Транзисторные ключи. Биполярный транзистор. Работа в режиме ключа.

Транзисторный ключ являются основным компонентом в импульсной преобразовательной технике. В схемах всех импульсных источников питания, которые практически полностью вытеснили трансформаторные источники питания, применяются транзисторные ключи. Примером таких источников питания являются компьютерные блоки питания, зарядные устройства телефонов, ноутбуков, планшетов и т. п. Транзисторные ключи пришли на смену электромагнитных реле, поскольку обладают таким основным преимуществом как отсутствие механических подвижных частей в результате чего увеличивается надежность и долговечность ключа. Кроме того скорость включения и выключения электронных полупроводниковых ключей значительно выше скорости электромагнитных реле.

Также транзисторный ключ часто используется для включения-выключения (коммутации) нагрузки значительной мощности по сигналу микроконтроллера.

Суть электронного ключа заключается в управлении им большой мощностью по сигналу малой мощности.

Существуют полупроводниковые ключи на базе транзисторов, тиристоров, симисторов. Однако в данной статье рассмотрена работа электронного ключа на биполярном транзисторе. В последующих статьях будут рассмотрены и другие типы полупроводниковых ключей.

В зависимости от полупроводниковой структуры биполярные транзисторы разделяют на два вида: p — n — p и n — p — n типа (рис. 1 ).

Рис. 1 – Структуры биполярных транзисторов

В схемах биполярные транзисторы обозначаются, как показано на рис. 2 . Средний вывод называется базой, вывод со “стрелочкой” – эмиттер, оставшийся вывод – коллектор.

Рис. 2 – Обозначение транзисторов в схемах

Также транзисторы условно можно изобразить в виде двух диодов, которые включены встречно, место соединения их всегда будет базой (рис.3 ).

Рис. 3 – Схемы замещения транзисторов диодами

Транзисторный ключ. Схемы включения.

Схемы включения транзисторов разных полупроводниковых структур показаны на рис. 4 . Переход между базой и эмиттером называется эмиттерный переход, а переход между базой и коллектором – коллекторный переход. Для включения (открытия) транзистора необходимо чтобы коллекторный переход был смещен в обратном направлении, а эмиттер – в прямом.

Рис. 4 – Транзисторный ключ. Схемы включения

Напряжение источника питания U ип прикладывается к выводам коллектора и эмиттера U кэ через нагрузочный резистор R к (см. рис. 4 ). Напряжение управления (управляющий сигнал) подается между базой и эмиттером U бэ через токоограничивающий резистор R б .

Когда транзистор работает в ключевом режиме он может находиться в двух состояниях. Первое – это режим отсечки. В это режиме транзистор полностью закрыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно напряжению источника питания. Второе состояние – это режим насыщения. В этом режиме транзистор полностью открыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно падению напряжения на

p — n – переходах и для различных транзисторов находится в пределах от сотых до десятых вольта.

На нагрузочной прямой входной статической характеристики транзистора (рис. 5 ) область насыщения находится на отрезке 1-2 , а область отсечки на отрезке 3-4 . Промежуточная область между этими отрезками – область

2-3 называется активной областью. Ею руководствуются когда транзистор работает в режиме усилителя.

Рис. 5 – Входная статическая характеристика транзистора

Для того, чтобы проще запомнить полярность подключения источника питания и напряжения сигнала управления следует обратить внимание на стрелку эмиттера. Она указывает направление протекания тока (рис.6 ).

Рис. 6 – Путь протекания тока через транзисторный ключ

Расчет параметров транзисторного ключа

Для примера работы ключа в качестве нагрузки будем использовать светодиод. Схема его подключения показана на рис. 7 . Обратите внимание на полярность подключения источников питания и светодиода в транзисторах разных полупроводниковых структур.

Рис. 7 – Схемы подключения светодиода к транзисторным ключам

Рассчитаем основные параметры транзисторного ключа, выполненного на транзисторе n — p — n типа. Пусть имеем следующие исходные данные:

— падение напряжения на светодиоде Δ U VD = 2 В ;

— номинальный ток светодиода I VD = 10 мА ;

— напряжение источника питания U ип (на схеме обозначено Uкэ) = 9 В ;

— напряжение входного сигнала

U вс = 1,6 В .

