Какая задача ключевого каскада

12

Работа транзистора в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

P.S. Перед установкой в схему очень часто приходится проверять транзисторы на работоспособность. О том, как правильно это делать смотрите здесь — Простая проверка транзисторов на практике.

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Биполярный ключевой каскад

Описываемое ниже устройство предназначено, в основном, для построения импульсных источников питания с высоким входным напряжением, например, выпрямленным напряжением промышленной сети переменного тока.

В настоящее время считается, что наиболее эффективные конвертеры для решения такой задачи можно реализовать только на полевых транзисторах, поскольку эти полупроводниковые приборы обладают исключительно высокой скоростью коммутации. Кроме этого, для управления ключевыми каскадами такого типа требуется очень небольшая мощность.

Однако конструкция мощного полевого транзистора такова, что его выходная емкость, шунтирующая разомкнутый ключ, имеет большую величину. Поэтому потери мощности на полевых ключевых элементах в сетевых конвертерах, входное напряжение в которых составляет несколько сотен вольт, оказываются слишком большими, поскольку мощность динамических потерь зависит от квадрата переключаемого напряжения. Если же емкость уменьшается за счет изменения конструкции полевого транзистора (уменьшения ширины канала), то возрастает его сопротивление в замкнутом состоянии, вследствие чего основную часть потерь создает падение напряжения на замкнутом ключе, при этом суммарная мощность потерь остается практически прежней. Это же относится к транзисторам типа IBGT, напряжение насыщения которых составляет несколько вольт. Кроме этого, для упомянутых транзисторов характерна недостаточно высокая крутизна прямой передачи, из-за чего преобразователи с полевым транзистором или IGBT в качестве выходного в ключевом каскаде имеют относительно сложную структуру.

От этих недостатков свободны биполярные транзисторы, обладающие одновременно очень низким напряжением насыщения и относительно малой выходной емкостью, а их высокая крутизна позволяет создавать преобразователи на единственном транзисторе. Кроме этого, при использовании индуктивных цепей управления потери мощности в этих цепях могут быть соизмеримы с потерями на управление полевых транзисторов. Однако у биполярных транзисторов существует недостаток, связанный с медленным переключением из насыщенного режима и большой вследствие этого рассеиваемой на транзисторе мощностью, наличие которого сводит на нет все имеющиеся преимущества.

Известно [1], что для устранения этого недостатка при выключении насыщенного биполярного ключевого транзистора следует смещать его базу в область отрицательных напряжений с помощью достаточно мощного драйвера, что существенно повышает быстродействие транзистора, при этом считается, что выделяемая на нем мощность становится минимально возможной. С многоэтажными драйверами, предназначенными для реализации такого способа, можно ознакомиться, например, в [2, 3].Однако проведенные исследования показали, что такой способ выключения ключевых транзисторов, находящихся в режиме насыщения, позволяет получить лишь весьма ограниченный выигрыш, как в скорости переключения, так и в рассеиваемой на транзисторе мощности. Это, вероятно, объясняется тем, что при выключении биполярного транзистора из насыщенного состояния существует избыточный заряд как в области базы, так и в коллекторной области. Причем оба заряда имеют противоположную полярность [1]. Поэтому, хотя избыточный заряд из области базы с помощью обратного смещения удаляется достаточно эффективно, что увеличивает скорость переключения, одновременно удалить коллекторный заряд, имеющий другую полярность, с помощью такого способа невозможно. Поэтому этот заряд нейтрализуется во время переключения и полностью или частично преобразуется в мощность потерь, проявляющуюся в виде нагрева ключевого транзистора.

Другим известным способом увеличения быстродействия биполярных ключевых транзисторов является использование диодов Шоттки, включаемых между коллектором и базой ключевого транзистора [1]. При использовании такого решения транзистор вообще не входит в режим насыщения, поэтому переключение осуществляется из ненасыщенного режима, что значительно увеличивает быстродействие биполярных транзисторов. Однако такой прием в конвертерах с высоким входным напряжением неприменим по нескольким причинам. Во-первых, не существует диодов Шоттки с достаточно малым прямым падением при допустимом обратном напряжении 500 В и более. Во-вторых, мощность, выделяемая на ключевом транзисторе в случае использования диода Шоттки, оказывается относительно большой, поскольку в течение всего времени замкнутого состояния ключевого транзистора напряжение коллектор-эмиттер должно поддерживаться на уровне выше 0.5 В, и даже при этом никогда нет гарантии, что транзистор уже не насыщен. И, наконец, при использовании диода Шоттки для поддержания ненасыщенного состояния ключевого транзистора возрастает влияние эффекта Миллера, поскольку емкость диода добавляется к собственной емкости коллектор-база ключевого транзистора. Поэтому такой способ на практике в конвертерах напряжения не применяется.

