4. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе

Переход ключевых схем на биполярном транзисторе из одного состояния в другое происходит, как и в диодном ключе, не мгновенно, а в течение определенного интервала времени, зависящего от переходных процессов двух видов. Первый связан с изменением объемного заряда неосновных носителей в базовом слое транзистора, т.е. поступающих в него из эмиттерного слоя. Второй связан с перезарядом барьерных емкостей переходов транзистора, которые обусловлены образованием двойного электрического слоя в их закрытом состоянии. Данные процессы происходят одновременно с процессом рекомбинации неосновных носителей заряда в базовом слое, свойственному установившемуся открытому состоянию транзистора. С учетом сказанного соотношение для базового тока может быть записано

i_Б = + . (4.5)

Первое слагаемое правой части этого соотношения соответствует процессу рекомбинации неосновных носителей заряда в базовом слое. - величина объемного заряда этих носителей в базовом слое,- время их жизни. Второе слагаемое соответствует компоненте базового тока, связанной с изменением объемного заряда. Третье слагаемое связано с перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода. Компоненту базового тока, обусловленную перезарядом аналогичной емкости эмиттерного перехода, можно не учитывать из-за малого изменения напряжения на этом переходе.

На рис. 4.6 приведены временные диаграммы напряжений и токов ключа на биполярном транзисторе типа n-p-n. При закрытом состоянии (t<t₁) на управляющий вход подается отрицательное напряжениеU_{вх зак}, а в момент времениt₁поступает положительное напряжениеU_{упр отп} с нулевой длительностью фронта (см. рис. 4.6,а), обеспечивающее перевод транзистора в режим насыщения. В первом приближении можно считать, что ток базы также изменяется скачком до величиныI_Б, определяемой соотношением (4.3). Переход транзистора в открытое состояние сопровождается увеличением его коллекторного тока и уменьшением напряжения коллектор-эмиттер (рис. 4.6,в и г) в течение определенного интервала времени, т.е. перемещением рабочей точки вверх по линии нагрузки на рис. 4.4. Инерционность этого перехода обусловлена упомянутыми выше переходными процессами. Однако, если учитывать только процесс накопления неосновных носителей заряда в базовом слое после открытия эмиттерного перехода, то уравнение (4.5) упрощается

= i_Б. (4.6)

Рисунок 4.6. Временные диаграммы токов и напряжений

ключевой схемы на биполярном транзисторе

Решением уравнения (4.6) является сумма частного решения этого неоднородного уравнения и общего решения соответствующего однородного уравнения (при равенстве нулю правой части). В качестве частного решения используется величина заряда неосновных носителей заряда в базовом слое к концу накопления, т.е. I_Б. Тогда

(t) = A е^-t/τБ + I_Б. (4.7)

Постоянная интегрирования А определяется из условия, что в момент открытия эмиттерного перехода (в соотношении (4.7) t= 0)= 0. Окончательно решение уравнения (4.7) запишется в виде

(t) = I_Б· (1 - е^-t/τБ ). (4.8)

Формирование импульса коллекторного тока заканчивается в момент накопления объемного заряда неосновных носителей в базовом слое, когда его величина достигнет значения I_{Б отк}(момент времениt₂), после чего перемещение рабочей точки по линии нагрузки прекращается. Следовательно, согласно (4.8) длительность фронта импульса определяется как

= = 1 -е^-tф/τБ ,

t_ф = ln .(4.9)

Таким образом, с увеличением коэффициента насыщения уменьшается длительность фронта импульса. Это объясняется тем, что увеличение отпирающего тока базы способствует уменьшению интервала времени, за который коллекторный ток достигает значения .

Учет процесса изменения барьерной емкости коллекторного перехода может быть осуществлен уточнением значения постоянной времени в соотношении (4.9): вместо величины записывается

=+ β_ст С_кR_н, (4.10)

где С_к – барьерная емкость коллекторного перехода.

