Включение транзистора в ключевом режиме

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Биполярные транзисторы.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• 1 Работа полупроводниковых приборов в ключевом режиме
• 6.9. Работа транзистора в ключевом режиме
• Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.
• Работа транзистора в ключевом режиме
• Ключевой режим работы биполярного транзистора
• Транзистор в ключевом режиме – Работа транзистора в режиме ключа
• Ключевой режим работы биполярных транзисторов
• Биполярный транзистор
• Схема проверки транзисторов структуры p-n-p и n-p-n на.

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КАК РАССЧИТАТЬ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

1 Работа полупроводниковых приборов в ключевом режиме

Одна из простейших схем транзисторного ключа приведена на рис. Схема с общим эмиттером используется в транзисторном ключе чаще всего потому, что по сравнению с другими схемами может быть получен максимальный коэффициент усиления по мощности. При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения Ucм рис.

При подаче отрицательного управляющего сигнала рис. Для обеспечения режима насыщения необходимо, чтобы значение тока базы соответствовало следующему условию рис. При открытии транзистора ток эмиттера IЭ появляется практически мгновенно рис. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение. Ток в цепи коллектора рис. Это время незначительно и в случае приближенных расчетов им пренебрегают. Разность t4 — t3 — время продолжения переходного процесса в базе, так как концентрация инжектированных носителей зарядов при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время возрастать.

Момент окончания переходного процесса в транзисторе соответствует моменту времени t4. Разность t4 — t1 — время установления, соответствует времени заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода. Приложение к эмиттерному переходу обратного напряжения вызывает в начальный момент значительный обратный ток вследствие насыщения перехода свободными носителями зарядов. Этот ток протекает до момента времени t7.

После момента времени t5 — подачи запирающего напряжения в коллекторной цепи, и момента времени t7 в цепи эмиттера токи начинают снижаться, что связано с рассасыванием накопленного заряда в базе. Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению! Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем Ом.

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Простейшая ключевая схема есть вариант т. В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Другие схемы подключения: а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов.

Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В.

Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.

Этот режим называется режимом насыщения. В нем транзистор теряет свои усилительные свойства и становится по коллекторной цепи малым сопротивлением. Сопротивление коллекторного перехода уменьшается до десятков ом у маломощных транзисторов до долей ома у мощных. Vбэ нас. Пусть Vкэ нас. Это приводит к существенному уменьшению сопротивления между эмиттером и коллектором транзистора.

Необходимо обеспечить надежное запирание транзистора с учетом возможного увеличения обратного тока коллектора Iк0 с ростом температуры. Транзистор будет заперт, если выполняется условие:. Надежный переход транзистора в насыщенное состояние при минимальном значении bмин. Cуществование режима насыщения транзистора приводит к появлению некоторых важных особенностей во временных характеристиках его переключения. Оказывается, процессы включения выключения имеют инерционных характер, что объясняется наличием накопленного заряда неосновных носителей Q в базе.

На этой частоте транзистор теряет свои усилительные свойства. Все предыдущие рассуждения касались тока транзистора. Если рассчитывается переходной процесс напряжения коллектора, то надо учитывать влияние коллекторной емкости, иначе ошибки будут большими. В реальной схеме ключа см рисунок во время переходного процесса при включении транзистора ток базы тратится на.

Влияние Ск приводит к увеличению времени включения на величину :. Случай ненасыщенного режима — рассчитывается так же, как и при отпирании, при этом надо также учитывать перезарядку емкостей переходов и монтажных емкостей. Пусть входной ток Iб1 скачком меняется от Iб1 до Iб2, имеющего отрицательную величину. Тогда накопленный заряд в базе будет рассасываться в результате:. После этого коллекторный ток начнет уменьшаться. Решение можно получить из дифференциального уравнения для запирания диода в предыдущей лекции.

Нестабильность источников питания тоже может вызывать тот же эффект. Сквозной ток приводит к разогреву транзисторов, потреблению дополнительной мощности, при высоких частотах переключения становится заметным появление наводок по питанию.

Для ускорения переключения используется ключ с корректирующей емкостью. Ключевыми схемами обеспечивается коммутация электрических цепей и с их помощью, в частности, могут формироваться импульсные сигналы.

Эти схемы могут пребывать в двух состояниях: включенном и выключенном. В двух состояниях пребывают также используемые в них полупроводниковые приборы: в одном состоянии их сопротивление очень мало, а в другом — весьма велико.

В таких схемах широкое применение получили как диоды, так и транзисторы. В диодном ключе переход из одного состояния в другое происходит под действием непосредственно коммутируемого анодного напряжения. Транзисторные ключи, в отличие от диодных, являются управляемыми.

Состояния, в которых они пребывают, определяются не коммутирующим напряжением, а напряжением управления. В зависимости от расположения в ключевой схеме полупроводникового прибора и нагрузки различаются последовательное и параллельное построения этих схем. Так, в выпрямителях используется последовательное построение ключевых диодных схем.

Схема параллельного диодного ключа приведена на рис.

В такой схеме ток через нагрузку протекает при закрытом состоянии диода, а при открытом состоянии диод шунтирует нагрузку. При параллельном построении рис.

