Электронные ключи Направление подготовки: ИСиТ

При работе в импульсных схемах электронные приборы (лампы, транзисторы, тиристоры и др ) имеют два рабочих состояния. В одном из них электронный прибор закрыт, ток через него практически не проходит и его внутреннее со­противление R_i велико; в другом состоянии прибор открыт, ток в выходной цепи имеет заданное значение, а внутреннее сопротивление мало. Переход из одного состояния в другое сопровождается переходным процессом, время которого определяет длительность фронта и среза импульса. Такой режим работы электронного прибора называется ключевым.

1. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ

Когда коммутируемая импульсная мощность не превышает де­сятков ватт, в качестве ключевых элементов используются тран­зисторы.

В мощных генераторах импульсов применяют специальные импульсные модуляторные лампы. Двум рабочим состояниям

 

Рис. 7.1. Анодно-сеточная и сечочная характеристики лам­пы.

Рис. 7.2. Схема ключа на электронной лампе.

электронной лампы соответствуют определенные положения ра­бочей точки на анодно-сеточной характеристике (рис. 7.1). Лампа закрыта (режим отсечки), когда напряжение на сетке u_сет мень­ше порогового U_пор и рабочая точка (точка А) находится на го­ризонтальном участке характеристики. Анодный и сеточный токи лампы при этом практически равны нулю. Когда u_сет> U_пор, лампа открыта. В анодной цепи протекает ток I_a, а если при этом напряжение на сетке положительное, то имеет место сеточный ток I_сет(точка В). Участок характеристики между этими двумя точками нельзя аппроксимировать отрезком прямой линии.

Таким образом, электронная лампа в ключевом режиме ведет себя как существенно нелинейный элемент. Естественно, что при анализе импульсных схем необходимо учитывать эту нелиней­ность.

Чтобы, с одной стороны, учесть нелинейность электронных приборов, а с другой — не усложнять расчет, используют ис­кусственный прием расчета импульсных схем. Сущность его со­стоит в том, что рассматривают процессы в схеме для двух состоя­ний электронного прибора: открытого и закрытого, который пред­ставляется соответствующими эквивалентными параметрами. Вид анодно-сеточной характеристики электронной лампы (ее нелинейность) не имеет существенного значения, поскольку за­кон изменения напряжения или тока при формировании фронта и среза импульса не является главным. Определяющей является длительность переходного процесса, которая должна быть минимальной.

В режиме отсечки участки схемы, к которым подключены сет­ка и анод лампы (рис. 7.2), представляются разомкнутыми. В отк­рытом состоянии анодная цепь заменяется эквивалентным резис­тором, сеточная цепь также представляется эквивалент­ным резистором.

Длительность перехода лампы из открытого состояния в за­крытое и обратного перехода определяется временем изменения напряжения на электродах, которое в основном зависит от пос­тоянной времени цепей перезарядки межэлектродных емкостей. Инерционность электронного потока лампы при анализе переходного процесса обычно не учитывают, так как время пролета электронами между электродного простран­ства составляет доли наносекунды. Поскольку длительность фронта и среза импульсов, генерируемых схемами с модулятор­ными лампами, гораздо больше этого времени, такое допущение правомерно.

2. СТАТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Рис. 7.3. Схема транзисторного ключа с общим эмиттером

В силу ряда неоспоримых преимуществ (отсутствие накала, ма­лые габариты, малая потребляемая мощность, высокая надеж­ность) транзисторы полностью заменили электронные лампы в ма­ломощных импульсных схемах. Более того, использование тран­зисторов позволило создать такие схемы, реализация которых с помощью ламп принципиально невозможна. В импульсных схемах используются германиевые и кремниевые, биполярные и полевые транзисторы. В дальнейшем будем рассматривать схемы на кремниевых транзисторах n-p-n-типа, поскольку они наиболее широко применяются.

В большинстве случаев используют транзисторный ключ с общим эмиттером (ОЭ), в котором нагрузочный резистор включен в коллекторную цепь (рис. 7.3). (Если в схеме используется

не п-р-п-, а p-n-p-транзистор, то на коллектор подается отрица­тельное напряжение.) Напряжения и токи, соответствующие за­крытому и открытому состояниям транзистора, могут быть опре­делены с помощью входных и вы­ходных статических характеристик транзистора, включенного по схе­ме ОЭ (рис. 7.4).

