3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ В РЕЖИМЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Режим переключения характеризуется чередованием состояний насыщения и отсечки транзистора. Транзистор в режиме переключения может быть использован в двух принципиально различных случаях.

Коммутирующее напряжение, изменяющееся во времени по заданному закону, можно подвести к цепи эмиттер — база (или коллектор — база). Тогда цепь эмиттер — коллектор может быть использована как прерыватель тока, создаваемого источником сигнала в сопротивлении нагрузки. В данном случае усилительные свойства транзистора не используются, транзистор является пассивным переключателем. Этот режим называется ключевым. Транзисторы в ключевом режиме с успехом применяются в маломощных

модуляторах и демодуляторах [2]. Основные достоинства транзисторных ключевых схем — малая мощность, затрачиваемая в цепи коммутации, высокий к. п. д. выходной цепи, хорошая линейность и стабильность характеристик.

Коммутирующее (управляющее) напряжение, позволяющее изменять соотношение между длительностью открытого и закрытого состояния транзистора, можно подвести к цепи эмиттер — база. Тогда цепь эмиттер — коллектор может быть использована как прерыватель тока, создаваемого источником питания в сопротивлении нагрузки. В этом случае транзистор используется одновременно как прерыватель и усилитель мощности, поэтому он является активным переключателем, позволяющим получить усилитель, работающий в режиме переключения. Основное достоинство режима переключения (режима заключается в высоком коэффициенте полезного действия, во много раз большем, чем в режимах непрерывного регулирования мощности.

Главным условием успешного проектирования и практического исполнения силовых транзисторных переключающих устройств является применение методов, обеспечивающих получение минимальной мощности, рассеиваемой как в транзисторах, так и в пассивных элементах схем (резисторах) при заданной мощности в нагрузке. Для этого в насыщенных транзисторах должно быть минимальным напряжение коллектор — эмиттер, в запертых транзисторах — минимальным коллекторный ток; во время переключения должна быть максимальной скорость изменения коллекторного тока, а в цепях управления силовыми транзисторами — рассеиваться минимальная мощность.

Взаимозаменяемость транзисторов в переключающих схемах безусловно обеспечивается, если их расчет производить, полагая коэффициент усиления по току минимальным, а — максимальным. Температурная стабильность статического режима переключающих схем означает, что даже при минимальном и максимальном все транзисторы должны находиться в состоянии насыщения или отсечки, не выходя в активную область. Это требование также выполняется при минимальном, а максимальном.

Статические состояния транзистора.

Признаком насыщенного состояния транзистора типа является положительная полярность напряжений на обоих переходах, т. е. При этом коллекторный ток получается меньшим, чем в активной области или в граничном режиме . В насыщенном транзисторе где — статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Величина характеризует глубину насыщения транзистора и называется коэффициентом насыщения. Разность называется избыточным током базы

В граничном режиме . В области насыщения

Особенно существенно, что даже при небольших значениях напряжение коллектор — эмиттер меньше, чем в граничном режиме. Это приводит к снижению мощности, рассеиваемой в выходной цепи транзистора.

Рис. III. 13. Простейшая эквивалентная схема насыщенного транзистора с подключенными источниками во входной и выходной цепях

Простейшая эквивалентная схема транзистора в области насыщения (рис. III. 13) может быть представлена в виде четырехполюсника с входным напряжением и приблизительно линейным выходным сопротивлением где — дифференциальная крутизна характеристики при данной величине коллекторного тока.

Низкое дифференциальное входное сопротивление насыщенного транзистора определяет необходимость включения сопротивления в цепь источника управляющего напряжения (рис. III.13).

Рис. III. 14. Графический расчет каскада с насыщенным транзистором: а — выходная цепь; б — входная цепь

Для статического расчета выходной и входной цепей насыщенного транзистора (рис. II 1.14) справедливы следующие соотношения:

где — напряжение питания выходной цепи; — напряжение коллектор — эмиттер насыщенного транзистора;

сопротивление в цепи коллектора;

— выходное сопротивление насыщенного транзистора;

- э. д. с. источника напряжения в цепи базы, необходимого для насыщения транзистора;

— сопротивление в цепи базы, т. е. внутреннее сопротивление источника напряжения;

— напряжение база — эмиттер насыщенного транзистора. В частном случае при

В области отсечки коллекторный ток, минимален. Для этого эмиттерный переход должен быть заперт напряжением не менее при котором ток эмиттера равен нулю.

Рис. III.15. Транзистор в области отсечки: а — соотношения между токами электродов; б — схема включения источника запирающего напряжения

Величина температурного потенциала при равна поэтому при не превышает 0,12 В. Практически запирающее напряжение выбирают больше в пределах от 0,3-0,5 В до нескольких вольт. В области отсечки токи электродов транзистора определяются следующими выражениями:

где — коэффициент усиления по току в инверсном режиме транзистора.

Направления токов показаны на рис. III. 15, а. Приближенно, с точностью, достаточной для статического расчета силовых переключающих схем, можно полагать в области отсечки

Расчет цепи запирания транзистора (рис. III. 15, б) производится из соотношения

где — максимально возможное значение обратного коллекторного тока при заданной температуре переходов транзистора.

Выбирая следует учитывать, что при уменьшении величина приближается к а направление на коллекторном переходе стремится к Поэтому желательно иметь значительно меньше напряжения питания схемы. Сопротивление в принципе может быть как угодно уменьшено по сравнению с величиной, определяемой из условия отсечки. При этом лишь увеличивается приближаясь к

Схема управления в наиболее общем виде состоит из источника отпирающего напряжения с внутренним сопротивлением и источника запирающего напряжения с внутренним сопротивлением Источники могут быть включены параллельно или последовательно.

Рис. 111.16. Эпюры напряжений на нагрузке: а — в первом импульсном режиме; б — во втором импульсном режиме; в — в третьем импульсном режиме

Некоторые элементы этой схемы должны скачкообразно изменять свои параметры так, чтобы в одном состоянии эквивалентная схема цепи управления удовлетворяла условию насыщения, а в другом состоянии — условию отсечки.

Схемы с транзисторами, работающими в режиме переключения, и методы их расчета описаны в работах [2,15].