При открытом состоянии транзистора его сопротивление становится незначительным, и он шунтирует нагрузку. В результате снимаемое с нагрузки выходное напряжениеuвыхблизко к нулю. На схеме рис. При открытом транзисторе через нагрузку, включенной последовательно с источником входного напряжения, каким является ЕКпротекает ток. При закрытом транзисторе ток в этой цепи не протекает, таким образом нагрузка отключается от источника входного сигнала. Основными параметрами ключевой схемы, кроме сопротивления использованных в них приборов в открытом и закрытом состояниях, являются также быстродействие, определяемое временами переключения из одного состояния в другое, а также остаточное напряжение в открытом состоянии.

В идеальном ключе значения этих параметров равны нулю. Такая идеализация, в частности, принимается при построении временных диаграмм, иллюстрирующих работу выпрямителей и логических устройств. Широко используемая ключевая схема на биполярном транзисторе типа n-p-n, прерывающая протекание тока через нагрузку, приведена на рис. В отличие от схемы рис. Режим работы транзистора в этой схеме определяется уравнением состояния, имеющий вид, аналогичный 2. При этом напряжение коллектор-эмиттер является функцией коллекторного тока.

Графическое решение этого уравнения, проводимого также, как и уравнения 2. Закрытое состояние транзистора достигается подачей на его базу управляющего напряжения отрицательной полярности. Цепь протекания токаIк закпоказана на рис. Его направление в базовой цепи противоположно направлению базового тока открытого прибора. При токеIБ откчерез транзистор и резисторRнпротекает ток.

Для обеспечения надежного пребывания транзистора в открытом состоянии, при котором устраняется влияние помех в цепи управления и температурных уходов параметров транзистора, ток базы должен превышать величину IБ отк. Параметром, характеризующим величину превышения базового тока в таком состоянии над током IБ отк, является отношение. Его величина обычно находится в пределах от 1,5 до 2,5.

Ограничение сверху коэффициента s связано с увеличением мощности входной цепи транзистора. Тогда ток базы в открытом состоянии транзистора. Для работы в режиме электронного ключа наибольшее применение получили кремневые транзисторы типа n-p-n, характеризующиеся малой величиной нулевого тока. Характер переходных процессов в транзисторе зависит от схемы включения и внутреннего сопротивления источников сигнала. Наибольшее распространение нашла схема ОЭ, поскольку она позволяет получить усиление по току.

Имеются три характерные области работы транзистора:. В ключевых схемах транзистор находится в активном режиме лишь в переходном состоянии.

Рабочая точка на выходной характеристике находится в положении А, то есть в режиме отсечки — транзистор закрыт. В точке А напряжение на электродах практически совпадает с эдс источников питания:. При подаче в цепь базы отпирающего тока Iб1 рабочая точка перемещается в положение B, в цепи коллектора протекает ток Iкн и напряжение коллектора становится равным. Статические параметры ключа: остаточное напряжение Uкн во включенном состоянии рис.

В точке В токи электродов определяются параметрами внешних цепей:. Силу неравенства 8 характеризуют особым параметром — степенью насыщения S:. Временные диаграммы напряжений, токов накопленного заряда базы при включении и выключении транзисторного ключа приведены на рис.

6.9. Работа транзистора в ключевом режиме

В точке А ключ замкнут, в точке Б ключ разомкнут. Ключ — элемент, осуществляющий под действием управляющих сигналов различные коммутации, включение и выключение источников питания. В статическом режиме ключ находится в одном из двух состояний: включенном или выключенном. Примером простейшей ключевой схемы является ключ, построенный на биполярном транзисторе. В статическом режиме транзистор закрыт точка Б на входной характеристике , либо открыт точка А. Входной и выходной сигналы являются цифровыми сигналами с напряжениями Высокого и Низкого уровня.

1 Работа полупроводниковых приборов в ключевом режиме. 1. управляющих сигналов различные коммутации, включение и выключение источников питания. В статическом режиме транзистор закрыт (точка Б на входной.

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Ключевым режимом работы транзистора называется такой режим, при котором рабочая точка транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя линейный режим рис. Для этого необходимо включить транзистор по схеме, представленной на рис. Ключевой режим работы биполярного транзистора: а — схема включения; б — диаграмма работы. Резистор R Б ограничивает ток базы транзистора, чтобы он не превышал максимально допустимого значения. В промежуток времени от 0 до t 1 входное напряжение и ток базы близки к нулю, и транзистор находится в режиме отсечки. В промежуток времени от t 1 до t 2 входное напряжение и ток базы транзистора становятся максимальными, и транзистор перейдёт в режим насыщения. После момента времени t 2 транзистор переходит в режим отсечки. Следовательно, можно сделать вывод, что транзисторный ключ является инвертором, т. Дата добавления: ; просмотров: Нарушение авторских прав.

Работа транзистора в ключевом режиме

Транзисторный ключ коммутирует цепь нагрузки под воздействием управляющего импульсного входного сигнала. В качестве электронного ключа можно использовать транзистор, работающий в области отсечки и насыщении. Схема транзисторного ключа дана на рисунке При увеличении входного напряжения токи базы и коллектора увеличиваются и транзистор входит в состояние насыщения.

