3.2.2 Ключи на биполярных транзисторах

Из рис.3 следует, что если на вход транзистора в схеме рис.2 поступает положительный прямоугольный импульс напряжения, переводящий транзистор передним фронтом из режима отсечки ( →∞) в режим насыщения ( →0), а задним фронтом (срезом) – из насыщения в режим отсечки, транзистор работает как ключ, практически размыкая коллекторную цепь в режиме отсечки и замыкая ее в режиме насыщения. Такой режим работы транзистора называют ключевым, а схему рис.2 – электронным (транзисторным) ключом.

В ключевом режиме работают транзисторы с цифровыми двоичными сигналами. При этом низкий уровень цифрового сигнала (логический нуль) должен переводить транзистор в режим отсечки. Тогда согласно (2) на выходе схемы высокое напряжение ≈ , что соответствует логической единице. Если высокий уровень цифрового сигнала (логическая единица) переведет транзистор в режим насыщения, то согласно (4) напряжение на выходе схемы становится ≈ 0, что соответствует логическому нулю.

Таким образом, результат анализа схемы при работе с цифровым сигналом может быть представлен в виде таблицы.

(лог.0)	К (лог.1)
(лог.1)	(лог.0)

Эта таблица совпадает с определением одной из основных операций алгебры логики – операции логического отрицания (инверсии), то есть схема рис.2 является базовым логическим элементом НЕ (см. работу «Элементы цифровой электроники»). Из рис.3 следует, что работа транзистора в ключевом режиме обеспечивает высокую помехозащищенность схем цифровой электроники, так как ключ в замкнутом и разомкнутом состояниях не реагирует на помеху.

В ключевом режиме работают транзисторы и в схеме мультивибратора.

Поскольку транзисторные ключи являются важнейшими элементами схем импульсной и цифровой электроники, определяя их основные параметры, необходимо знать основные особенности самих ключей.

Во-первых, необходимо отметить, что переход транзистора из режима отсечки в насыщение – замыкание (включение) ключа положительным перепадом входного напряжения, вызывает перераспределение объемных нескомпенсированных зарядов в областях обоих переходов транзистора. Этот физический переходной процесс занимает конечное время и заканчивается накоплением неравновесных носителей заряда в базе транзистора. Таким образом, существует конечное время включения транзисторного ключа.

При обратном переходе транзистора из режима насыщения в отсечку – выключение ключа – тоже существует несколько стадий перераспределения зарядов в областях переходов транзистора, но существенное время занимает процесс рассасывания избыточных зарядов из области базы, определяющий конечное время выключения. Существование конечных времен включения и выключения определяет быстродействие схем, содержащих ключи.

Во-вторых, основной функцией транзисторных ключей является бесконтактная коммутация ветвей электронных схем с возможно меньшим сопротивлением ключа в замкнутом (включенном) состоянии и возможно большим сопротивлением ключа в разомкнутом (выключенном) состоянии.

Напряжение на транзисторе в режиме насыщения (на замкнутом ключе) находится в пределах 0.1 – 0.5 В в зависимости от степени насыщения. Мерой насыщения транзистора служит коэффициент насыщения , который определяется отношением рабочего тока базы к минимальному базовому току, при котором наступает насыщение транзистора ( = ). Минимальный ток базы определяется отношением , где – коэффициент передачи тока базы, равный .

При > , когда ток базы растет, растет и коэффициент насыщения. При увеличении тока базы сокращается время включения транзистора, но растет время его выключения. Кроме того, увеличение тока базы приводит к увеличению потерь во входной цепи ключа.

В связи с этим в схемах силовой и цифровой электроники широко используются ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах. В этих схемах вместо режима насыщения используется активный режим транзистора, как правило, близкий к насыщению. Основное назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выходе достаточно малое напряжение при замкнутом ключе и близкое к напряжению источника питания – при разомкнутом ключе.

Ненасыщенные ключи имеют повышенное быстродействие по сравнению с насыщенными из-за уменьшения времени рассасывания избыточных зарядов, но пониженную помехозащищенность из-за работы транзистора в активном режиме при включенном ключе.