Ключ на биполярном транзисторе.

В импульсной 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 шина D может быть подключена либо к общему проводу (транзистор полностью открыт), либо к источнику питания через нагрузочный резистор R2 (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.

Выходные характеристики показывают зависимость тока коллектора Ik от напряжения на коллекторе Uk и тока базы Iб. 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 формуле Iкз = Uп/Rk. В нашем случае Uп = +Vcc = 5В, а Rk = R2 = 100 оМ и соответственно Iкз = 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).

Все остальные возможные режимы работы транзистора находятся между этими крайними режимами. Напряжение на коллекторе может быть определено по формуле Uk = Uп - Ik*Rk, так как Uп и Rk постоянны, то напряжении на коллекторе будет изменяться пропорционально току коллектора то есть линейно. Для определения напряжения на коллекторе при любом возможном токе коллектора точки Iкз и Uхх 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 равным Ik0, то есть тепловому току коллектора. Ток коллектора тоже равен Iк0, величина которого настолько мала, напряжение на коллекторе будет равно напряжению питания.

Однако если в базу подать ток I бу (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 относительно Iбу 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 величину Uкн ≈ 0,3В. Основная особенность этого режима состоит в том, что изменения тока базы вокруг Iбн не приведет к существенным изменения ни тока коллектора, ни напряжения на коллекторе и не выполняется соотношение Ik = 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 – U бэ)/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.

Лекция 16