Режим отсечки. Закрытому состоянию транзистора соответ­ствует режим отсечки, при кото­ром на коллекторном и эмиттер-ном переходах действуют обратные напряжения. Через переходы проходят токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей заряда в объеме по­лупроводника. При включении

транзистора по схеме ОЭ в режиме отсечки в коллекторной цепи протекает ток, близкий обратному току коллекторного перехода. Этот ток закрытого кремниевого транзистора ничтожно мал (менее 1 нА), поэтому его обычно в расчетах не учитывают и

Рис. 7.4. Входная (а) и выходная (в) характеристики транзисторного ключа ОЭ

входное и выходное сопротивления закрытого кремниевого транзистора, определяемые сопротивлениями обратносмещенных коллекторного и эмиттерного переходов, при расчетах прини­мают бесконечно большими.

Ток коллекторного перехода закрытого германиевого тран­зистора на несколько порядков больше, чем ток кремниевого. Поэтому при анализе импульсных схем с германиевыми транзис­торами его учитывают и транзистор в режиме отсечки представ­ляют источником тока, действующим в цепи коллектор — база.

Прямые ветви входных статических характеристик в первом приближении представляются экспоненциальной зависимостью тока базы от напряжения база — эмиттер. Следовательно, сколь угодно малое увеличение напряжения u_бэ приводит к рос­ту I_б. Однако ток базы становится заметным лишь при опреде­ленном значении и u_бэ = U_отп. Поэтому при расчетах импульсных схем удобно пользоваться напряжением отпирания (открывания) U_отп.

Режиму отсечки соответствует точка А на статических ха­рактеристиках транзистора.

Режим насыщения. Транзистор открывается, когда на вход подается положительное напряжение, и при условии u_бэ > U_отп. коллекторный и базовый токи увеличиваются. По мере на­растания тока базы растет коллекторный ток и уменьшается кол­лекторное напряжение u_кэ за счет падения напряжения на ре­зисторе а также уменьшается обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу.

Пока при увеличении тока на коллекторном переходе имеется обратное напряже­ние, транзистор находится в активном режиме и имеет место сле­дующее соотношение между токами:

При некотором значении базового тока напряжение на кол­лекторном переходе становится равным нулю и дальнейшее увеличение тока I_б, а следовательно, и тока I_к приводит к появ­лению прямого напряжения на коллекторном переходе, т. е. потенциал базы относительно коллектора становится положи­тельным. В прямом направлении оказывает­ся включенным не только эмиттерный, но и коллекторный пере­ход. Это приводит к тому, что не все носители, инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода, перехваты­ваются им. Навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, движется поток таких же носителей из коллек­тора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков. В результате коллекторный ток при дальнейшем уве­личении тока базы перестает расти. Транзистор переходит в режим насыщения, который характеризуется постоянством тока коллектора В связи с тем что в режиме насыщения кол­лекторный переход не осуществляет полной экстракции носите­лей из базы, там происходит их накопление и интенсивная ре­комбинация и пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к не выполняется.

Напряжения на коллекторе и базе насыщен­ного транзистора остаются практически постоянными.

Токи, протекающие во внешней цепи транзистора в насыще­нии, определяются следующими соотношениями:

где U_Б⁺, U_П - напряжения источников питания базы и коллек­тора.

Как видно, токи транзисторного ключа в режиме насыщения определяются внешними параметрами схемы и практически не зависят от характеристик-транзистора. Режиму насыщения соот­ветствует точка В на статических характеристиках.

Режим насыщения кремниевого транзистора определяется условием u_кб = -U_отп При заданных коллекторном и базовом токах удобным для расчетов является критерий насыщен­ного состояния по току. Его можно установить, рассуждая так. Пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к , справедливая для активного режима, сохраняется вплоть до отпирания коллекторного перехода. Следовательно, на границе активного режима и режима насыщения также имеет место соотношение  где I_{б гр} - базо­вый ток, при котором транзистор входит в режим насыщения. Как было отмечено, дальнейшее увеличение базового тока не приводит к росту коллекторного тока. Таким образом, критерий насыщенного состояния транзистора можно записать в виде

 (7.1)

Если в соотношение (7.1) подставить выражения для токов получим:

В реальных условиях работы транзисторного ключа напря­жения источников питания могут изменяться, имеет место также разброс сопротивлений резисторов и коэффициента передачи тока h_21э. Это может привести к невыполнению неравенства (7.1), выходу транзистора из режима насыщения и соответственно к изменению коллекторного тока и выходного напряжения. Для обеспечения устойчивого режима работы транзисторного ключа параметры его рассчитывают таким образом, чтобы неравенство (7.1) выполнялось при изменениях в некоторых пределах вхо­дящих в него величин.

Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения:

Хотя для повышения помехоустойчивости желательно увеличивать коэффициент насыщения, однако сле­дует помнить, что при этом растет время переключения транзис­торного ключа.

3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения и обратно не мгновенно, а в течение определенного времени. Эта инерционность биполярного транзистора обусловлена двумя ос­новными факторами: накоплением заряда неосновных носителей в базе и емкостями коллекторного С_к и эмиттерного Сэ перехо­дов. Кроме того, на длительность переходных процессов тран­зисторного ключа оказывает влияние емкость нагрузки С_н.

Расчет длительности переходных процессов в транзисторном ключе проводится методом заряда, базирующимся на том факте, что в базе объемный заряд неосновных носителей скомпенсиро­ван, т. е. база электрически нейтральна.

Метод заряда. Так как в базе (p-область) неосновными но­сителями являются электроны, то при u_бэ > U_отп ток базы i_б(t) определяет скорость накопления электронов dq/dt в ней (q — заряд неосновных носителей) и компенсирует их убывание q/t в результате рекомбинации (t — время жизни неосновных носителей в базе). Кроме того, ток базы идет на перезарядку ем­костей' Ск и Сэ при изменении напряжения на переходах. Следо­вательно,

 (7.2)

Если емкостные токи коллекторного  и эмиттерного  переходов невелики, то уравнение (7.2) упрощается:

dq/dt + q/t = i_б(t) (7.3)

В стационарном состоянии, когда dq/dt = 0,

q = tI_б, (7.4)

т. е. избыточный заряд неосновных носителей в базе пропорцио­нален базовому току. Это соотношение справедливо не только в активном режиме, но и в режиме насыщения транзистора.

С помощью уравнений (7.2) или (7.3) можно определить объем­ный заряд неосновных носителей в базе в функции времени. Од­нако при расчете импульсных схем на транзисторах основной ин­терес представляет определение закона изменения коллекторно­го тока.

В активном режиме работы транзистора при условии, что рас­пределение концентрации неосновных носителей заряда в базе является линейным, имеет место соотношение, которое с извест­ным приближением дает связь между зарядом неосновных носителей в базе и коллекторным током транзистора:

 (7.5)

Это соотношение в стационарном режиме справедливо с высокой точностью. Однако в переходном режиме, длительность которо­го соизмерима с временем распространения носителей вдоль базы, линейный характер распределения неосновных носителей в базе нарушается.

Решая уравнения (7.2) или (7.3) и используя соотношение (7.5), можно определить закон изменения коллекторного тока при заданном базовом токе. Преобразуем по Лапласу уравнение (7.3), поскольку это упрощает процедуру решения при различных начальных условиях:

 (7.6)

где q(0) — начальное значение заряда неосновных носителей в базе; р — оператор Лапласа.

Задержка включения. Рассмотрим процесс включения тран­зисторного ключа при условии, что в момент времени /о на его входе напряжение скачком изменяется от U_б^- до U_б⁺(рис. 7.5). В базовой цепи устанавливается ток . Хотя управляющее напряжение изменяется скачком, разность потенциалов между базой и эмиттером из-за наличия прежде все­го емкостей С_э и С_к нарастает до значения U_отп при котором транзистор открывается, но не сразу, а в течение определенного времени. Таким образом, импульс коллекторного тока начина­ется в момент времени, т. е. с некоторой задержкой относи­тельно момента подачи отпирающего напряжения Интервал времени t_зд = t₁ – t₀ определяет длительность стадии задерж­ки - время, в течение которого происходит перезарядка ем­костей С_э и С_к. Так как в это время через транзистор протекают емкостные токи, то эквивалентная схема транзисторного ключа

Рис. 7 5. Переходные процессы в ключе ОЭ

Рис. 7.6. Эквивалент­ная схема ключа

 

на этапе задержки включает внешние резисторы и емкости пере­ходов (рис. 7.6).

