Особенности работы транзисторов в ключевом режиме

В отличие от идеального ключа (рис. 6) ток через открытый транзистор и обратное напряжение на закрытом транзисторе ограничен: на открытом транзисторе имеется остаточное падение напряжения, а через закрытый транзистор протекает тепловой ток I_ко (рис. 7).

Рис. 6. Идеальный ключ

а – принципиальная схема; б – выходная характеристика

а) б)

Рис. 7. Транзисторный ключ

а – принципиальная схема; б – выходная характеристика

Границе режима насыщения соответствует точка перегиба ВАХ. Для вывода транзистора на границу режима насыщения необходимо задать в базу ток

.

Из-за разброса параметров транзисторов и их сильной зависимости от температуры работа на границе насыщения нежелательна. Состояние насыщения транзистора гарантируется при выборе тока базы из условия

,

где S – коэффициент насыщения.

В области насыщения ранее приведенные соотношения несправедливы, так как напряжение U_кб меняет знак, становясь положительным: .

В состоянии насыщения оба перехода транзистора открыты. В этих условиях при неизменном направлении тока базы коллекторный ток транзистора может менять свое направление в зависимости от полярности источника питания. Для систем управления двигателями это имеет важное значение, так как они должны допускать изменение направления тока без изменения направления движения.

Реальные транзисторы имеют несимметричную конструкцию, поскольку коллекторный переход предназначен для работы с большими мощностями по сравнению с эмиттерным переходом. Для обеспечения работоспособности транзисторного ключа при разных направлениях тока нагрузки транзистор разгружают от инверсного тока с помощью шунтирующего диода, который в нормальном режиме работы транзистора закрыт, а в инверсном открыт (рис. 8).

а) б)

Рис .8. Режимы работы транзистора:

а – нормальный, б – инверсный

Состояние отсечки. Для перевода транзистора в режим отсечки необходимо подать на его эмиттерный переход запирающее напряжение (U_бэ > 0 для n – p – n- и U_бэ < 0 для p – n – p-транзистора). Достижимое на практике значение тока закрытого транзистора близко к величине I_ко. В реальных условиях источник запирающего напряжения должен обеспечить этот ток при напряжении на зажимах база – эмиттер .

Большие напряжения U_бэз нежелательны из-за увеличения обратного напряжения U_кб. Кроме того, для многих транзисторов допустимое напряжение закрывающей полярности на эмиттерном переходе ограничено величиной 1 – 2 В. Это заставляет защищать переход от пробоя обратным напряжением при помощи шунтирующего диода (рис. 9). При этом напряжение на эмиттерном переходе не может превышать величины прямого падения напряжения на диоде U_дпр £ 1 В.

Рис .9.Транзисторный ключ с шунтирующим диодом

Динамические нагрузки. Потери мощности при переключениях в значительной мере зависят от характера нагрузки транзисторного ключа. Различают три основных типа нагрузок. Первый из них соответствует активному сопротивлению (рис. 10). Он характерен для предварительных каскадов усиления мощности. Ко второму типу относятся нагрузки, имеющие соизмеримую активную и индуктивную составляющие (обмотка реле, муфты и т.п.) (рис. 11). Нагрузки третьего типа имеют активно-индуктивный характер с противоЭДС. Такими нагрузками для усилителей мощности являются якорные цепи электродвигателей постоянного тока.

ПротивоЭДС в основном влияет на величину тока ключа (активно-индуктивная нагрузка). В наихудших условиях транзистор оказывается при выключении. ЭДС самоиндукции меняет знак и при сложении с напряжением источника питания увеличивает обратное напряжение на транзисторе почти вдвое, так как в течение некоторого времени ток поддерживается на прежнем уровне за счет энергии, запасенной индуктивностью. Поэтому потери мощности на транзисторе существенно возрастают. Появляется возможность выхода транзистора из строя.

Рис. 10. Работа транзисторного ключа на активную нагрузку: а – принципиальная схема; б – выходная характеристика; в, г, д – переходные процессы по напряжению, току, мощности

Рис. 11. Работа транзисторного ключа на активно-индуктивную нагрузку а – принципиальная схема; б – выходная характеристика; в, г, д – переходные процессы по току, напряжению, мощности

Для защиты транзистора от перенапряжения и уменьшения рассеиваемой на нем мощности нагрузку шунтируют диодом (рис. 12). При выключении транзистора диод открывается под действием ЭДС самоиндукции. Ток нагрузки замыкается через диод и имеет прежнее направление. Падение напряжения на открытом диоде мало, так что к закрытому транзистору приложено напряжение .

При наличии противоЭДС блокирующий диод в течение паузы открыт только в том случае, если .

Существенное повышение коэффициента усиления оконечных каскадов по мощности достигается за счет применения в них так называемых составных транзисторов (эмиттерные повторители на составных транзисторах, сложные эмиттерные повторители) (рис. 13).

Поскольку в составном транзисторе ток эмиттера VT1 является током базы VT2 , то эквивалентный коэффициент усиления по току

.

Как видно, запирание транзистора VT1 приводит к изоляции эмиттерного перехода VT2 от источника сигнала. Для замыкания цепи обратного базового тока VT2 в схему вводится диод (рис. 14).

При сигнале открывающей полярности диод закрыт и не мешает работе схемы. В схеме , так что насыщен может быть только транзистор VT1 ( ), тогда как VT2 может работать только вблизи границы насыщения . Для создания устойчивого насыщения включают дополнительный резистор R_к или диод VD2 (см. рис.14).

В современном электроприводе большое распространение имеют реверсивные транзисторные ШИП, варианты которых представлены на рис. 15.

Рис. 15. Транзисторные ШИП:

а – полумостовая схема; б – мостовая схема с обратными диодами;

в – схема с двумя источниками питания

Транзисторный ШИП может быть выполнен на двух и четырех транзисторах по мостовой схеме с одним источником и двумя источниками питания. Для одного направления вращения включаются транзисторы VT1 (рис.15, а, в) и VT1, VT3 (рис. 15, б), для другого – VT2 (см. рис. 15, а, в) и VT2, VT4 (см. рис. 15, б).

Управление ШИП осуществляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ), где происходит преобразование непрерывного входного сигнала в последовательность импульсов с неизменной амплитудой и частотой, длительность которых пропорциональна величине входного сигнала. Реализуется такое преобразование наиболее просто с применением периодического пилообразного сигнала, период повторения которого равен необходимому периоду следования импульсов. Устройства, реализующие ШИМ – модуляторы длительности импульсов (МДИ), имеют два входа, на один из которых поступает управляющий сигнал, а на другой – периодический пилообразный (рис.16).

Рис. 16. Широтно-импульсная модуляция