4.3 Ключ на биполярном транзисторе.

Вимпульсной технике нашли широкое применение ключи, функциональное назначение которых состоит в подключении информационной шины (проводника) к какой либо части электрической цепи в зависимости от состояния управляющего сигнала. Действительно, если использовать схему показанную на рис. 126, то при ее анализе информационная шинаDможет быть подключена либо к общему проводу (транзистор полностью открыт), либо к источнику питания через нагрузочный резисторR2 (транзистор полностью закрыт). Должно быть понятно, что качество таких подключении зависит от работы транзистора. В этом можно убедиться, если провести анализ возможных состояний схемы. Для этого воспользуемся выходными характеристиками транзистора и нагрузочной линией, показанными на рис. 127.

В

Рис. 126. Ключ на биполярном транзисторе.

ыходные характеристики показывают зависимость тока коллектораIkот напряжения на коллектореUkи тока базыIб. Нагрузочная линия строится на этом же графике. Для ее построения со схемой ключа нужно провести два эксперимента, которые позволяют определить напряжения и токи в схеме для крайних режимов.

Проводим анализ схемы, предполагая, что транзистор полностью открыт при этом в крайнем случае напряжение между коллектором и эмиттером равно нулю (эксперимент короткого замыкания). Так как Uкэ = 0, то и напряжение на информационной шине то же равно нулю, а ток коллектора определяется по формулеIкз =Uп/Rk. В нашем случаеUп = +Vcc= 5В, аRk=R2 = 100 оМ и соответственноIкз = 50 мА. Отмечаем эту точку на вертикальной оси графика.

Второй эксперимент холостого хода, при этом предполагается, что транзистор полностью закрыт, то есть ток коллектора равен нулю, а напряжение на коллекторе будет равно напряжению питания 5В. Таким образом, получили вторую точку, которую отмечаем на горизонтальной оси.

Эти две точки характеризуют два крайних режима работы транзистора с максимально возможным током коллектора (Iкз), и минимальным током коллектора (Iк = 0).

В

Рис. 127. Выходные характеристики биполярного транзистора и нагрузочная линия.

се остальные возможные режимы работы транзистора находятся между этими крайними режимами. Напряжение на коллекторе может быть определено по формулеUk=Uп -Ik*Rk, так какUп иRkпостоянны, то напряжении на коллекторе будет изменяться пропорционально току коллектора то есть линейно. Для определения напряжения на коллекторе при любом возможном токе коллектора точкиIкз иUхх соединяем прямой линией, которая и является нагрузочной линией.

Теперь на основе полученных графиков проведем анализ возможных состояний транзистора в зависимости от величины тока базы. Если входное напряжение сделать равным нулю, то и напряжение Uбэ = 0. нулевое напряжение на базе приводит к тому, что базы становится вытекающим из базы и равнымIk0, то есть тепловому току коллектора. Ток коллектора тоже равенIк0, величина которого настолько мала, напряжение на коллекторе будет равно напряжению питания.

Однако если в базу подать ток Iбу (линейный усилительный режим), то величина тока коллектора будет примерно 27 мА, а напряжение на коллекторе буде примерно 2,3В (зеленая линия), то есть и напряжение и ток имеют существенные значения. Но основное в этом режиме состоит в том, что незначительные изменения тока базы в одну или другую сторону относительноIбу приведет к значительному изменению и тока и напряжения коллектора.

Если в базу транзистора подать ток Iбн, то, анализируя график видно, что ток коллектора будет равен почти току короткого замыкания, а напряжение на коллекторе будет иметь малую величинуUкн ≈ 0,3В. Основная особенность этого режима состоит в том, что изменения тока базы вокругIбн не приведет к существенным изменения ни тока коллектора, ни напряжения на коллекторе и не выполняется соотношениеIk= β*Iб и оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. Такой режим работы транзистора называют режимом насыщения.

Выполним количественные оценки режима насыщения для схемы рис. 127.

Исходные данные для расчета: Uвх макс = 5В,Uп = +Vcc= 5В, β = 100,Uкнас = 0,3В,Uбэ = 0,7В.

Ток базы Iбн = (Uвх макс –Uбэ)/R1 = (5 – 0,7)/1 кОм = 4,3 мА.

Определим ток коллектора, который может сформировать транзистор при этом токе базы Iк1 = β*Iбн = 100* 4,3 = 430 мА.

Определим реально существующий в схеме ток коллектора Iкн = (Uп –Uкнас)/R2 = (5 – 0,3)/100 = 0,047 А = 47 мА.

На основе полученных результатов приходим к выводу, что транзистор может сформировать в коллекторной цепи ток 430 мА, но величина тока в коллекторе ограничивается внешним резистором и равна всего лишь 47 мА. Величина заряда неосновных носителей в базе определяется током базы и в данном случае намного превышает необходимое значение для формирования тока коллектора. Для оценки избыточности заряда вводят параметр насыщения ─ коэффициент насыщения

S=β*Iбн/Iкн.

В нашем случае S= 430/47 = 9,15.

Замечание.

Если нагрузка включается параллельно транзистору, то при закрытом транзисторе выходное напряжение будет определяться соотношением сопротивления в цепи коллектора R2 и сопротивлением нагрузки, что может привести к значительному уменьшению его.

При положительной логике кодирования логических сигналов транзисторный ключ выполняет логическую функцию "инверсия".

Мы рассмотрели два крайних состояния транзисторного ключа (статические состояния). Однако схемотехника ключа и его режимы влияют на его быстродействие. Поэтому целесообразно рассмотреть процессы переключения во времени.