Ключевой режим биполярного транзистора

Рис. 4.14. Потеря управляемости ключа на биполярном транзисторе

Ключевой режим может быть использован для коммутации источника однополярного (ключи постоянного тока) или разнополярного (ключи переменного тока) напряжения. При однополярном источнике состояние биполярного транзистора определяется только величиной и знаком управляющего сигнала. В случае же знакопеременного источника может создаться ситуация, когда при подаче запирающего управляющего сигнала переход коллектор-база оказывается открытым за счет источника коммутируемой энергии, что делает биполярный транзистор в этой ситуации неуправляемым (рис. 4.14). Поэтому при необходимости коммутации знакопеременного источника с помощью дополнительных мер обеспечивают неизменную полярность напряжения коллектор-база (рис. 4.15). Из-за необходимости введения дополнительных элементов и связанного с этим увеличения потерь ключи переменного тока на биполярных транзисторах используются очень редко.

а) б) Рис. 4.15. Варианты ключей знакопеременного сигнала: а) на двух транзисторах с отсекающими диодами; б) с транзистором, включенным в диагональ диодного моста

При работе с однополярным источником коммутируемая нагрузка может быть включена или последовательно, или параллельно с ключевым элементом (рис. 4.16).

а) б) Рис. 4.16. Схема последовательного (а) и параллельного (б) ключа

Очевидно, что наличие дополнительного (балластного сопротивления) R_б в параллельном ключе усиливает потери энергии. Поэтому в преобразовательной технике используются только последовательные ключи, а в информационной электронике из-за удобства подключения нагрузки (источник управляющего сигнала, нагрузка и источник питания имеют общую точку) - параллельные ключи.

Минимальным сопротивлением в открытом состоянии обладает транзистор в режиме насыщения (оба перехода открыты). Кроме того, в режиме насыщения напряжение на замкнутом ключе практически не зависит от вариаций усиления транзистора по току, что очень важно при массовом производстве однотипных ключевых элементов, как это имеет место в цифровой электронике.

а) б) Рис. 4.17. Замена параллельного ключа (а) эквивалентным последовательным (б)

Как и в активном режиме, режим насыщения удобнее характеризовать соотношением токов базы коллектора. Учитывая, что параллельный ключ на основе теоремы об эквивалентном генераторе может быть приведен к схеме последовательного, далее будет рассмотрена обобщенная схема последовательного ключа (рис. 4.17).

Полагая, что сопротивление насыщенного транзистора много меньше эквивалентного сопротивления нагрузки

r_н << R_э,

можно считать, что в режиме насыщения ток коллектора, достигающий своего максимального значения, равен

. (4.9)

В активном режиме имело бы место соотношения

ВI_б» I_кн.

Переход в режим насыщения наступает при условии

ВI_б>I_кн. (4.10)

Соотношения (4.9) и (4.10) являются основными для расчета элементов управления, обеспечивающих насыщенный режим.

При грубых расчетах транзистор в режиме насыщения представляется моделью в виде накоротко замкнутых электродов (рис. 4.18). В режиме отсечки оба перехода заперты, через переход коллектор-база течет обратный ток I_ко, а через переход эмиттер-база - обратный ток I_эо.

Рис. 4.18. Упрощенная модель насыщенного транзистора