ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

3.2 ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой входных переключающих сигналов. Быстродействие зависит от общей длительности переходного процесса, обусловленной двумя факторами: собственной инерционностью ключевого транзистора (конечной скоростью изменения заряда в базе) и влиянием паразитных параметров (конечной скоростью изменения напряжения на барьерных и паразитных емкостях).

Переходный процесс переключения транзистора из запертого состояния в насыщенное содержит три стадии: задержки отпирания эмиттерного перехода, формирования фронта включения, накопление заряда в базе.

Задержка отпирания транзистора равна времени заряда барьерных емкостей до напряжения отпирания транзистора U0. Практически задержка проявляется в сдвиге фронта включения относительно фронта входного отпирающего сигнала (импульса). В большинстве практических случаев задержка отпирания невелика и существенно меньше длительности фронта включения.

Формирование фронта включения начинается с появления ступеньки базового тока  вследствие отпирания эмиттерного перехода. В насыщенных ключах ступенька тока  достаточна для последующего насыщения транзистора: >.

Если пренебречь влиянием емкостей на переходный процесс, поведение ключа на стадии формирования фронта включения непосредственно обусловлено процессом изменения заряда неосновных носителей в базе транзистора, который описывается уравнением:

 ( 8 )

где - время переноса заряда через базу в нормальном режиме (время жизни неосновных носителей в базе), которое проявляется как постоянная времени переходной характеристики транзистора.

Формирование фронта включения происходит при существовании активного режима работы пока выполняется условие <. Окончание фронта включения соответствует моменту, когда заряд становится равным .

В общем случае, когда нужно учитывать влияние емкости коллекторного перехода и емкости нагрузки , при анализе вместо следует пользоваться эквивалентной постоянной времени :

 ( 9 )

Длительность фронта включения рассчитывается по формуле

 ( 10 )

Для схемы рис.1 ток рассчитывается по (1), для схемы рис.2 = и рассчитывается по (7).

Если условие насыщения не выполняется (), для определения времени включения следует использовать формулу

 . ( 10а )

Накопление заряда в базе происходит уже в насыщенном транзисторе. Начиная с момента , все три внешних тока транзистора не меняются. Однако заряд в базе продолжает нарастать по экспоненциальному закону, и этот процесс заканчивается лишь через время , которое называют временем накопления. Значение может существенно отличаться от величины  (< ), поскольку распределение носителей в базе при насыщении отличается от распределения при нормальном активном режиме.

Процесс переключения транзистора из насыщенного состояния в запертое содержит две стадии: рассасывание избыточного заряда и формирование фронта выключения.

Рассасывание избыточного заряда проявляется внешне как задержка начала фронта выключения относительно выключающего (отрицательного) перепада входного сигнала. На стадии рассасывания транзистор остается насыщенным, концентрация заряда в базе остается выше равновесной концентрации, и оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом напряжение Uбэ = U0 = 0,7 В. Поэтому при установлении запирающего входного напряжения Uвх < U0 возникает отрицательный входной ток , обусловленный наличием в базе избыточного заряда. Ток  вытекает из базы, т.к. потенциал базы выше потенциала входа. Величина этого тока:

 . ( 11 )

Отрицательный ток  означает “отсос” заряда из базы, поэтому он начинает уменьшаться, и при =стадия рассасывания заканчивается.

Анализ функции изменения заряда дает формулу для определения времени рассасывания:

, ( 12 )

в которой для схемы рис.1 ток  рассчитывается по (1), а ток  - по (11). Формула (12) получена для случая, когда отпирающий сигнал - длинный, а ток  существенно меньше тока .

Для схемы рис.2 = и рассчитывается по (7). Ток =в этой схеме замыкается далее через насыщенный транзистор Т1 и источник управляющего напряжения. Резисторов в этой цепи нет. Ток  в этом случае определяется внутренним сопротивлением насыщенных транзисторов Т2 и Т1:

 , ( 13 )

где Rг, rк1, rб2 - соответственно сопротивление источника Uвх, насыщенных транзисторов Т1 и Т2.

Если перед подачей запирающего сигнала транзистор в ключе не насыщен, то tр = 0.

Формирование фронта выключения начинается в момент времени, когда Q(t)=Qгр . Если емкостями Ск, Сн можно пренебречь, заряд в базе меняется по тому же закону, что и на предыдущей стадии рассасывания. Но величина заряда не может достигать отрицательного асимптотического значения , так как заряд неосновных носителей в базе знак изменить не может. Поэтому процесс формирования фронта выключения заканчивается, когда Q(t)=0. В таком случае при запирающих токах, существенно меньших, чем ток насыщения, можно получить:

 ( 14 )

Ток  для ключей рис.1,2 рассчитывается соответственно по формулам (11),(13).

На практике часто запирающий ток сравним с током насыщения. Физика процессов выключения в этом случае сложнее из-за усложнения формы распределения носителей в базе. При больших запирающих токах Iкн выключению соответствует так называемый режим динамической отсечки, когда и эмиттерный и колекторный переходы работают при обратном смещении, но из-за наличия некоторого остаточного заряда в базе все три тока транзистора имеют конечные зачения (не равны нулю) и спадают до нуля с постоянной времени отсечки, равной , значительно меньшей . В таком случае длительность выключения коллекторного тока составляет величину:

; ( 15 )

ток спадает очень быстро.

В то же время длительность фронта выключения напряжения при наличии емкостной нагрузки Cк (Cн >Cк) может быть существенно больше, чем длительность выключения тока, и составляет

 ( 16 )