12. Транзисторные ключи: виды, элементы и характеристики

Транзисторные ключи

В зависимости от назначения все транзисторные ключи делятся на аналоговые и цифровые.

Цифровыми ключами называются устройства импульсной и цифровой техники для формирования кодовых импульсов, поскольку информативным является сам факт существования сигнала. Требования к его амплитуде не столь существенны, а основными характеристиками являются характеристики быстродействия.

Аналоговыми ключами называют элементы, которые в открытом состоянии передают сигнал с минимальными искажениями, а в закрытом состоянии обеспечивают отключение источника сигнала от цепи потребления. В этом случае существенными являются как параметры быстродействия, так и характеристики ключа в открытом и закрытом состоянии.

Особое положение в этой классификации занимают силовые ключи. Основные требования к ним – это минимальные потери, как в открытом, так и закрытом состоянии.

Основные параметры транзисторных ключей:

1. U_ОСТ – остаточное напряжение на замкнутом ключе при нулевом токе через него;

2. R₀ – сопротивление замкнутого ключа;

3. U₀ = U_ОСТ + IR₀- падение сопротивления на зажимах или на открытом ключе;

4. I_УТ – ток утечки разомкнутого или закрытого ключа;

5. R_З – сопротивление разомкнутого или закрытого ключа;

6. U_Н и I_Н – напряжение и ток коммутации;

7. t_ВКЛ и t_ВЫКЛ – время включения и выключения ключа.

Статические характеристики биполярного транзистора в ключевом режиме

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор, содержащий три зоны с разным типом проводимости. Свойства биполярного транзистора определяются параметрами p-n перехода.

Рассмотрим простейший ключ на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.

Четыре характерных режима работы транзистора:

I – зона насыщения;

II – линейная (активная) зона;

III – зона отсечки;

IV – зона лавинного пробоя.

В ключевом режиме транзистор работает в зоне насыщения (открытое состояние) и в зоне отсечки (закрытое состояние).

Отсечка

Ключ разомкнут (точка А на диаграмме). Состояние отсечки характеризуется тем, что оба перехода БЭ и БК находятся в закрытом состоянии. В режиме отсечки мощность, рассеиваемая на транзисторе, определяется только током утечки или начальным током. Чтобы снизить значение тока утечки, на базу может подаваться запирающие напряжение, но при этом точка А будет смещаться к оси (х). Мощность рассеяния:

Состояние насыщения

Ключ открыт. Характеризуется тем, что оба перехода смещены в прямом направлении (открыты). На диаграмме нагрузки этот режим характеризуется точкой В. Эквивалентная схема замещения, применяемая в инженерных расчетах, представляет собой пассивный узел.

В состоянии насыщения ток коллектора ограничен величиной нагрузочного сопротивления.

Режим насыщения может быть достигнут при токе управления (ток базы) равном току базы насыщения:

- мощность, рассеиваемая на транзисторе в режиме насыщения.

Динамические характеристики биполярного транзистора в ключевом режиме

Д ля анализа динамических характеристик используют модель Молла - Эберса. По модели определяют переходную характеристику транзистора в схеме с общим эмиттером.

,

τ_β – время жизни неосновных носителей в зоне базы;

τ_α – постоянная времени коэффициента передачи по току в схеме с общей базой (время пролета неосновных носителей через зону базы).

,

β – коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером;

α – коэффициент передачи по току в схеме с общей базой;

Q – заряд неосновных носителей в зоне базы.

- дифференциальное уравнение, описывающие изменение заряда в зоне базы.

Изменение заряда может происходит за счет рекомбинации и тока базы. Общее решение: .

Вид решения будет зависеть от граничных и начальных условий. Рассмотрим сначала для режима включения. В какой-то момент времени подаем на транзистор отпирающий сигнал:

Величина, при которой ток коллектора достигнет насыщения, называется граничным зарядом. Величина заряда, превышающая граничное значение называется избыточным зарядом.

, - степень насыщения.

Таким образом, быстродействие определяется свойствами самого транзистора. Необходимо учитывать также емкости образовавшегося перехода и емкости внешнего монтажа:

П ерезаряд паразитных емкостей, монтажных соединений:

,

С_ВХЭ – емкость p-n перехода и монтажа;

U_БЗЭ – напряжение запирания транзистора;

U_ПОР – пороговое напряжение на переходе ЭБ.

;

Если мы управляем сильным сигналом, т.е. S_Н >> 1:

Рассмотрим процесс выключения:

В некоторый момент времени на базу активного транзистора подается запирающий перепад тока.

