На основе биполярного транзистора может быть построен электронный ключ - устройство, которое под действием управляющего сигнала замыкает или размыкает электрическую цепь. При этом транзистор в режиме отсечки эквивалентен разомкнутому ключу, а в режиме насыщения – замкнутому. На рис. 19, а, б представлены схема и временные диаграммы работы простейшего ключа на p-n-p транзисторе, включенном в схеме ОЭ. Для ряда пояснений на рис 19, в приведены выходные ВАХ биполярного транзистора и нагрузочная прямая для выходной цепи ключа.
Рис. 19. Схема ключа на биполярном транзисторе (а), упрощенные временные диаграммы его работы (б), выходные ВАХ биполярного транзистора с нагрузочной прямой (в)
При Uвх=Uзап>0 транзистор заперт, т. е. находится в режиме отсечки (рис. 19, в, точка А), т. к. оба его перехода под обратным напряжением. Через нагрузку протекает чрезвычайно малый обратный коллекторного перехода Iкбо, а напряжение на коллекторе Uкэ=Ек - IкбоRк≈ Ек. Если теперь на вход подать отпирающее напряжение Uотп<0и увеличивать его по модулю, то возрастает базовый ток Iб и рабочая точка транзистора двигается по нагрузочной прямой от т. А вверх. При этом Iк возрастает, а |Uкэ| уменьшается, а также уменьшается напряжение на коллекторном переходе |Uкб|. Пока оно остается обратным, транзистор остается в активном режиме. Транзистор переходит в режим насыщения, когда напряжение на коллекторном переходе меняет знак, т. е. становится прямым. Для этого нужно, чтобы Iб превысил базовый ток насыщения Iбн, тогда при дальнейшем росте Iб ток коллектора остается неизменным и равным коллекторному току насыщения Iкн = βIбн, а Uкэ также остается неизменным и равным Uкэ нас (рис. 19, в, точка В). С другой стороны
Iкн = (Ек - Uкэ нас) / Rк ≈ Ек / Rк ,
т. к. обычно Uкэ нас << Ек . Таким образом, в режиме насыщения транзистор эквивалентен замкнутому ключу, т. к. ток через нагрузку Rк, равный Iкн, определяется Rк и Ек и практически не зависит от транзистора. Для характеристики режима насыщения вводится параметр, называемый степенью насыщения
S = Iб / Iбн = βIб / Iкн
Обычно S выбирают в пределах 2 – 10. Входное напряжение, обеспечивающее режим насыщения с заданным значением S, определяется следующим образом:
Uотп= Iб Rб + Uбэ нас,
причем Iб = SIбн = SIкН/β.
Переход транзистора из режима отсечки в режим насыщения и наоборот происходит не мгновенно. Длительность процессов включения и выключения определяется процессами накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, а также перезарядом емкостей его переходов. На рис. 20 представлены временные диаграммы работы ключа для случая, когда длительность импульса входного напряжения соизмерима с длительностью переходных процессов в схеме.
На интервале 0…t1 входное напряжение Uвх=Uзап>0, транзистор находится в режиме отсечки. В момент t1 напряжение на входе скачком меняется на Uотп<0, но Iк остается близким к 0, а Uкэ остается практически равным -Ек, т.е. наблюдается задержка включения. Uбэ не может измениться мгновенно, т. к. происходит заряд входной емкости ключа Cвх=Cэб+Cкб через Rб. Поэтому Uбэ уменьшается с постоянной времени τвх= RбCвх, стремясь к уровню U-. В момент t2 Uбэ достигает порогового значения Uбэ пор, при
Рис. 20. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе
котором транзистор начинает открываться (примерно 0,3 В для германиевых и 0,6 В для кремниевых транзисторов). Время задержки включения tзд можно найти по формуле
На интервале t2-t3 ток базы остается неизменным и равен Iб отп., а iк возрастает с постоянной времени τβ экв = τβ + βRкCкб и стремится достигнуть уровня βIб отп. Однако в
момент t3 транзистор входит в режим насыщения и iк ограничивается величиной Iкн. Время нарастания коллекторного тока tн= t3-t2 можно определить следующим образом:
Напряжение Uкэ на интервале t1-t3 меняется синхронно с током коллектора, достигая в момент t3 значения Uкэ нас. Время, необходимое для перевода ключа в замкнутое состояние, называют временем включения:
tвкл= tзд + tн
Обычно tзд значительно меньше tн, поэтому при выполнении экспериментальной части данной лабораторной работы измерение tзд не проводится.
Пока транзистор находится в режиме насыщения, за счет инжекции носителей заряда из эмиттера и коллектора в базу происходит накопление в базе избыточного заряда. Этот процесс можно охарактеризовать постоянной времени накопления τнак, которая обычно превышает τβ экв. За время порядка 3τнак накопление избыточного заряда в базе завершается. Очевидно, с ростом степени насыщения накопленный в базе заряд возрастает. Далее до момента смены полярности входного напряжения токи и напряжения в схеме остаются неизменными.
В момент t4 входное напряжение вновь становится равным Uзап. Имеет место бросок обратного тока базы Iб зап = Uзап / Rб, обусловленный движением неосновных носителей, накопленных в базе на этапе насыщения, обратно в эмиттер. На интервале t4-t5 этот ток остается постоянным. Пока в базе транзистора сохраняется избыточный заряд, транзистор насыщен, поэтому на интервале t4-t5 коллекторный ток также остается постоянным и практически равным Iкн. Токи базы и коллектора на интервале t4-t5, а также рекомбинация носителей заряда в базе являются причиной рассасывания заряда в базе, т. е. уменьшения накопленного в базе заряда с постоянной времени τнак. Время рассасывания tр= t5-t4 может быть определено по формуле
.
В момент t5 процесс рассасывания заряда в базе завершается, транзистор переходит из режима насыщения в активный режим. На интервале t5-t6 коллекторный ток уменьшается с постоянной времени τβ экв, стремясь к уровню -βIб зап. Однако в момент t6 коллекторный ток уменьшается до Iкбо, близкого к нулю, и транзистор входит в режим отсечки. Время спада тока коллектора tс= t6-t5 может быть определено по формуле
.
Базовый ток на интервале t5-t6 также плавно уменьшается от Iб зап практически до 0.
Время, необходимое для перевода ключа в разомкнутое состояние, называют временем выключения:
tвыкл= tр + tс
Следует отметить, что если в выходной цепи ключа имеется емкость Cвых, то одновременно с запиранием транзистора происходит заряд Cвых через резистор Rк. При больших τвых = RкCвых этот процесс может продолжаться даже после перехода транзистора в режим отсечки, тогда на интервале t5-t6 напряжение Uкэ меняется от -Uкэ нас до -Ек медленнее, чем iк, т. е. время спада выходного напряжения t`с > tс.
.
.