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа.

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Транзистор в ключевом режиме – Работа транзистора в режиме ключа

В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером. Изобретён в американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные чаще называют просто транзисторами и униполярные чаще называют полевыми транзисторами.

КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРА. Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение электронных ключей.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Ключевой режим работы транзистора , наверное, один из самых простых с точки зрения поддержания параметров и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения. Ниже показана схема включения транзистора. Использование транзистора в ключевом режиме.

Биполярный транзистор

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КАК РАБОТАЕТ ТРАНЗИСТОР — ОБЪЯСНЯЮ НА ПАЛЬЦАХ

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.

Информация содержит все, необходимые для подбора компонентов и проведения инженерных расчетов, параметры, а также цоколевку корпусов, типовые схемы включения и рекомендации по использованию радиоэлементов.

Схема проверки транзисторов структуры p-n-p и n-p-n на.

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируются на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом, качество транзисторного ключа определяется остаточным напряжением на транзисторе в замкнутом открытом состоянии и остаточным током через транзистор в выключенном закрытом состоянии. Кроме того, транзисторный ключ должен быть быстродействующим , обеспечивать усиление сигнала по напряжению и мощности, т. Поэтому схема включения транзистора с общим эмиттером ОЭ , обеспечивающая инверсию входного сигнала, является наиболее предпочтительной.

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ — Студопедия

Поделись  

I . ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Одним из основных элементов импульсной и цифровой техники является ключевое устройство. Ключевые устройства (ключи) слу­жат для коммутации (переключения) цепей нагрузки под воздей­ствием внешних управляющих сигналов. Ключи входят в качестве отдельных элементов в состав сложных устройств — триггеров, мультивибраторов и т. д. Ключ может находиться либо в замкнутом, либо в разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии (ключ включен) сопротивление ключа мало, через него течет боль­шой ток и все напряжение источника выделяется на резисторе R. Напряжение на выходе и_вых равно нулю. В разомкнутом состоянии (ключ выключен) сопротивление ключа бесконечно большое, по­этому ток через него практически не протекает. Напряжение на выходе и_вых равно Е. Следовательно, при коммутации ключа на вы­ходе создаются перепады напряжения с амплитудой U_m=E.

В зависимости от вида элемента, применяемого для коммута­ции, ключевые устройства подразделяются на механические, электромеханические и электронные. Примером механического ключа является обычный выключатель. Электромагнитное реле выполня­ет функции электромеханического ключа, который под воздействи­ем электрического управляющего сигнала производит коммутацию контактов.

Для построения электронных ключей используют диоды, тран­зисторы, электронные лампы и т. д. В зависимости от того, какой прибор использован, различают диодные, транзисторные, лампо­вые и т. п. ключи.

При создании транзисторных ключей используются биполярные или полевые транзисторы.

Принцип работы ключа. В качестве основного примера рас­смотрим транзисторный ключ на кремниевом транзисторе типа п—р—п. Такие ключи являются одним из основных элементов ин­тегральных микросхем, они также могут быть реализованы и на дискретных элементах. Переход к транзисторам типа р—п—р сво­дится лишь к изменению полярности источников питания (в тех случаях, когда такой переход связан со схемными изменениями, они оговариваются дополнительно). Наибольшее распространение получил транзисторный ключ по схеме с общим эмиттером. Его принципиальная схема приведена на рис. 1. Транзисторный ключ может находиться в одном из двух состояний: ВЫКЛЮЧЕНО, ког­да транзистор закрыт и ключ ра­зомкнут, и ВКЛЮЧЕНО, в этом случае транзистор открыт и ключ замкнут.

Рис.1

Ключом управляют, подавая на его вход управляющее напряжение и_вх. Включенному состоянию соответствует низкий положительный уровень входного сигнала и_вх=U₀. Включенное состояние обеспечивается высоким по­ложительным уровнем входного сигнала и_вх =U₁.

Ключ удерживается в одном из состояний, пока на входе со­храняется соответствующий уровень сигнала. Резистор R ограни­чивает ток базы, Rk — коллекторная нагрузка, Ек — источник кол­лекторного напряжения.

Транзистор ключа описывается с помощью семейства входных и выходных характеристик, изображенных на рис. 2.

Особенностью входных характеристик кремниевого транзисто­ра является наличие достаточно большого порога от­пирания Uп. При напряжении на базе, меньшем порога отпирания, транзистор всегда закрыт.

Для анализа работы ключа на семейство выходных характерис­тик наносят нагрузочную прямую, соответствующую определенно­му сопротивлению резистора Rк и пересекающую координатные оси в точках Ек и Ек/Rк. При изменении базового тока i_Б рабочая точка перемещается вдоль этой прямой, определяя в каждый мо­мент времени коллекторный ток , напряжение между кол­лектором и эмиттером и режим работы транзистора.

Рис.2.