Изменение напряжения на фронте импульса (рис. 4.6,г) определяется изменением коллекторного тока, поскольку

u_кэ (t) = E_к - R_нi_к(t).

После момента времени t₂=t₁+t_ф(см. рис. 4.6,в и г) величины коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер транзистора остаются неизменными. Однако переходный процесс в нем не заканчивается, поскольку в базовом слое продолжается накопление заряда даже после открытия коллекторного перехода (продолжение фронта пунктиром на рис. 4.6,в). Этот процесс завершится, когда заряд базы достигнет значения_нас = I_Бнак(поскольку I_Б>I_{Б отк}), соответствующего режиму насыщения базового слоя транзистора. _нак– постоянная времени накопления при открытом коллекторном переходе, величина которой мало отличается от_Б(когда коллекторный переход закрыт). Как правило, накопление заряда завершается за время (2-3) _Б.

Перевод биполярного транзистора в закрытое состояние осуществляется подачей в момент времени t₃ на управляющий вход ключа отрицательного напряжения (см. рис. 4.6,а). При смене полярности напряжения u_упрэмиттерный переход транзистора закрывается, изменяется направление протекания базового тока, а в базовом слое транзистора, находящегося в режиме насыщения, начинается уменьшение концентрации неосновных носителей заряда.

Процесс перевода транзистора в закрытое состояние можно разбить на два интервала: t_расна рис. 4.6.в – интервал рассасывания избыточного заряда в базовом слое иt_сп– интервал спада коллекторного тока, в течение которого рабочая точка перемещается вниз по линии нагрузки до точки «а» на рис. 4.4.

В течение первого из этих интервалов заряд в базовом слое уменьшается с _нас = I_Бнакдо_отк = I_{Б откнак}, а величина коллекторного тока остается неизменной и равнойI_{К отк}. Следовательно, происходит задержка выключения транзистора на времяt_рас. Кроме того, остается в течение этого времени неизменной и величина напряжения коллектор-эмиттер, что позволяет для определения длительности интервала рассасывания использовать уравнение, аналогичное (4.6)

= I_КО. (4.11)

Ток в правой части уравнения – это ток базовой цепи транзистора в закрытом состоянии. При решении уравнения (4.11) в качестве частного решения неоднородного уравнения используется величина заряда в базовом слое, равная I_{КО нак}, а приt= 0 (соответствующему моменту времениt₃)

=_нас. Соотношение для определения длительности интервала рассасывания имеет вид (с учетом того, чтоI_КО << I_Б):

t_рас= _накln ≈ _накln s.

Таким образом, увеличение коэффициента насыщения приводит к увеличению длительности интервала времени t_рас, а вместе с этим увеличивает длительность импульса на выходе ключевой схемы по сравнению с длительностью импульса на ее входе.

Определение длительности интервала спада коллекторного тока, при котором рабочая точка перемещается вниз по линии нагрузки на рис. 4.4, можно осуществить таким же образом, как и длительность фронта импульса. Сначала с использованием уравнения (4.6) с заменой величины тока в правой части с i_БнаI_КОопределяется длительность t_спбез учета процесса изменения заряда барьерной емкости коллекторного перехода. При этом учитывается, что в момент окончательного закрытия транзистора заряд в базовом слое рассасывается полностью

t_сп = _Б ln (+ 1).

Затем в этом соотношении уточняется значение постоянной времени в соответствии с (4.10).

Как следует из проведенного анализа, форма импульса напряжения на выходе транзисторного ключа отличается от формы импульса на его входе. Однако это отличие не столь существенно, как в диодном ключе. Степень отличия характеризуется длительностями t_ф,t_рас, t_сп, величины которых зависят как от параметров самого транзистора (например, для биполярного транзистора,_Б,_нак,,С_К), так и условий его работы (R_К,s,E). Значения этих длительностей для ключевых схем на биполярном транзисторе находятся в пределах от долей единицы до единиц микросекунд.