Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

Существует также переключающая схема, эквива­ лентная электромеханическому реле в смысле гальвани­ ческой разобщенности входной и выходной цепи. Эта схема называется полупроводниковым реле и включает в себя следующие элементы: во входной цепи стабилит­ рон, обеспечивающий необходимый порог срабатывания схемы; блокинг-генератор, преобразующий постоянный ток входного сигнала в переменный; выпрямительную схему с емкостным фильтром в выходной цепи транс­ форматора блокинг-генератора; коммутирующий тран­ зистор, возбуждаемый выпрямленным и сглаженным сигналом блокинг-генератора.

Термин «полупроводниковое реле» в отдельных лите­ ратурных источниках, например, в брошюре Р. А. Лип­ мана [6], применяется также к пороговым переключаю­ щим схемам с гистерезисным видом передаточной харак­ теристики.

§ 2. Работа транзистора в режиме переключения

Для того, чтобы транзистор работал в режиме пере­ ключения, управляющий сигнал должен иметь импульс­ ную форму с малой длительностью фронтов нарастания

испада. Амплитуда входного сигнала должна быть до­ статочно велика, чтобы обеспечить переход транзистора

врежим насыщения. Во время паузы входного сигнала следует принять меры для эффективного запирания эмиттерного перехода транзистора, чтобы свести к ми­ нимуму коллекторный ток в режиме отсечки. Выполне­ ние этих условий обеспечивает минимальную мощность рассеивания на транзисторе, что повышает надежность

идолговечность переключающих схем.

Простейшая схема транзисторного ключа и диаграм­ мы электрических процессов показаны на рис. 42. Ха­ рактер электрических процессов зависит от выбора пара­ метров как самой схемы, так и управляющего сигнала. Выбор этих параметров сказывается на всех трех основ­ ных состояниях схемы: режиме насыщения, отсечки и пе­ реходном режиме, т. е. процессе переключения.

Особенностью режима насыщения является крайне низкое (единицы ом) выходное сопротивление транзи­ стора. Во многих случаях можно считать, что выходное

111

J_______ Ц&ОТП

Рис. 42. Задержка включения и выключения импульсного усили­ теля по схеме с общим эмиттером:

а — схема усилителя; 6 — временная диаграмма входного напряжения и выходного тока

сопротивление транзистора в режиме насыщения равно нулю. Коллекторный ток транзистора в режиме насы­ щения /к.н зависит только от напряжения коллекторного питания Ек и сопротивления резистора коллекторной нагрузки R K:

А к

Коллекторному току насыщения 1К, н соответствует ток базы /б. н, при котором транзистор переходит из ак­ тивного режима в режим насыщения (находится на границе режима насыщения):

112

При увеличении базового тока выше указанного зна­ чения насыщенное состояние сохраняется. Поэтому ус­ ловие насыщенного состояния транзистора можно оха­ рактеризовать следующим неравенством:

l.Rk?

Для создания устойчивого режима насыщения необ­ ходимо, чтобы базовый ток / б был больше базового то­ ка насыщения h. н по крайней мере в 1,5—2 раза. Вели­ чина, показывающая кратность базового тока /6 по от­ ношению к базовому току насыщения h. н, называется коэффициентом насыщения:

коллекторный переход смещен в отпирающем направле­ нии. При этом происходит инжекция неосновных носи­ телей в базовую область как со стороны эмиттера, так и со стороны коллектора. Поэтому в режиме насыщения в базовой области находится значительное количество неосновных носителей, увеличивающееся с увеличением коэффициента насыщения.

При спаде импульса входного сигнала ранее насы­ щенный транзистор переходит в режим отсечки не сра­ зу же после снятия входного сигнала, а по прошествии некоторого времени, называемого временем выключения

Ашк.т- Время выключения ^выкл подразделяется на два эта­

па: время рассасывания избыточных неосновных носи­ телей tp и время спада tc (рис. 42, б). В течение време­ ни рассасывания концентрация неосновных носителей, находившихся в базе к моменту снятия входного сигна­ ла, снижается до такой величины, при которой транзи­ стор выходит из режима насыщения.

После того как транзистор окажется в активном ре­ жиме, начинается спад импульса коллекторного тока. Известно, что процесс рассеяния энергии в системе, со­ держащей один накопитель энергии, подчиняется экспо­ ненциальному закону. Рассасывание неосновных носи­ телей в базе транзистора происходит также по экспонен-

113

циальному закону и зависит от отпирающего тока в г

сыщения / к. „ и коэффициента усиления транзистора |3. Поэтому время рассасывания неосновных носителей оце­ нивается следующей логарифмической зависимостью:

м, сои — граничная частота при прямом и инверсном ре­ жиме.