Режимы транзистора. В соответствии с функциями ключа тран­зистор может находиться в одном из двух статических режимов: режиме отсечки (транзистор закрыт) и режиме насыщения (тран­зистор открыт и насыщен). Активный режим работы обусловлен переходом из одного статического режима в другой.

Режим отсечки (транзистор закрыт). На входе дей­ствует напряжение и_вх=U₀. В этом режиме ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода. Напря­жение на выходе ключа практически равно напряжению источника питания и_вых=Ек (определяя и_вых, необходимо суммировать все напряжения, проходя по внешней цепи от коллектора к эмиттеру).

Рабочая точка находится в точке А на нагрузочной прямой (см. рис. 2).

Для обеспечения такого режима в кремниевых транзисторах необходимо выполнить условие:

Uп > и_вх=U₀ .

Напряжение и_Б, приложенное к базе транзистора, определяют, про­ходя от базы к эмиттеру по внешней цепи (см. рис. 1). Оно рав­но сумме двух составляющих: падения напряжения на сопротив­лении R от тока Iкбо ; остаточного напряжения источника вход­ного сигнала и_вх=U₀ , которое, как правило, снимается с другого аналогичного ключа и не равно нулю (см. ниже режим насыще­ния). Оба напряжения имеют одинаковую полярность и стремятся открыть эмиттерный переход.

Таким образом, и_вх=U₀ + R * Iкбо и условие отсечки для крем­ниевых транзисторов определяется неравенством:

Un > U₀ + R * Iкбо .

Это условие должно выполняться при максимальной температуре коллекторного перехода, когда напряжение Un минимально, а об­ратный ток коллектора максимален. Нужно иметь в виду, что ток Iкбо кремниевых транзисторов достаточно мал.

При выполнении условия отсечки оба перехода транзистора будут закрыты. Коллекторный переход (верхний по схеме) сме­щен в обратном направлении, так как напряжение на коллекторе равно +Ек. Учитывая это, часто считают, что в режиме отсечки все выводы транзистора разъединены.

Активный режим (транзистор открыт, но не на­сыщен). Напряжение на входе лежит в пределах Un < и_вх < U₁. В этом режиме транзистор находится короткое время, равное вре­мени переключения из одного статического состояния в другое. Через электроды транзистора протекают прямые токи базы, коллектора и эмиттера. При изменении и_вх меняется ток базы и рабочая точка переме­щается по нагрузочной прямой от точки А к точке Б (см. рис. 2). Входной (базовый) и выходной (коллекторный) токи связаны между собой линейно с помощью статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Напряжение на выходе равно разности напряжений источника коллекторного питания и падения напряжения на Rк от тока коллектора, протекающего через коллекторный переход:

С увеличением тока базы увеличивается коллекторный ток. Это ведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rk, а следовательно, и уменьшению напряжения на коллекторе и_к= и_вых. При некотором токе базы, называемом током базы в ре­жиме насыщения /_{Б нас}, рабочая точка попадает в точку Б (см. рис. 2), которой соответствует значение коллекторного тока /_{к нас}, называемое током коллектора в режиме насыщения, и транзистор переходит в режим насыщения.

­Режим насыщения (транзистор открыт и насы­щен). В режиме насыщения на входе действует напряжение и_вх = U₁, которое вызывает появление тока, втекающего в базу i_Б > / _{Б нас}. Этот ток соответствует границе между активным режи­мом и режимом насыщения (см. точку Б рис. 2). В этой точке тoк базы еще связан линейной зависимостью с током коллектора.

В режиме насыщения транзистор полностью открыт, т. е. оба перехода смещены в прямом направлении, и коллекторный ток ог­раничивается только резистором Rк. Пренебрегая падением на­пряжения на открытом транзисторе, можно записать:

i_к = / _{К нас} = Ек/Rк.

Выходное напряжение ключа и_вых = U₀, где U₀ — остаточное напряжение на кол­лекторе открытого транзистора.

Для количественной оценки глубины насыщения часто исполь­зуют понятие коэффициента насыщения S, который показывает, во сколько раз ток i_Б , втекающий в базу транзистора, превышает ток базы, при котором транзистор оказывается на границе насыщения.

Поскольку на границе насыщения напряжения между вывода­ми транзистора составляют доли вольта, а дифференциальные сопротивления значительно меньше внешних сопротивлений ключе­вого устройства, часто считают, что все выводы транзистора в этом режиме замкнуты между со­бой и транзистор представляет собой точку.

Динамический режим ключа. При анализе работы транзистор­ного ключа предполагалось, что переход его из состояния ВЫ­КЛЮЧЕНО в состояние ВКЛЮЧЕНО происходит мгновенно. В действительности, даже если подавать на вход ключа идеальный прямоугольный импульс или перепад, соответствующие изменения выходного напряжения будут происходить не мгновенно, а в ко­нечные промежутки времени, определяемые длительностью пере­ходных процессов.

Инерционные факторы, влияющие на работу ключа. Возникновение переходных процессов объясняется инер­ционными свойствами, которыми обладают как сам транзистор, так и внешние цепи, подключенные к нему. Инерционность таких цепей связана с наличием паразитных емкостей (монтажа, на­грузки и т. д.), которые при переключении ключа заряжаются и разряжаются за конечное время. Учтем эту емкость введением в схему ключа некоторой нагружающей емкости Сн (рис. 3).

