Работа полупроводниковых приборов

В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

1. Общие сведения о работе полупроводниковых приборов

в ключевом режиме

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. 4.1. В такой схеме ток через нагрузку протекает при закрытом состоянии диода, а при открытом состоянии диод шунтирует нагрузку.

Рисунок 4.1. Схема параллельного диодного ключа

Рис. 4.2 иллюстрирует параллельное и последовательное построения ключевых схем на биполярном транзисторе. При параллельном построении (рис. 4.2.а) под действием управляющего напряжения u_упртранзистор закрыт (его сопротивление велико), нагрузка R_нчерез резисторR_кподключается к источнику питанияЕ_к, который является, по существу, источником входного электрического сигнала. При открытом состоянии транзистора его сопротивление становится незначительным, и он шунтирует нагрузку. В результате снимаемое с нагрузки выходное напряжениеu_выхблизко к нулю.

На схеме рис. 4.2,б транзистор и нагрузка R_нвключены последовательно. При открытом транзисторе через нагрузку, включенной последовательно с источником входного напряжения, каким является Е_Кпротекает ток. При закрытом транзисторе ток в этой цепи не протекает, таким образом нагрузка отключается от источника входного сигнала.

Рисунок 4.2. Варианты построения ключевых схем

на биполярном транзисторе:

а – параллельное, б - последовательное

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.

2. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме

Широко используемая ключевая схема на биполярном транзисторе типа n-p-n, прерывающая протекание тока через нагрузку, приведена на рис. 4.3. В отличие от схемы рис. 4.2,б, в цепь управления введено балластное сопротивлениеR_Б. Режим работы транзистора в этой схеме определяется уравнением состояния, имеющий вид, аналогичный (2.3).

U_кэ(I_к) =Е-I_к R_н, (4.1)

где U_кэиI_к– напряжение коллектор-эмиттер и коллекторный ток транзистора. При этом напряжение коллектор-эмиттер является функцией коллекторного тока. Графическое решение этого уравнения, проводимого также, как и уравнения (2.3), представлено на рис. 4.4, где точки «а» и «б» соответствуют пребыванию транзистора в закрытом и открытом состояниях.

Рисунок 4.3. Ключевая схема на биполярном транзисторе

Рисунок 4.4. Графическое определение режимов

биполярного транзистора в ключевой схеме:

а – в закрытом состоянии, б – в открытом состоянии

Закрытое состояние транзистора достигается подачей на его базу управляющего напряжения отрицательной полярности. В этом состоянии в эмиттерной цепи ток отсутствует, а ток коллектора, I_{к зак}, соответствующийI_Б = 0, будет протекать через базу. Цепь протекания токаI_{к зак}показана на рис. 4.3. Его направление в базовой цепи противоположно направлению базового тока открытого прибора. Транзисторы, предназначенные для работы в ключевом режиме, характеризуются практически нулевой величиной коллекторного тока, соответствующегоI_Б = 0, в результате достигается весьма высокое их сопротивление в закрытом состоянии.

Открытое состояние транзистора достигается подачей на базу положительного напряжения, величина которого обеспечивает превышение определенного значения базового тока I_{Б отк}, соответствующего точке «б» на рис.4.4, при которой открывается коллекторный переход. При токеI_{Б отк}через транзистор и резисторR_нпротекает ток

I_{к отк}= (Е - ∆U_{кэ отк})/R_н,

где ∆U_{кэ отк}– падение напряжения на открытом транзисторе (остаточное напряжение), величина которого должна быть минимальной.

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 I_{Б отк}. Параметром, характеризующим величину превышения базового тока в таком состоянии над током I_{Б отк}, является отношение

s = ,

называемое коэффициентом насыщения транзистора. Его величина обычно находится в пределах от 1,5 до 2,5. Ограничение сверху коэффициента s связано с увеличением мощности входной цепи транзистора. В открытом состоянии величина падения напряжения∆U_{кэ отк}остается практически неизменной, поскольку все вольт-амперные характеристики выходной цепи биполярного транзистора приI_Б > I_{Б отк}проходят через точку «б» рис. 4.4.

Величина коллекторного тока в точке «б» может быть определена как

I_{к отк}=β_ст I_{Б отк}, (4.2)

где β_ст – статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ. Тогда ток базы в открытом состоянии транзистора

I_Б = s(4.3)

зависит от значений параметров цепи управления

I_Б = (U_упр – U_БЭ) / R_Б. (4.4)

Для работы в режиме электронного ключа наибольшее применение получили кремневые транзисторы типа n-p-n, характеризующиеся малой величиной нулевого тока. Закрытое состояние таких транзисторов может быть осуществлено даже приU_упр = 0, т.е. без использования дополнительного источника запирающего напряжения, который для германиевых транзисторов необходим.