В режиме насыщения, как уже было сказано, инжек­ ция неосновных носителей в базу выполняется и эмитте­ ром, и коллектором. В этом случае можно считать, что не только коллектор собирает неосновные носители, ин­ жектируемые эмиттером, но и эмиттер собирает носители, инжектируемые коллектором. Такой режим работы тран­ зистора, когда эмиттер выполняет функцию коллектора, а коллектор функцию эмиттера, называется инверсным.

Коэффициент усиления транзистора при инверсном включении значительно меньше коэффициента усиления при обычном, прямом включении. Если коэффициент J3 при прямом включении равен 30, то инверсный коэффи­ циент усиления {Зи равен 2—5.

Аналогично, если в схеме с общей базой, коэффи­ циент усиления а при прямом включении равен 0,98, то инверсный коэффициент усиления аи равен 0,8. Гранич­ ная частота (частота, при которой коэффициент усиле­ ния падает до 0,7 первоначального значения) при инвер­ сном включении транзистора также меньше, приблизи­ тельно на порядок.

Поскольку в течение времени рассасывания неоснов­ ных носителей транзистор продолжает находиться в на­ сыщенном состоянии, он работает в этот период одновре­ менно и в прямом, и в инверсном режимах. Этим объяс­ няется наличие в формуле для постоянной времени т2 величин угловой частоты и коэффициента усиления как для прямого, так и для инверсного режима. Эмигрирую­ щая способность коллектора в инверсном режиме значи­

114

тельно выше, чем эмиттирующая способность эмиттера в прямом режиме, поскольку площадь коллекторного электрода больше, чем площадь эмиттерного электрода. Поэтому можно предполагать, что в период рассасыва­ ния неосновных носителей процесс рассасывания лими­ тируется, в основном, инверсным режимом работы тран­ зистора. Этим объясняется наличие в приближенной формуле для постоянной времени т2 только инверсных параметров транзистора.

После окончания времени рассасывания избыточных неосновных носителей транзистор оказывается в актив­ ном режиме. В этом режиме коллекторный переход сме­ щен в запирающем направлении и поэтому инверснымеханизм рассасывания неосновных носителей отсут­

ствует.

В активном режиме рассасывание остаточных неос­ новных носителей, сохранившихся после процесса расса­ сывания избыточных неосновных носителей, происходит также по экспоненциальному закону.

Формула для времени спада импульса коллекторного

Л).зап время спада уменьшается.

Процесс увеличения тока при включении транзистора также имеет экспоненциальный характер, причем уве­ личение тока происходит с той же постоянной времени, что и спад тока. Время включения транзистора зависит

Р / 5. вкл 0 ,9 /к .н

Для уменьшения времени включения и времени вы­ ключения транзистора токоограничивающий резистор в базовой цепи шунтируют емкостью. Практически для

115

частот 100—200 кГц применяют емкость 500—200 пФ. Для частот порядка 1—20 кГц допустимо применять ем­ кость до 30 000 пФ, хотя при достаточно крутых фронтах включения и спада вполне достаточна емкость 1000— 500 пФ.

Особенностью режима отсечки является обратное смещение и коллекторного, и эмиттерного переходов. За­ пирающее смещение базы транзистора достигается при­ менением цепи смещения, состоящей из источника сме­ щения /;см и токоограничивающего резистора R CM.

Для того, чтобы транзистор находился в режиме от­ сечки, необходимо, чтобы величина сопротивления рези­ стора цепи смещения удовлетворяла следующему усло­ вию:

транзистора без управляющего сигнала за счет пробоя базового слоя при смыкании областей коллекторного и эмиттерного р—п переходов. Это явление наиболее ве­ роятно, если применяются высокочастотные транзисторы, имеющие тонкую базу. В отдельных случаях этот пробой может оказаться необратимым, то есть сопровождается

зы). Поэтому запирающее напряжение эмиттерного пе­ рехода целесообразно фиксировать путем шунтирования эмиттерного перехода обратно включенным диодом.

У транзистора, работающего в режиме переключения, отношение максимальной мощности, отдаваемой в на­ грузку, к максимальной мощности потерь (коэффициент использования) достаточно велико (/Си = 90—100). КПД усилителя, работающего в режиме переключения, также велик и может достигать 0,99.

Транзистор, работающий в режиме переключения, может быть использован для регулирования мощности, отдаваемой в нагрузку. Для этого необходимо регулиро­ вать коэффициент заполнения импульсного сигнала.

Схемы, осуществляющие изменение коэффициента за­ полнения импульсного сигнала пропорционально входно­ му напряжению, называются широтно-импульсными мо­

116