Рис. 3-а.

Инерционность транзистора, обусловленная процессами накоп­ления и рекомбинации заряда в базе при коммутации ключа, на­зывается внутренней, а инерционность транзистора, вызванная на­личием барьерных емкостей переходов, называется внешней.

Рис. 3.

Рис. 3-б.

Внутренняя инерционность транзистора учитывается введением некоторой постоянной времени τ. С параметром τ связаны процес­сы накопления и рекомбинации заряда в базе, определяющие ме­ханизм действия транзистора. Вспомним физическую сущность параметра τ. В процессе работы транзистора под действием тока в базе накапливается заряд. Если базовый ток прекращается, то заряд, накопленный в базе, будет убывать по экспоненциальному закону благодаря рекомбинации зарядов. Время, в течение кото­рого число неосновных носителей в базе уменьшается в е раз (где е—основание натурального логарифма), обозначается постоянной времени τ. Постоянная времени τ определяет внутренние инер­ционные свойства транзистора в схеме с общим эмиттером и на­зывается временем жизни неосновных носителей в базе.

Время жизни неосновных носителей в базе может меняться в зависимости от режима работы и типа транзистора. Так, при рабо­те дрейфовых транзисторов в режиме насыщения постоянная вре­мени, обозначаемая Тнас, увеличится, Тнас=(2—6)*τ . Для бездрей­фовых транзисторов можно считать, что Тнас» τ .

Внутренняя инерционность — общее свойство транзистора — проявляется не только в ключевом, но и в усилительном режиме работы транзистора. В усилительном режиме наличие внутренних инерционных свойств приводит к тому, что динамический коэффи­циент передачи по току зависит от частоты (рис. 3-б). Так как на практике эту зависимость легко измерить, то па­раметр τ определяют, пользуясь этой зависимостью.

Время жизни носителей оказывается обратно пропорциональ­ным частоте, на которой коэффициент передачи равен 1.

Следует иметь в виду, что такую же зависимость коэффициентa передачи от частоты имеет не только транзистор, но и интегри­рующая цепь. Поэтому упрощенно можно полагать, что переходные процессы, возникающие вследствие внутренней инерционно­сти транзистора, описываются дифференциальным уравнением первого порядка с постоянной времени τ. В этом случае для рас­четов применимо общее соотношение, являющееся решени­ем дифференциального уравнения первого порядка с постоянной правой частью.

Барьерные емкости Сэ и Ск, являющиеся причиной внешней инерционности транзистора, нелинейны и зависят от приложенных к переходам напряжений. Усреднив их по всему диапазону, конденсаторы Сэ и Ск можно отнести к внешней схеме ключа, как посто­янные. Поэтому Сэ и Ск и называют внешними инерционными па­раметрами транзистора.

При работе транзистора в активном режиме возникает обрат­ная связь с коллектора на базу транзистора через емкость коллек­торного перехода Ск, что также является причиной внешней инер­ционности транзистора. Внешнюю инерционность из-за действия обратной связи через Ск учитывают, вводя постоянную времени τ_к Общая постоянная времени транзистора в схеме ключа для активного режима равна сумме постоянных времени, обусловлен­ных внутренними и внешними инерционными факторами транзис­тора.

Описание переходных процессов. Рассмотрим пере­ходные процессы, происходящие в ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса. Вре­менные диаграммы, иллюстри­рующие изменение тока базы i_Б(t), заряда Q(t), тока коллек­тора I_К(t) и т. д. изображены на рис. 4.

Исходное состояние. В исход­ном состоянии транзистор нахо­дится в режиме отсечки, посколь­ку напряжение на входе и_вх = U₀ меньше порога отпирания. Рабо­чая точка на семействе выходных характеристик и на передаточной характеристике находится в точ­ке А (см. рис. 2).

Включение. В момент t=t₁ на вход ключа подается положи­тельный импульс, амплитуда ко­торого больше порогового значе­ния. Этот импульс вызывает появление в цепи базы перепада тока. Ток базы во время дей­ствия входного импульса можно считать практически неизменным, так как входное сопротивление транзистора обычно много меньше сопротивления R. Под воздей­ствием входного перепада тока транзистор переходит последо­вательно из области отсечки в активную область и далее в об­ласть насыщения.

Процесс включения транзисторного ключа обычно подразделя­ют на два этапа: задержка включения (или подготовка включе­ния) и формирование фронта выходного импульса.

Задержка включения. Интервал времени t₁-t₂ от момента по­дачи входного импульса до начала нарастания коллекторного то­ка, определяет время задержки включения t_З. Транзистор в это время находится в режиме отсечки.

Рис. 4.

Возникновение задержки при включении ключа объясняется за­рядом барьерных емкостей Сэ и Ск током базы. В процессе заряда напряжение на емкостях Сэ и Ск под действием входного импульса нарастает от значения U₀, стремясь к U₁. В тот момент, когда на­пряжение на базе достигает порогового значения Un, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит из режима отсечки в активный режим.

