2.2.2. Переходные процессы в ключе

Так как транзистор является инерционным прибором, то переход ключа из одного стационарного состояния в другое происходит немгновенно даже при бесконечно крутых перепадах входного напряжения.

Процесс перехода ключа из выключенного состояния во включенное имеет две стадии: задержку и фронт включения. Задержка включения tЗ.ВКЛ обусловлена наличием входной емкости СВХ транзистора, заряжающейся через резистор Rб, благодаря чему напряжение на эмиттерном переходе запаздывает относительно входного напряжения. Длительность фронта включения tФ.ВКЛ зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору, значения коллекторной емкости и уменьшается с увеличением базового тока включения транзистора.

Процесс перехода ключа из включенного состояния в выключенное содержит стадии задержки и фронта выключения. Задержка выключения tЗ.ВЫКЛ связана с тем, что под действием выключающего сигнала происходит рассасывание заряда, накопившегося в базе при насыщении транзистора. Длительность рассасывания увеличивается с повышением степени насыщения транзистора и уменьшается с увеличением базового тока выключения. Длительность фронта выключения tФ.ВЫКЛ зависит от тех же факторов, что и длительность фронта включения, и уменьшается с увеличением базового тока выключения.

Опишем подробнее стадии переключения ключа. Будем считать, что на его вход воздействуют знакопеременные прямоугольные импульсы идеальной формы с амплитудой Um. Рассмотрение переходных процессов начнем с момента, когда отрицательный входной импульс сменяется положительным, начинающим включение транзистора.

Задержка включения, как указывалось, обусловлена наличием входной емкости СВХ транзистора. В исходном состоянии эта емкость заряжена до напряжения – Um, а с момента появления положительного входного импульса начинает перезаряжаться и напряжение на ней стремится к значению Um (см. рис. 2.2, б):

где tВХ = RбСВХ – постоянная времени входной цепи транзистора; Rб – сопротивление резистора в этой цепи.

Будем считать, что эмиттерный переход сместится в прямом направлении, когда напряжение на нем (на емкости СВХ) достигнет некоторого порогового напряжения  (для кремниевых транзисторов UПОР » 0,6 В). Это произойдет спустя время tЗ.ВКЛ (см. рис. 2.2, б) после того, как на вход ключа начнет воздействовать положительный импульс, т.е.  при t = tЗ.ВКЛ.

Подставляя эти значения в выражение (2.1) после простых преобразований и переходя от натуральных логарифмов к десятичным, получаем время задержки включения

Если UПОР = 0 (как можно считать у германиевых транзисторов), то предыдущее выражение упрощается:

tЗ.ВКЛ = 0,7tВХ.

Фронт включения транзистора представляет собой начальный участок экспоненты, в соответствии с которым коллекторный ток изменяется в активном (усилительном) режиме:

где b коэффициент усиления базового тока в схеме с общим эмиттером;  – импульс базового тока включения;  – ток коллектора, который был бы в отсутствие насыщения («кажущийся» ток); постоянная времени транзистора в схеме с общим эмиттером при RК = 0; CК – емкость коллекторного перехода. До границы насыщения коллекторный ток увеличивается от iК = IК0 » 0 до значения iK = IКН, которое достигается за время tФ.ВКЛ с момента отпирания эмиттерного перехода. Подставляя tФ.ВКЛ и IКН в выражение (2.2), получаем после преобразований длительность фронта включения транзистора

/wp-content/image_post/impustr/pic18_5.gif>

Отношение  называют степенью насыщения. Оно показывает, во сколько раз базовый ток  превосходит то значение тока базы IбН, при котором транзистор оказывается на границе насыщения.

С учетом введенного обозначения предыдущее выражение запишем в следующем виде:

Если S >> 1 (), то можно считать, что до уровня IКН фронт импульса тока iK нарастает линейно. Тогда из подобия соответствующих треугольников (см. рис. 2.2, в) имеем

Чем меньше инерционность транзистора (постоянная времени tЭК) и больше степень насыщения S, тем меньше длительность фронта включения транзистора.

Общая продолжительность включения транзистора: tВКЛ = tЗ.ВКЛ + tФ.ВКЛ.

В режиме насыщения коллекторный ток реально не изменяется. Однако накопление заряда в базе отражают продолжающимся увеличением кажущегося коллекторного тока до значения  (пунктирная кривая на рис. 2.2, в).

С момента появления на входе ключа отрицательного импульса начинается процесс выключения транзистора.

Задержка выключения обусловлена тем, что заряд, скопившийся в базе, не может мгновенно измениться. Под действием запирающего импульса базового тока  происходит рассасывание этого заряда. Выход транзистора из насыщения описывают экспоненциальным спадом кажущегося коллекторного тока, стремящегося к  от  (см. рис. 2.2, в):

где постоянную времени в режиме насыщения tН = (0,7 – 1,5) tЭК, можно приближенно считать равной tЭК.

Продолжительность выхода из насыщения tЗ.ВКЛ – время tР рассасывания заряда – интервал, в течение которого кажущийся ток снижается до значения IКН. Подставляя tЗ.ВКЛ и IКН в предыдущее выражение, после простых преобразований получаем время задержки выключения транзистора

При большом запирающем сигнале участок экспоненты от  до IКН можно считать линейным и из подобия треугольников на рис. 2.2, в легко получить

С уменьшением степени насыщения S уменьшается концентрация носителей в базе и сокращается время tР их рассасывания. Последнее, кроме того, тем меньше, чем меньше tЭК и больше перепад тока , под действием которого идет процесс запирания транзистора.

Фронт выключения начинается с момента выхода транзистора из насыщения в активный режим, когда ток коллектора реально изменяется от IКН , стремясь к :

Спустя время tФ.ВЫКЛ после выхода транзистора из насыщения, коллекторный ток iK » 0. С учетом этого из выражения (2.4) длительность фронта выключения

При большом запирающем сигнале фронт включения можно в первом приближении считать линейным. Тогда из подобия треугольников на рис. 2.2, в имеем

Чем меньше tЭК, больше b и перепад () запирающего тока, тем меньше длительность фронта выключения.

Общая продолжительность выключения транзистора: tВЫКЛ = tЗ.ВЫКЛ +tФ.ВЫКЛ.

Анализируя процессы включения и выключения транзистора, легко заметить, что с увеличением базового тока включения () уменьшается время включения, но за счет повышения степ