В транзисторном ключе обычно R_б > R_к поэтому, пренебре­гая R_к получим цепь первого порядка, переходной процесс в которой определяется соотношением

где . Когда ем­кость нагрузки транзисторного ключа С_н соизмерима или боль­ше суммарной емкости переходов, . После подстановки получим

Стадия задержки заканчивается, когда  поэтому

Формирование фронта. Когда в момент времени t₁ эмиттерный переход открывается, начинается процесс нарастания коллек­торного тока, сопровождающийся снижением коллекторного на­пряжения. Коллекторный ток увеличивается до момента време­ни t₂, когда транзистор входит в режим насыщения. В интервале времени t₁ …t₂. происходит формирование фронта импульса тока. Длительность фронта t_ф = t₁ + t₂можно определить из уравне­ния (7.6). Так как начальный объемный заряд q(0) = 0, а

(7.9)

Подставив выражение (7.9) в (7.5), получим:

(7.10)

Таким образом, и объемный заряд неосновных носителей в базе, и коллекторный ток во время формирования фронта из­меняются по экспоненциальному закону. Когда i_к (t₂ ) = I_к и заряд неосновных носителей в базе достигает значения q(t₂) = tI_{к нас} /h_21э, формирование фронта заканчивается. Восполь­зовавшись соотношением (7.9), получим формулу для расчета длительности фронта

(7.11)

Из полученного соотношения следует, что увеличение базового тока включения приводит к уменьшению длительности фронта импульса коллекторного тока. Если при формировании фронта емкостный ток соизмерим с коллекторным током транзистора, то для расчета t_ф в формуле (7.11) необходимо заменить t на t_экв из (7.8).

После того как транзистор войдет в режим насыщения, ток i_к и напряжение u_кэ перестают изменяться, но процесс накопле­ния заряда продолжается по экспоненциальному закону в соот­ветствии с выражением (7.9), однако постоянная времени здесь другая: t_нас = (0,8. . .0,9)t.

Поскольку процесс накопления носит экспоненциальный ха­рактер, то время, в течение которого заряд неосновных носителей достигает стационарного значения, можно вычислить по форму­ле t_нас = (0,8. . .0,9)t_нас.

На этом процесс включения транзисторного ключа заканчи­вается.

4. ВЫКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Когда в момент времени t₃ происходит переключение входного напряжения с U_б⁺ на U_б^- (см. рис. 7.3), начинается процесс вы­ключения транзисторного ключа. При переключении входного напряжения ток базы меняет направление и становится равным

Стадия рассасывания. В результате изменения направления базового тока начинается процесс рассасывания неосновных носителей. Несмотря на уменьшение заряда, транзистор некото­рое время находится в режиме насыщения и коллекторный ток остается равным I_{к нас} В момент времени t₄ (см. рис. 7.5) кон­центрация неосновных носителей около коллекторного перехода уменьшается до нуля и на коллекторном переходе восстанавли­вается обратное напряжение.

Таким образом, интервал времени t_рас = t₄ – t₃ определяет за­держку среза импульса коллекторного тока. Время t_рас, кото­рое называется временем рассасывания, можно определить из уравнения (7.6), положив

Переходя от изображения к оригиналу, получим

Этап рассасывания заканчивается, когда транзистор входит в активный режим, и если положить, что в момент времени t₄ объемный заряд q(t₄) = t_нас I_{к нас} /h_21э, то получим

(7.12)

Иногда зарядом q(t₄ ) пренебрегают, и формула для расчета вре­мени рассасывания принимает вид

Стадия формирования спада. В дальнейшем начинается умень­шение базового и коллекторного токов, что сопровождается уве­личением напряжения u_кэ и формируется спад вершины импульса коллекторного тока. Процессы, протекающие в транзисторном ключе в этой стадии, довольно сложны, и количественная оцен­ка длительности спада зависит от того, какие факторы пре­валируют. Принимая во внимание, что в момент окон­чания стадии спада q(t₅) = 0, получаем

(7.13)

Данная формула получена при довольно грубом приближе­нии, поскольку в действительности ток базы не остается пос­тоянным и нельзя пренебрегать токами зарядки и емкости нагрузки транзисторного ключа. Когда определяющим явля­ется процесс зарядки этих емкостей, то длительность спада рас­считывается по формуле

5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быстров Ю. А. Мироненко И. Г. “Электронные цепи и устойства”
2. Манаев Е. И. “Основы радиоэлектроники”
3. Степаненко И. П. “Основы микроэлектроники”
4. Пасынков В. В. “Полупроводниковые приборы”