Рабочая точка на нагрузочной прямой за время задержкинеменяет своего положения.

Заряд барьерных емкостей происходит в цепи первого порядка с постоянной времени τ_З=R*(Ск+Сэ). Практически время задержки весьма мало, поэтому им часто пренебрегают.

Формирование фронта происходит в интервале t₂ — t_{3 .} В мо­мент времени t₂ напряжение на базе становится равным порогово­му, транзистор открывается и переходит в активный режим. Начи­нается накопление заряда неосновных носителей, инжектированных в базу. По мере увеличения заряда увеличивается ток коллектора, который пропорционален Q(t), и уменьшается напряжение на коллектор­ном переходе. Скорость накопления заряда в базе определяет скорость нарастания коллекторного тока.

В момент t₃, когда заряд достигает граничного значения коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в состояние насыщения. Рост коллекторного тока пре­кращается, поскольку он оказывается ограниченным параметрами внешней цепи:

/_К = /_{К нас} = Ек / Rк .

За время формирования фронта рабочая точка по нагрузочной прямой перемещается из точки А в точку Б (см. рис. 2). Интервал времени t₂ — t₃, в тече­ние которого коллекторный ток меняется от 0 до /кнас, называется длительностью фронта. Транзистор в это время находится в ак­тивном режиме.

Накопление избыточного заряда. После окончания формирова­ния фронта в момент времени t₃ транзистор переходит в режим насыщения. Коллекторный переход смещается в прямом направле­нии. Коллекторный ток практически постоянен и равен I_{К нас} . Од­нако заряд в базе продолжает нарастать, стремясь к стационарно­му значению, определяемому входным током.

Избыточный заряд возникает только в том случае, если ток ба­зы превышает значение I_Бнас. В режиме насыщения нарушается пропорциональность между током базы и током коллектора. Коллекторный ток уже не может следовать за базовым, так как он ограничен сопротивлением Rк. В против­ном случае закон изменения коллекторного тока повторял бы закон изменения заряда Q(t), вызываемое током базы. Необходимо отметить, что при переходе транзистора в режим насыщения изменяется время жизни неоснов­ных носителей в базе, которое для области насыщения обозначает­ся символом Тнас и называется постоянной времени транзистора в области насыщения. Постоянная времени Тнас определяет как про­цесс накопления, так и стационарный уровень заряда в базе. Ста­ционарного значения заряд достигает за время, не меньшее, чем 2,3 * Тнас после начала накопления. Если длительность входного им­пульса меньше этого значения, то заряд в базе к концу будет меньше Q ст.

В режиме насыщения рабочая точка на нагрузочной прямой ос­тается в точке Б.

Выключение. В момент времени t₄ действие входного отпираю­щего импульса заканчивается. Возникает обратный ток базы. Под воздействием процесса рекомбинации за­ряд неосновных носителей в базе уменьшается. Спустя некоторое время транзистор выходит из насыщения и переходит в активную область, а затем запирается.

Процесс выключения можно разделить на два этапа: рассасы­вание избыточного заряда и формирование спада импульса.

Рассасывание избыточного заряда. Происходит в течение интер­вала времени t₄ — t₅. Этот процесс является причиной возникнове­ния задержки при выключении ключа. Заряд неосновных носите­лей в базе мгновенно измениться не может, поэтому требуется время, чтобы он уменьшился от стационарного значения в режиме насыщения Q ст до граничного значения. В течение этого времени транзистор остается в режиме насыщения, ток коллектора посто­янен и равен /кнас, а

Uк = Uк нас = Uo.

Время, в течение кото­рого транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения пос­ле окончания входного импульса, называется временем рассасы­вания.

К концу процесса рассасывания положение рабочей точки на нагрузочной прямой не меняется.

Формирование среза импульса. Начинается в момент времени t₅ , когда избыточный заряд уменьшается до нуля. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и транзистор из ре­жима насыщения переходит в активный режим. В течение интер­вала t₅ — t₆, называемого длительностью среза, заряд в базе продолжает убывать, уменьшаясь от Q гр до нуля, рабочая точка на нагрузочной прямой возвращается в точку А. Коллекторный ток в активном режиме пропорционален заряду и изменяется от Iкнас, стремясь по экспоненциальному закону к 0. В момент t₆транзистор запирается и /к=0.

Далее в течение некоторого времени t₆ — t₇происходит измене­ние заряда барьерных емкостей переходов Сэ и Ск. За время это­го процесса ток базы уменьшается до нуля, а на базе устанав­ливается исходное напряжение Uo.

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ КЛЮЧА НА ЕГО РАБОТУ

Значения элементов и напряжений в схеме транзисторного ключа влияют на длительности соответствующих процессов.

Изменение параметров коллекторной цепи Rк и Ек приводит к изменению тока Iк нас и влияет на длительности всех трех процес­сов. Например, уменьшение Ек до Е’к ведет к уменьшению /к нас до /’к нас. При включении ключа амплитуда коллек­торного тока будет нарастать до меньшего значения /’к нас в цепи с неизменной постоянной времени. Это приведет к уменьше­нию длительности фронта. При уменьшении

/к нас транзистор выходит на границу насыщения при меньшем токе базы, поэтому все дальнейшее увеличение тока базы вызывает накопление избы­точного заряда, что ведет к увеличению времени рассасыва­ния.

