Расчет транзисторных ключей

Рассмотрим методику расчёта ключа в режиме насыщения. Принципиальная схема ключа приведена на рис.2.23. Для насыщения ключа необходимо отрицательные входные импульсы определённой амплитуды. В результате расчётов нужно получить: тип транзистора, , , .

Рисунок 2.23 — Транзисторный ключ в режиме насыщения

Для положительных входных импульсов применяют транзисторы типа n-p-n, схема ключа аналогична.

Расчёт схемы по постоянному току традиционен, однако учитывается входная характеристика транзистора в режиме насыщения (2).

Нагрузочная линия (1) строится по двум точкам (Х.Х и К.З.).

Х.Х.: , .

К.З.: , .

Пересечение нагрузочной прямой (1) с линией насыщения (2) — точка «А», определяющая , и . В данном случае (см. рис.2.24). При проектировании ключей ток коллектора в режиме насыщения обычно задан, что определяет выбор типа транзистора по допустимому току и положение точки «А» (значит и тока ). По значению этого тока рассчитывают резистор ( ).

Рисунок 2.24 — Расчёт ключа по постоянному току

Для расчёта резистора воспользуемся входной характеристикой транзистора в режиме насыщения ( ). Ток базы, определяемый и резистором должен быть: .

Установим положение точки «А» на входной характеристики по значению тока базы в точке «А» на выходных характеристиках (см. рис.2.25). Если задано, то нагрузочная линия ко входным характеристикам должна прейти из точки Х.Х. ( ) через точку «А» и определить значение тока К.З. ( ). Поскольку ток , то отсюда можно определить значение резистора ( ). Если велико (более 3¸5В), то построение нагрузочной линии неудачно. В этом случае запишем систему уравнений для точки «А», из которой без построения нагрузочной линии можно определить значение резистора :

;

Рисунок 2.25 — Определение положения рабочей точки на входных характеристиках

Для ускорения процесса насыщения иногда ключа вводят понятие коэффициент насыщения.

Коэффициент насыщения , .

Рекомендованное значение коэффициента , т.к. с увеличением S уменьшается время включения ключа, однако при этом увеличивается время выключения.

Простейший расчёт ключа.

– (координата точки «А», и заданна потребителем.

; .

Примем, что ;

.

Примем , тогда ;

Рассчитаем

при , получим

; .

Ориентировочные требования к транзистору:

; ; .

Полная модель ключа для области насыщения имеет вид (см. рис.2.26):

Рисунок 2.26 — Полная модель ключа при

При этом , что обеспечивает .

Упрощённая модель ключа имеет вид (рис.2.27).

Рисунок 2.27 — Упрощённая модель ключа при

В упрощённом варианте можно считать, что зажимы транзистора К,Э и Б — однопотенциальные.

Расчёт ключа в режиме отсечки.

Схема ключа и фрагменты расчёта по постоянному току приведены на рис.2.28.

На вход схемы поступают положительные импульсы, запирающие транзистор. Рабочая точка А₁ для полного запирания транзистора должна располагаться на самой нижнеё характеристике ( ). При этом . Расчёт режима по постоянному току аналогичен. Модель ключа в режиме отсечки приведена на рис.2.29.

Рисунок 2.28 — Модель схемы ключа в режиме отсечки и элементы расчётов по постоянному току

Рисунок 2.29 — Модель ключа в режиме отсечки

Рассчитаем амплитуду импульсов ( ) поступающих на вход ключа, обеспечивающих запирание транзистора (точку А₁).

Известно описание входной характеристики транзистора

,

где — значение тока базы при обратном включении входного перехода транзистора;

— тепловой потенциал (25мВ при нормальных условиях, Т=293°К);

в режиме отсечки.

Тогда

.

Если , то , что обеспечивает работу транзисторного ключа в точке А₁. Для обеспечения необходимо чтобы .

;

Найдём амплитуду импульсов

.

Значение напряжения - порядка десятков милливольт, поэтому .

Упрощённая модель ключа представляет собой разомкнутые коллектор и эмиттер, при напряжении на базе (0,3¸0,5)В.

ВЫВОДЫ:

Транзисторный ключ в основном находится в двух состояниях (отсечка и насыщение):

1. Ключ в режиме насыщения. Его упрощённая модель К и Э замкнуты. При этом . Если задано, то рассчитывают .

2. Ключ в режиме отсечки К и Э разомкнуты, для этого на базу необходимо подавать запирающие напряжение .

Преимущество транзисторных ключей: управление большими токами с помощью малых токов базы. Следовательно, ключ КЭ является безискровым выключателем.