Теперь взглянем еще раз на схему, показанную на рис. 7 . Как мы видим, осталось определить сопротивления резисторов в цепи базы и коллектора. Транзистор можно выбрать любой биполярный соответствующей полупроводниковой структуры. Возьмем для примера советский транзистор n — p — n типа МП111Б .

Расчет сопротивления в цепи коллектора транзистора

Сопротивление в цепи коллектора предназначено для ограничения тока, который протекает через светодиод VD , а также для защиты от перегрузки самого транзистора. Поскольку, когда транзистор откроется, ток в его цепи будет ограничиваться только сопротивлением светодиода

VD и резистора R к .

Определим сопротивление R к . Оно равно падению напряжения на нем Δ U R к деленному на ток в цепи коллектора I к :

Так коллектора нами задан изначально, – это номинальный ток светодиода. Он не должен превышать I к=10мА .

Теперь найдем падение напряжения на резисторе R к . Оно равно напряжению источник питания

U ип (U кэ ) минус падение напряжения на светодиоде Δ U VD и минус падение напряжения на транзисторе ΔU кэ :

Падение напряжение на светодиоде, как и напряжение источника питания изначально заданы и равны 0,2В и 9В соответственно. Падение напряжения для транзистора МП111Б, как и для других советских транзисторов, принимаем равным порядка 0,2 В. Для современный транзисторов (например BC547, BC549, N2222 и других) падение напряжение составляет порядка 0,05 В и ниже.

Падение напряжения на транзисторе можно измерить, когда он полностью открыт, между выводами коллектора и эмиттера и в дальнейшем скорректировать расчет. Но, как мы увидим дальше, сопротивление коллектора можно подобрать более простым методом.

Сопротивление в цепи коллектора равно:

Расчет сопротивления в цепи базы транзистора

Теперь нам осталось определить сопротивление базы R б . Оно равно падению напряжения на самом сопротивлении ΔURб деленному на ток базы I б :

Падение напряжения на базе транзистора равно напряжению входного сигнала Uвс минус падение напряжения на переходе база-эмиттер ΔUбэ . Напряжение входного сигнала задано в исходных данных и равно 1,6 В. Падение напряжения между баз

9.4 Транзисторные ключи на биполярных транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств информационной электроники и многих устройств силовой электроники.

На рис. 9.11 а представлена схема простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, на рис 9.11 б – диаграмма входного напряжения, а на рис. 9.11 в – выходного напряжения.

В начале рассмотрим работу транзисторного ключа в установившемся режиме. До момента времени t₁ эммитерный переход транзистора заперт отрицательным входным напряжением, транзистор находится в режиме отсечки.

Рис.9.11. Схема простейшего ключа на биполярном транзисторе и диаграммы его работы

В этом режиме I_К=-I_б=I_K0 (I_K0 – обратный ток коллектора), I_Э0. Пренебрегая малым обратным током коллектора I_К0, получаем i_к = i_б  0 . При этом U_Rб  U_Rк  0; U_бэ  U₂; U_кэ  Е_К. (рис. 9.11 в).

В промежутке t₁  t₂ величину сопротивления R_б и входного напряжения U₁ выбирают так, чтобы транзистор находился в области насыщения, либо близкой к ней.

В этом режиме транзистор открыт и выполняются соотношения:

Таким образом, низкому входному (управляющему) потенциалу соответствует высокий потенциал на выходе ключа и наоборот. Такой режим работы называется инверсным. Часто ключевые схемы работают друг на друга и тогда входное (управляющее) напряжение будет иметь форму выходного сигнала, а это значит, что с учетом возможных входных помех, параметры схемы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы входное напряжение не превышало некоторую пороговую величину. Например, для кремниевых транзисторов надежное запирание обеспечивается уровнем в 0,4 В. Надежное отпирание транзистора обеспечивается при условии выполнения соотношения . Кроме этого необходимо учитывать, что R_К должно быть выбрано так, чтобы при открытом транзисторе коллекторный ток не превысил максимально допустимого для выбранного типа транзистора. То есть .