При этом начинается рассасывание избыточного заряда, накопившегося в зоне базы. Очевидно, что пока избыточный заряд не снизиться до величины граничного, изменение тока коллектора происходить не будет. Время рассасывания избыточного заряда – время задержки на включение:

- время рассеивания избыточного заряда;

- степень запирания.

- время фронта на запирание.

Если управляем сильным сигналом, то время задержки на выключение определяется постоянной времени (S_З >> 1):

.

Для мощных транзисторов при токах коллектора в десятки А, основное время, которое сказывается на быстродействии – t_З(ВЫКЛ).

Полевые транзисторы в ключевом режиме.

Полевой транзистор – это униполярный полупроводниковый элемент, рабочий ток которого обусловлен носителями одного типа в канале между двумя электродами (стоком и истоком). Управление током канала осуществляется изменением толщины канала. Существует два типа приборов:

1. с управляемым p-n переходом – ширина канала определяется величиной обратносмещенности p-n перехода;

2. с изолированным затвором – ширина канала определяется напряжением между затвором и подложкой.

В приборах с изолированным затвором канал может быть создан или индуцирован, т.е. МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) и МОП (металл-оксид-полупроводник) структуры.

Р ассмотрим простейший ключ на полевом транзисторе с управляемым p-n переходом по схеме с общим истоком.

В пологой области усилительные свойства полевого транзистора определяются с помощью крутизны: . Особенности полевого транзистора:

- для образования тока используются носители заряда только одного типа;

- потенциальное управление;

- управление осуществляется за счет изменения потенциала.

Д ля транзисторов с изолированным затвором выходные характеристики i_C=f(U_C) такие же, а передаточная характеристика (управления) имеет вид:

- МДП -

Д ля получения характеристик полевых транзисторов с индуцированным каналом (подложка – технологический электрод) подложку соединяют с истоком. Характеристика управления имеет следующий вид:

При использовании полевых транзисторов в ключевых режимах подложку можно использовать как второй затвор прибора. В этом случае крутизна будет гораздо меньше. При использовании подложки и затвора для формирования сигнала управления мы можем получать гальванически развязанные схемы.

Силовые транзисторные ключи.

Работают на комплексную нагрузку. При активной нагрузке необходимо использовать защитные элементы для ограничения перенапряжений при быстрых изменениях тока. При активно-емкостной нагрузке необходимо предусматривать ограничение тока заряда-разряда конденсатора при изменении напряжения.

Основными характеристиками силовых ключей являются быстродействие и КПД. Быстродействие определяется паразитными емкостями между электродами и емкостью монтажа.

Перезаряд (время задержки) паразитных емкостей, монтажных соединений (для биполярного ТР):

,

С_ВХЭ – емкость p-n перехода и монтажа;

U_БЗЭ – напряжение запирания транзистора;

U_ПОР – пороговое напряжение на переходе ЭБ.

КПД зависит от статических и динамических характеристик.

Полные потери транзисторного ключа имеют две составляющие: статические и динамические потери. Для силового ключа на биполярном транзисторе с R-L нагрузкой потери могут быть рассчитаны при следующих допущениях:

1. Фронт и спад тока в транзисторе и в обратном диоде (шунтирует нагрузки и защищает от перенапряжений) может быть аппроксимирован линейной функцией. Время фронта в диоде и транзисторе совпадает (время спада тоже);

2. Неуправляемые токи транзистора (утечки) и обратные токи диода принимаются равными 0;

3. Напряжение насыщения для открытого диода и открытого транзистора одинаковы.

П ри этих условиях расчетные потери мощности в ключе на биполярном транзисторе с R-L нагрузкой:

Весь период может быть разбит на 4 интервала: 1- фронт, 2 – открытое состояние, 3 – спад, 4 – закрытое состояние. Статические потери на 2 и 4 интервале, динамические – на 1 и 3 интервале. Среднее значения потерь за период: .

Первый участок: 0 < t < t_Ф (время фронта);

- - ток коллекторного насыщения;

;

Второй участок: t_Ф < t < t_И (время импульса);

; ;

Третий участок: t_И < t < t_И + t_С;

;

;

Четвертый участок: t_И + t_С < t < Т;

;

Подставив эти значения под интеграл, мы получим мощность потерь в транзисторе:

.

Аналогично для диода:

.

Общие потери складываются из потерь статического и динамического режимов.