4.7. Работа транзистора в импульсном режиме.
4.7.1. Режим переключения.
В режиме переключения транзистор работает как электронный ключ он либо заперт и обладает высоким сопротивлением, либо
включен и его сопротивление мало. В ключевом режиме транзистор включается последовательно с нагрузкой и когда он выключен
ток через нагрузку близок к нулю и все напряжение от внешнего источника прикладывается к транзистору (т. А на рис. 67).
Когда транзистор включен (т. В на рис. 67), то ток через транзистор большой и приближается к предельно возможному в данной
схеме Eк/Rк , где Rк - нагрузочное сопротивление в коллекторной цепи.
Когда транзистор выключен на его эмиттер либо подается отрицательное смещение, либо не подается никакого и транзистор
находится в режиме отсечки. Когда транзистор включен, то на его эмиттерный переход подано прямое смещение, а коллекторный
переход находится, либо под небольшим положительным смещением, либо под нулевым смещением, т.е. в режиме насыщения.
Рис. 67. Рабочие точки на нагрузочной характеристике (активная нагрузка) при работе транзистора в режиме переключения.
К достоинствам режима переключения относится то, что во включенном и выключенном состоянии мощность рассеиваемая на
транзисторе может быть существенно меньше, чем мощность рассеиваемая в нагрузке и таким образом он может коммутировать
мощность превосходящую предельно допустимую мощность рассевания самого транзистора (см. рис. 67). Помимо статической в
транзисторе может рассеиваться значительная динамическая мощность во время включения и выключения транзистора, причем при
большой частоте коммутаций эта мощность может превосходить мощность, рассеиваемую в статическом режиме, поэтому желательно,
чтобы время включения и выключения (в течение которого рассеивается динамическая мощность) было как можно меньше. На рис.
68 показаны соответствующие экспериментальным результатам диаграммы токов транзистора, при различных значениях амплитуды
входных импульсов.
Рис. 67. Форма импульсов токов транзистора, при его работе в импульсном режиме.
В представленных на рис. 67 диаграммах кривые 1 соответствуют усилительному режиму для которого выполняется условие
Iк = βIб, кривые 2, 3, 4 соответствуют случаям, когда во включенном состоянии транзистор находится в режим насыщения
в котором для тока коллектора справедливо Iк ≤ βIб. Для характеристики глубины насыщения вводят коэффициент
насыщения S = Iк/ Iкн, где Iкн = βIбн соответствует границе насыщения. Как видно из графиков, чем глубже заходит
транзистор в область насыщения (чем больше S), тем меньше время включения и больше время рассасывания заряда (полочка
предшествующая спаду тока) и соответственно время выключения.
4.7.2. Расчет времени включения.
Для анализа переходных процессов при работе транзистора в ключевом режиме можно воспользоваться законом сохранения заряда:
(4_115)
Помножим левую и правую части этого уравнения на q и проинтегрируем по объему базы. Получим, что изменение суммарного,
накопленного в результате инжекции в базу заряда изменяется в результате рекомбинации этого заряда и протекающего через
базу тока:
(4_116)
Решением этого неоднородного уравнения первого порядка будет сумма общего решения однородного уравнения
(Qp = Ae-t/τp) и частного решения неоднородного:
(4_117)
То, что Q = Jpτp является частным решением можно уюедиться подставив эту величину в (4_116).
Для нахождения А воспользуемся тем, что до подачи входного импульса заряд в базе отсутствовал: Q(0) = 0. Тогда получим,
что A = Jpτp и соответственно:
(4_118)
Чтобы записать выражение для тока учтем, что Q(t) = Jкταβ = τp/
τα, тогда используя эти соотношения из (4_118) получим:
(4_119)
Используя (4_119) можем определить время tф в течение которого достигается заданный ток Jкн ~
Eк/Rк (в режиме насыщения S > 1):
(4_120)
Как видно из этого уравнения с ростом тока базы (при увеличении S) для насыщенного во включенном состоянии транзистора
время включения уменьшается.
4.7.3. Расчет времени рассасывания заряда.
Предположим, что транзистор работает в ключевом режиме при управляющем токе показанном на рис. 68.
Рис. 68. Диаграмма переключающего сигнала.
Уравнение, описывающее накопление заряда в базе транзистора, запишется в виде:
(4_121)
Начальное значение равно заряду, накопленному в базе транзистора за время, в течение которого он находился при прямом
смещении, т.е. при t = 0, Q = Jбτp. Решением, так же как и в предыдущем случае будет сумма
общего решения однородного уравнения (Qp = Ae-t/τp) и частного решения неоднородного т.е.:
(4_122)
Используя начальное условие определим величину неизвестной константы в (4_117) и запишем решение:
(4_123)
Обозначим через ts время задержки спада тока после прекращения прямого имульса, это время обусловлено
рассасыванием избыточного относительно равновесного заряда дырок около коллектора. В момент t = ts
концентрация дырок около коллекторного перехода становится равной равновесной: pn(w) = pn0, Uкб
= UTln[pn(w)/pn0] = UTln[pn0/pn0] = 0 , при этом ток
коллектора соответствует граничному Jкн (при активной нагрузке Jкн ~ Ек/Rк), соответствующее значение базового тока
Jбн=Jкн/β и заряд в базе Q(ts)= Jбнτp. Подставив эти значения в (4_118) получим:
(4_124)
Допустим, что выключение транзистора происходит при Jб1 = 0, тогда:
(4_125)
т.е. чем глубже транзистор находится в насыщении (больше коэффициент насыщения S), тем больше время рассасывания
ts и соответственно длиннее ступенька (см. кривые 3, 4 на рис. 67).
Рис. 69. Зависимость времени рассасывания при выключении от степени насыщения