Спадать коллекторный ток начнет с меньшего значения, по­этому время среза уменьшится. Уменьшение /к нас из-за увеличе­ния Rk влияет на изменение времен двояко. С одной стороны, при уменьшении /к нас уменьшаются длительности фронта и среза и увеличивается время рассасывания. Но, с другой стороны, особенно при использовании дрейфо­вых транзисторов, увеличивается постоянная времени транзистора в активном режиме вследствие увеличения слагаемого, обу­словленного внешним инерционным фактором. Это уве­личение приводит к увеличению tc, поэтому изменением Rк можно изменять потребляемую мощность и пропор­ционально ей изменять быстродействие при условии, что длитель­ность рассасывания сравнительно мала.

Прямой ток включения базы /б можно увеличить, повысив напряжение Uвх. При этом длительность фронта уменьшается из-за увеличения ско­рости нарастания тока, а длительность рассасы­вания увеличивается вследствие накопления избыточного заряда. Длительность среза остается неизменной. При изменении сопротив­ления R, например уменьшении, происходит пропорциональное уве­личение тока базы, процесс включения протекает быстрее. Со­кращается и процесс выключения, поскольку ток /к спадает от /к нас до нуля с большей скоростью, стремясь к более низкому уровню. Время рассасывания увеличива­ется.

Рассмотренные примеры показывают, что изменение режимов работы транзистора, работающего по схеме ключа, не позволяет заметно повысить его быстродействие, поскольку при неизменной потребляемой мощности уменьшение длительности одних процес­сов сопровождается увеличением длительности других. Для повышения быстродействия используют более сложные схемы ключей.



Транзистор PNP в качестве переключателя

Используя PNP-транзистор в качестве переключателя, небольшой компонент может переключать большую нагрузку за несколько секунд. миллиампер

Логические вентили и микроконтроллеры сами по себе могут управлять только небольшими нагрузками. Но иногда необходимо переключить нагрузку, для которой требуется больший ток, чем контролирующий компонент может поставить. В этом случае транзистор может использоваться в качестве переключателя для достижения требуемого усиления по току и напряжению. может быть достигнут.

При использовании PNP-транзистора микроконтроллер должен потреблять только базовый ток. В зависимости от состояния переключения путь эмиттер-коллектор PNP-транзистора становится высоким импедансом или проводящим и, таким образом, может действовать как переключатель для нагрузки.

Как транзистор заменяет переключатель и какие возможности это дает?

Если транзистор работает как переключатель, он находится в режиме ВКЛ-ВЫКЛ и может разорвать или замкнуть электрическую цепь. Как механический переключатель. Вместо что он управляется человеком, как механический переключатель, он управляется электрическим сигналом.

Путь переключения можно очень точно контролировать по времени и с высокой частотой. Вместо видимого глазом изменения сигнала могут генерироваться очень короткие импульсы. Также сигналы ШИМ и любой другой цифровой сигнал может генерироваться на нагрузке.

Рисунок 1: Механический переключатель и транзистор pnp в качестве переключателя В режиме переключения транзистор работает в конфигурации с фиксированным смещением. Поэтому нагрузка всегда подключена к коллектору. транзистора. А так как ток вытекает из коллектора PNP-транзистора, транзистор включается направление тока перед нагрузкой, а не за нагрузкой.

Таким образом, PNP-транзистор обеспечивает ток источника, а не стока, как у NPN-транзистора.

На рис. 2 показана правильная и неправильная установка транзистора PNP и для сравнения правильное подключение транзистора NPN в качестве переключателя.

Рисунок 2: Допустимые и нерабочие схемы транзисторов в качестве переключателя

Базовая схема PNP-транзистора в качестве переключателя

В конфигурации с фиксированным смещением PNP-транзистора в качестве переключателя, в дополнение к транзистор и нагрузка базовый резистор R _B нужен. Он определяет базовый ток.

Рисунок 3: Принципиальная схема транзистора pnp в качестве переключателя

База должна иметь более низкий потенциал напряжения, чем эмиттер. Схема работает в соответствии со следующей простой таблицей состояний, в зависимости от входа V: _SW :

V SW = V cc = High:	Транзистор high-Z
V SW = GND = Low:	Transistor conducting

Tabelle 1: State Table PNP Transistor as a switch

Basic circuit with parameters

Табл.

Рисунок 4: Базовая схема с обозначением всех соответствующих параметров

Расчеты

Расчет значений компонентов и напряжений не представляет большой сложности. Но вам нужно из техпаспорта транзистора следующие параметры:

R L :	Load resistor
R B :	Base Reistor
V EC :	EMITER-Collector-напряжение
V EB :	DI		VOLTAGE	. 0051
V RB :	Base resistor voltage
V SW :	Control voltage
V cc :	Supply voltage
GND:	Ground
I L :	Ток нагрузки
I B :	Базовый ток

V CEsat	Saturation voltage
I C max	Max collector current
h FE	Current gain factor

Tabelle 3: Benötigte Parameter aus дем Датенблатт

Расчет напряжения В

_RL

Сначала вычисляется напряжение V _RL , которое падает на R _L , когда транзистор находится в проводящем состоянии. Для этого нужно вычесть напряжение насыщения V _ECSat , падающее на транзистор, от напряжения питания V _cc .