Надежное открывание транзистора сопровождается его переходом в область насыщения, при этом в цепи коллектора протекает ток I_Кнас., определяемый соотношением . Напряжение U_КЭ в режиме насыщения различно у различных типов транзисторов и обычно лежит в пределах 0,08 ÷ 1 В. Минимальный ток базы необходимый для обеспечения режима насыщения определяется выражением:

.

Глубину насыщения оценивают через коэффициент насыщения q_нас показывающий во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. То есть:

.

При выбранном q_нас можно производить расчет элементов ключа в статическом режиме. При этом следует руководствоваться следующими соображениями. Режим насыщения должен обеспечиваться для различных экземпляров транзисторов выбранного типа при заданном диапазоне температур. Увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает величину U_КЭ, уменьшая мощность выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но при этом увеличивается мощность выделяемая во входной его цепи. Кроме этого увеличение тока базы уменьшает время перехода из закрытого состояния в открытое (в режим насыщения), но затягивает время выхода транзистора из режима насыщения. Исходя из этих соображений, в расчетах принимают q_нас=1,5 ÷ 2.

Динамический режим работы ключа изображенного на рис 9.11 рассмотрим на временных диаграммах его работы. На рис 9.12 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс включения транзисторного ключа.

Рис.9.11. Временные диаграммы включения транзисторного ключа

При подаче входного переключающего напряжения начинается перезарядка барьерных емкостей эммитерного С_Э и коллекторного С_К переходов, поэтому, когда во время t₁ входное напряжение изменяется скачком, транзистор остается запертым, поскольку напряжение на его входной емкости не может изменятся скачком. Через сопротивление базы начнет протекать ток, изменяя U_бэ хотя сам транзистор продолжает оставаться запертым. Время задержки приблизительно можно определить по формуле:

t₃ = _вх[1+( U_бо/ U₁ )],

где _вх = R_б(С_Э+С_К), U_бо – начальное смещение U_бэ – вызванное выпирающим входным напряжением — U₂.

Значение t₃ обычно не велико. Поэтому этим временем в расчетах часто пренебрегают.

Когда напряжение U_бэ достигает некоторого порогового значения U_{бэ порог} транзистор начнет отпираться формируя фронт выходного сигнала t_ф. При этом коллекторный ток экспоненциально нарастает до перехода транзистора в режим насыщения. В это время экспоненциально падает U_эк=U_вых до достижения величины U_{кэ нас.}.

Длительность отрицательного фронта может быть определена в соответствии с формулой:

,

где _а – постоянная времени цепи базы,

— ток базы при переходе в режим насыщения.

Оценить порядок величины отрицательного фронта можно рассмотрев типовой пример. Так, если _а=2 мкс; _ст =50; =1 mА;=5 mА, то=0,2 мкс.

Общее время включения транзистора определяется суммой t₃ + t_ф.

Начиная с момента t₃ токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются, однако заряд в базе продолжает нарастать с постоянной времени _H и заканчивается через время t_H = (2÷3)_H.

Процесс выключения транзисторного ключа иллюстрируется рис. 9.12. и начинается с момента подачи входного отрицательного управляющего потенциала (-U₂) (время t₁) процесс запирания транзистора происходит в два этапа: рассасывание избыточного заряда (до времени t₂) и формирование положительного фронта (до времени t₃).

Заряд, накопившийся в базе открытого транзистора мгновенно рассосаться не может и в течение некоторого промежутка времени ток коллектора не изменяется. При достаточно большом запирающем напряжении время рассасывания можно определить по формуле

t_p = _Hq_насI_к.нас./(_стI_б),

где _H – постоянная времени насыщения; I_б – скачёк базового тока в момент начала выключения ключа. В интервале рассасывания ток базы (без учета U_бэ) определяется соотношением:

.

Рис.9.12. Временные диаграммы выключения транзисторного ключа

На интервале формирования положительного фронта продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток I_к значительно уменьшается, а напряжение U_кэ возрастает. По окончании время выключения (после времени t₃) ток коллектора становится равным току базы, эммитерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится практически равным нулю.

В рассматриваемой схеме время рассасывания t_расс существенно больше всех остальных времен, поэтому временем спада и установления можно пренебречь. При этом следует иметь ввиду, что чем больше по модулю переключающий ток базы, тем меньше время рассасывания, и чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания.

