в § 1.5. В режиме насыщения оба перехода тран. зистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжения между электродами транзистора малы. Транзистор в режиме насыщения представлен схемой замещения рис. 3.5, б, которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что «транзистор стянут в точку»).

Режим насыщения достигается уже при . Дальнейшее увеличение тока базы не изменяет тока в коллекторной цепи. Таким образом, условие насыщения транзистора записывается в виде

где .

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (3.3) выполнялось при .

Величина называется коэффициентом насыщения транзистора.

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе, мала, так как мало напряжение. Напряжение приводится в справочниках, для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым

При работе транзисторного ключа переключение из открытого состояния в разомкнутое и обратно происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Таким образом, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является важным преимуществом по сравнению с полупроводниковыми устройствами, рассмотренными в гл. 2.

Часто применяется схема транзисторного ключа, показанная на рис. 3.6, а. При подаче положительного напряжения . транзистор входит в режим насыщения. При отсутствии входного напряжения источник напряжения , связанный с базой транзистора через резистор обеспечивает режим отсечки.

Рассмотрим пример расчета ключа рис. 3.6, а.

Дано: Транзистор с параметрами . В качестве нагрузки используется резистор . Транзистор должен быть насыщен при . При транзистор в режиме отсечки.

Рис. 3.6. Транзисторный ключ с двухполярным питанием (а) и его схемы замещения в режимах отсечки (б) и насыщения (в)

Найти .

1. Начнем расчет с режима отсечки. Транзистор заменим схемой рис. 3.5, а. Тогда базовая цепь ключа может быть заменена схемой на рис. 3.6, б. Напряжение создается двумя источниками: источником напряжения и источником тока методом суперпозиции и найдем

Условие отсечки (3 1) можно записать в виде

Наихудшим с точки зрения запирания транзистора является случай, когда . Найдем

Примем с запасом для более надежного запирания кОм.

2. Перейдем к режиму насыщения. Транзистор заменим схемой замещения рис. 3.5, б, тогда базовая цепь схемы ключа сводится к схеме рис. 3.6, е. Ток базы создают источники напряжения . Снова воспользуемся методом суперпозиции

Условие насыщения (3.3) выполняется при

Наихудшим случаем для обеспечения насыщения является . Определяем

Примем .

Рассчитывая транзисторный ключ, мы встречаемся с характерной особенностью импульсных схем: несмотря на нестабильность входного сигнала (заданы зоны, в которых осуществляются режимы насыщения и отсечки при любых параметрах схемы), осуществляется надежное функционирование ключа. Схема обладает повышенной устойчивостью к воздействию помех на входе.

Широкое применение находят ключи на полевых транзисторах.

Рис. 3.7. Ключ на МДП-транзисторе: а — простейшая схема; б — траектория рабочей точки

На рис. 3.7 приведена схема на МДП-транзисторе с встроенным каналом -типа и линия нагрузки, построенная на выходных (стоковых) характеристиках полевого транзистора аналогично построениям на рис. Ключи на полевых транзисторах других типов строятся аналогично В открытом состоянии ключа напряжение на транзисторе мало , а ток ,

Этот же ток можно записать в виде

где - крутизна и напряжение отсечки полевого транзистора (см. § 1.6). Открытое состояние ключа поддерживается при выполнении условия

Для запертого состояния ключа, при котором необходимо подать на затвор транзистора напряжение .