Рисунок 5: Формула для расчета напряжения V _L на нагрузке

Ток нагрузки I

_л

Затем вычисляется коллекторный ток, протекающий через R _L при включении транзистора. Для этого разделите V _RL на сопротивление нагрузки R _L для получения I _L .

Выдержит ли транзистор ток?

Теперь проверьте, выдержит ли транзистор ток нагрузки. I _L должен быть меньше чем я _C max и I _E max из техпаспорта. Если транзистор не выдерживает ток, следует заменить другой транзистор. должен быть выбран.

Рисунок 6: Формула для расчета тока нагрузки I _L

Базовый резистор R

_B

Для определения базового сопротивления R _B сначала рассчитайте необходимое базовый ток I _B . Поскольку транзистор в режиме постоянного тока является усилитель тока с фиксированным коэффициентом усиления h _ФЭ требуется базовый ток, который больше, чем I _L , деленное на h _FE . Чтобы заставить транзистор перейти в сильное насыщение и достичь быстрое время переключения, базовый ток должен быть в 4-10 раз выше, чем I _FE .

Рисунок 7: Формула для расчета тока базы I _B

Напряжение на базовом резисторе проводящего PNP-транзистора V _EB меньше напряжения питания В _куб.см . С этим значением и базового тока можно рассчитать требуемый базовый резистор.

Рисунок 8: Формула для расчета базового резистора R _B

Цепь PNP в выключенном состоянии

Im sperrenden Zustand wird V _in auf V _cc geschaltet. Так канн kein Strom aus der Basis hinausfliessen, der Transistor sperrt und der Laststrom I _л коммт цум эрлиген В состоянии блокировки V _в подтягивается к V _cc . Таким образом, нет тока может вытекать из базы, блоков транзисторов и тока нагрузки I _L получает ноль.

Потери во включенном состоянии и в выключенном состоянии

На практике минимальные токи утечки всегда втекают и выходят из транзистора в заблокированном состоянии. Насколько они велики, можно посмотреть в техпаспорте. паспорт транзистора. А поскольку транзистор остается низкоомным в проводящем состоянии небольшое напряжение насыщения В _ECsat всегда остается между эмиттером и коллектором. Несмотря на эти потери, биполярный транзистор является хорошим переключателем, который можно использовать для большинства приложений полупроводниковой коммутации.

Electronics Components: Использование транзистора в качестве переключателя Обычно транзисторы в электронной схеме используются в качестве простых переключателей. Короче говоря, транзистор проводит ток по пути коллектор-эмиттер только тогда, когда к базе приложено напряжение.

Когда базовое напряжение отсутствует, переключатель выключен. Когда базовое напряжение присутствует, переключатель включен.

В идеальном переключателе транзистор должен находиться только в одном из двух состояний: выключен или включен. Транзистор закрыт, когда напряжение смещения отсутствует или когда напряжение смещения меньше 0,7 В. Переключатель включен, когда база насыщена, поэтому ток коллектора может протекать без ограничения.

Это схематическая диаграмма схемы, в которой транзистор NPN используется в качестве переключателя, который включает или выключает светодиод.

Посмотрите на эту схему покомпонентно:

• Светодиод: Стандартный красный светодиод диаметром 5 мм. Этот тип светодиодов имеет падение напряжения 1,8 В и рассчитан на максимальный ток 20 мА.

• R1: Этот резистор 330 Ом ограничивает ток через светодиод, чтобы предотвратить его перегорание. Вы можете использовать закон Ома, чтобы рассчитать количество тока, которое позволит протекать через резистор. Поскольку напряжение питания +6 В, а на светодиоде падает 1,8 В, напряжение на резисторе R1 будет 4,2 В (6 – 1,8). Разделив напряжение на сопротивление, вы получите силу тока в амперах, приблизительно 0,0127 А. Умножьте на 1000, чтобы получить силу тока в мА: 12,7 мА, что значительно ниже предела в 20 мА.

• Q1: Это обычный транзистор NPN. Здесь использовался транзистор 2N2222A, но подойдет практически любой NPN-транзистор. R1 и светодиод подключены к коллектору, а эмиттер подключен к земле. Когда транзистор открыт, ток течет через коллектор и эмиттер, зажигая светодиод. Когда транзистор выключен, транзистор действует как изолятор, и светодиод не горит.

• R2: Этот резистор 1 кОм ограничивает ток, протекающий через базу транзистора. Вы можете использовать закон Ома для расчета тока в базе. Поскольку переход база-эмиттер падает примерно на 0,7 В (так же, как диод), напряжение на резисторе R2 составляет 5,3 В. Разделив 5,3 на 1000, мы получим ток 0,0053 А, или 5,3 мА.