Количественный анализ переходных процессов удобнее всего осуществлять с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (например Micro – Cap V и др.)

Одним из способов повышения быстродействия является предотвращение насыщения транзистора с целью уменьшения времени рассасывания путем специальных схемотехнических решений. На рис. 9.13 приведен вариант реализации ненасыщенного транзисторного ключа с нелинейной отрицательной обратной связью по напряжению на высокочастотном диоде.

Рис.9.13. Вариант реализации ненасыщенного ключа

Напряжение смещения U_см в такой схеме выбирается в диапазоне0,4÷ 0,6В. Работает схема следующим образом. Пока транзистор достаточно далек от области насыщения, диод VD закрыт напряжением Е_К. На границе активного режима и режима насыщения напряжения U_КБ оказывается близким к нулю и диод открывается за счет U_СМ. После этого часть тока источника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается и транзистор не входит в режим насыщения.

На рис. 9.14 показан вариант схемы ненасыщенного ключа в котором нелинейная отрицательная обратная связь реализуется через диод Шотки у которого напряжение отпирания около 0,25 В. При использовании диода Шотки дополнительного источника смещения не требуется.

Рис.9.14. Ненасыщенный ключ на диоде Шотки

Транзисторные ключи. Схема, принцип работы

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или биполярных транзисторов. Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р–n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.

Статический режим работы

В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:

1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Этот параметр зависит от максимальной допустимой частоты, когда может осуществляться переключение сигналов. Это в свою очередь зависит от длительности переходного процесса, что определяется инерционностью транзистора, а также влиянием паразитных параметров. Для характеристики быстродействия логического элемента часто указывают среднее время, которое происходит при задержке сигнала, при его передаче в транзисторный ключ. Схема, отображающая его, обычно именно такой усреднённый диапазон отклика и показывает.

Взаимодействие с другими ключами

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Что выбрать

С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах аналоговых сигналов. Поэтому в них применяются специальные полевые транзисторы, где есть управляющий р–n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

Двухтранзисторные биполярные ключи в схемах на микроконтроллере

«Один в поле не воин». Так можно символически охарактеризовать однотранзисторные ключи. Естественно, в паре с себе подобными решать поставленные задачи гораздо легче. Введение второго транзистора позволяет снизить требования к разбросу и величине коэффициента передачи А₂1э- Двухтранзисторные ключи широко применяются для коммутации повышенных напряжений, а также для пропускания большого тока через нагрузку.

На Рис. 2.68, a…y приведены схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах к MK.

Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (начало):

а)транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем. Он усиливает ток и через ограничительный резистор R2 подаёт его в базу транзистора VT2, который непосредственно управляет нагрузкой R_H;

б) транзисторы K77, VT2 включены по схеме Дарлингтона (другое название «составной транзистор»). Общее усиление равно произведению коэффициентов передачи Л_21Э обоих транзисторов. Транзистор VT1 обычно ставят маломощный и более высокочастотный, чем VT2. Резистор R1 определяет степень насыщения «пары». Сопротивление резистора R2 выбирается обратно пропорционально току в нагрузке: от нескольких сотен ом до десятков килоом;

в) схема Д.Бокстеля. Диод Шоттки VD1 ускоряет запирание мощного транзистора VT2, повышая в 2…3 раза крутизну фронтов сигнала на частоте 100 кГц. Тем самым нивелируется основной недостаток схем с транзисторами Дарлингтона — низкое быстродействие;

г) аналогично Рис. 2.68, а, но транзистор VT1 открывается при переводе линии MK в режим входа с Z-состоянием или входа с внутренним « pull-up» резистором. В связи с этим уменьшается токовая нагрузка на линию порта, но снижается экономичность за счёт рассеяния дополнительной мощности на резисторе R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

д) «само защищённый ключ» на силовом транзисторе VT2 и ограничивающем транзисторе VT1 Как только ток в нагрузке Л_н превысит определённый порог, например, из-за аварии или замыкания, на резисторе R3 выделяется напряжение, достаточное для открывания транзистора VT1 Он шунтирует базовый переход транзистора VT2, вызывая ограничение выходного тока;

е) двухтактный усилитель импульсов на транзисторах разной структуры; О

ж) транзистор И72открывается с относительно малой задержкой по времени (R2, VD1, C7), а закрывается — с относительно большой задержкой по времени (C7, R3, VT1)\

з) высоковольтный ключ, обеспечивающий фронты импульсов 0.1 МК с при частоте повторения до 1 МГц. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт, а ГТ2закрыт. На время импульса транзистор VT1 открывается и через него быстро разряжается ёмкость нагрузки 7?_н. Диод VD1 исключает протекание сквозных токов через транзисторы VT1, VT2\

и) составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT1, ГТ2обладает сверхбольшим коэффициентом усиления по току. Резистор 7?2гарантированно закрывает транзисторы при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

к)транзистор VT1 в открытом состоянии блокирует транзистор VT2. Резистор R1 служит коллекторной нагрузкой транзистора VT1 и ограничителем базового тока для транзистора VT2\ л) мощный двухтактный каскад с буферной логической микросхемой 7)7)7, которая имеет выходы с открытым коллектором. Сигналы с двух линий MK должны быть противофазными. Резисторы R5, 7?6ограничиваюттоки в нагрузке, подключаемой к цепи 6 _вых; О

м) ключ для нагрузки Л_н, которая подключается к источнику отрицательного напряжения. Транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем, а транзистор VT2 — усилителем с общей базой. Максимальный ток нагрузки определяется по формуле /_н[мА] = 3.7 /Л,[кОм]. Диод VDJ защищает транзистор VT2 от переполюсовки питания.

н) ключ на транзисторах разной структуры. Резистор R1 определяет ток в нагрузке R_H, но подбирать его надо осторожно, чтобы не превысить ток базы транзистора VT2 при полностью открытом транзисторе VT1 Схема критична к коэффициентам передачи обоих транзисторов;

о) аналогично Рис. 2.68, н, но транзистор VT1 используется как ключ, а не как переменное сопротивление. Ток в нагрузке задаётся резистором R4. Резистор R5 ограничивает начальный пусковой ток транзистора VT2 при большой ёмкостной составляющей нагрузки R_H. Схема не критична к коэффициентам передачи транзисторов. Если в качестве К72используется «суперба» транзистор KT825, то сопротивление R4 следует увеличить до 5.1 …10 кОм;

п) практический пример коммутации высоковольтного напряжения 170 В при низком токе нагрузки при сопртивлении R_H не менее 27 кОм;

p) аналогично Рис. 2.68, н, но с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK; О

О Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (окончание):

с) транзисторы VT1 и кТ2работают в противофазе. Напряжение в нагрузку Л_н подаётся через транзистор VT2 и диод VD1, при этом транзистор VT1 должен быть закрыт ВЫСОКИМ уровнем с верхнего выхода MK. Чтобы снять напряжение с нагрузки, транзистор Г72закрывается ВЫСОКИМ уровнем с нижнего выхода MK, после чего транзистор VT1 открывается и через диод VD2 ускоренно разряжает ёмкость нагрузки. Достоинство — высокое быстродействие, возможность быстрой повторной подачи напряжения в нагрузку;

т) на MK подаётся «взвешенное» и отфильтрованное питание в диапазоне 4…4.5 В. Обеспечивают это гасящий стабилитрон VD1 и помехоподавляющий конденсатор C1. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК  транзисторы K77, Г72закрыты, при НИЗКОМ — открыты. Максимально допустимый ток стабилитрона VD1 должен быть таким, чтобы он был больше суммы тока потребления MK, тока через резистор R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK и тока внешних цепей, если они подключены к MK по другим линиям портов;

у) видеоусилитель натранзисторах VT1 и VT2, которые включены по схеме Шиклаи (Sziklai). Это разновидность схемы Дарлингтона, но на транзисторах разной проводимости. Данная «парочка» эквивалентна одному транзистору структуры п—р—п со сверхвысоким коэффициентом усиления Л21Э. Диоды VD1, КД2защищаюттранзисторы от выбросов напряжения, проникающих извне по цепи  ВЫх- Резистор R1 ограничивает ток при случайном коротком замыкании в кабеле, подстыкованном к внешней удалённой нагрузке 75 Ом.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Ключи на биполярных транзисторах: схемы, диаграммы, принцип работы

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электронных устройств и часто сопровождается пересмотром использующихся схемотехнических решений.

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств. Эти знания оказывают существенную помощь и при конструировании устройств информативной электроники.

Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и соответствующую временную диаграмму входного напряжения (рис. 3.7).ыщения уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практически прекращается при q_нac = 3;

● чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи транзистора.

Кроме этих соображений, относящихся к установившемуся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насыщения) транзисторный ключ, но длительность переходного процесса выключения транзистора при этом увеличивается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже. Часто величину q_наc выбирают из диапазона 1,5 … 2. Изобразим временные диаграммы, соответствующие процессу включения (рис. 3.8). Через u_{бэ.порог} обозначено пороговое напряжение между базой и эмиттером, которое соответствует некоторому малому значению тока базы.

Например, считают, что напряжение u_{бэ.порог} соответствует току базы, в 10 раз меньшему тока i_{б.нас.мин}. Через i_{к.порог} обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению u_{бэ.порог}. Интервал t₁…t₂ называют интервалом задержки включения, интервал t₂….t₃ — интервалом формирования фронта, а интервал t₃…t₄ — интервалом накопления заряда. Разность t₃ − t₁ называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора i_к.нас, величиной β транзистора, а также временем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это находит отражение в том, что возникают токи электродов транзистора. Но ток коллектора на рассматриваемом интервале мал. Указанное явление изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Однако не следует забывать, что барьерные емкости, как и диффузионные, являются по определению дифференциальными емкостями. Поэтому к термину «перезаряд» следует относиться с осторожностью. Например, если напряжение между базой и эмиттером равно нулю, это не означает, что некомпенсированный заряд в области эмиттерного перехода равен нулю (а заряд «обычной» емкости равен нулю при нулевом напряжении). К концу интервала задержки напряжение между базой и эмиттером увеличивается до значения u_{бэ.парог}.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора являются значительными. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это условно называют процессом накопления неосновных носителей. Но следует учитывать, что заряд неосновных носителей практически мгновенно компенсируется зарядом основных носителей. Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полупроводникового диода и явления диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта t_ф.

На интервале накопления заряда продолжается накопление неравновесных носителей электричества. При этом напряжение u_кэнезначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выключения (рис. 3.9).

На рис. 3.9 введены следующие обозначения интервалов времени:

t₁ … t₂ — рассасывания заряда;

t₂ … t₃ — формирования спада;

t₃ … t₄ — установления.

Разность t₃ − t₁ называют временем выключения. На интервале рассасывания ток базы отрицательный и ограничивается резистором R_б. Если пренебречь напряжением u_бэ, то i_б = − U₂ / R_б

На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей электричества, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания t_pac. Чем больше по модулю ток i_б, тем меньше время рассасывания.

На интервале форсирования спада продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток i_к значительно уменьшается, а напряжение на коллекторном переходе и напряжение u_кэ

значительно возрастает. Изменение напряжения на коллекторном переходе приводит к изменению объемных нескомпенсированых зарядов в области этого перехода (говорят, что барьерная коллекторная емкость перезаряжается).

На интервале установления напряжение u_бэ изменяется от величины u_{бэ.порог}  до −U₂. При этом изменяются нескомпенсированные объемные заряды переходов транзистора.

После момента времени t₃ток коллектора становится равным току базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится нулевым.

Количественный анализ динамических режимов транзисторных ключей настоятельно рекомендуется выполнить с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты программ позволяют анализировать переходные процессы при самых сложных входных сигналах. Ранее для расчета переходных процессов в транзисторных ключах применялись упрощенные методики, предполагающие к тому же использование простых входных сигналов. В настоящее время эти методики рекомендуются применять только в учебных целях.

Из изложенного следует, что время включения ключа можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то же время увеличивать коэффициент насыщения нежелательно, так как это удлиняет время выключения. Аналогично время выключения можно уменьшить, увеличивая запирающий (отрицательный) ток базы.

Представим схему транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, который увеличивает положительную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа поясняют временные диаграммы. Подобные схемы широко используются на практике.