Известен также способ увеличения быстродействия ключевых транзисторов, конкретная схемная реализация которого предложена в [4]. В соответствии с этим способом выключение ключевого транзистора производится замыканием его базо-эмиттерного перехода в момент, когда напряжение между коллектором и эмиттером в результате увеличения коллекторного тока начинает быстро нарастать, что соответствует моменту выхода транзистора из состояния насыщения. Использование этого способа позволило существенно улучшить скоростные показатели биполярных транзисторов и сделать их не только конкурентоспособными по сравнению с полевыми транзисторами при большой величине коммутируемого напряжения (300 и более вольт), но даже позволило в таких условиях обеспечить меньшее тепловыделение биполярного ключевого каскада по сравнению с выполненными на полевых транзисторах. Однако и в этом случае скорость переключения не превышает 70-120 нс, хотя тепловыделение существенно уменьшается по сравнению с рассмотренным выше первым способом вследствие выключения транзистора из ненасыщенного состояния, когда избыточный заряд в коллекторной области отсутствует, а по сравнению со вторым, когда транзистор не вводится в режим насыщения (например, с помощью диода Шоттки) – поскольку при использовании способа, предложенного в [4], ненасыщенное состояние устанавливается только непосредственно перед переключением, а все остальное время транзистор удерживается в состоянии глубокого насыщения при напряжении на коллекторе не выше 0.1 – 0.3 В. Кроме того, в этом варианте полностью устраняется эффект Миллера.

Однако, несмотря на то, что данный способ позволяет получить существенный выигрыш в мощности, рассеиваемой на ключевом транзисторе, тем не менее, скоростные характеристики биполярных транзисторов при его использовании оказываются все же не предельными, а мощность потерь не минимальной, что установлено в результате экспериментальных исследований. Эти же исследования позволили таким образом изменить структуру биполярного ключевого каскада, что его параметры, по всей видимости, приблизились к физически достижимому пределу.

Принципиальная схема биполярного ключевого каскада, которая использовалась для испытаний, представлена на Рисунке 1.

Устройство содержит ключевой транзистор VT3, коллектор которого через индуктивную нагрузку подключен к источнику входного напряжения E1, а также управляющие транзисторы VT1,VT2. Эмиттер VT2 подключен к источнику отрицательного смещения E2. Управление работой каскада осуществляется с помощью генератора импульсов ГИ.

В результате исследований установлено, что подача отрицательного смещения на базу ненасыщенного транзистора также полезна для увеличения скорости переключения, как и при выходе из насыщения. Следовательно, используя такой прием можно дополнительно улучшить характеристики устройства, предложенного в [4], поскольку в этом устройстве переключение производится из ненасыщенного режима, однако база ключевого транзистора перед переключением замыкается на общую шину, что не позволяет удалить избыточный заряд из базовой области с достаточной скоростью. Поэтому способ выключения биполярного ключевого транзистора, реализованный в изображенном на Рисунке 1 устройстве, заключается в том, что вначале обеспечивается контролируемый вывод ключевого транзистора из насыщения, аналогично [4], после чего базовый электрод уже ненасыщенного транзистора смещается большим током в область отрицательных напряжений.

При таком способе выключения избыточный заряд в коллекторе отсутствует, поскольку к моменту подачи отрицательного смещения на базу транзистор уже не насыщен, а поскольку базовый переход смещается большим током в обратном направлении, быстро ликвидируется заряд в базовой области. Причем если эта ликвидация произведена быстрее, чем значительно увеличится напряжение на коллекторе, активная мощность, выделяемая на ключевом транзисторе при выключении, может теоретически стать равной нулю (без учета динамических потерь).

Соответственно, рабочий цикл биполярного ключевого каскада выглядит следующим образом. Сначала с помощью генератора импульсов ГИ через резистор R3 обеспечивается достаточный ток базы для глубокого насыщения ключевого транзистора VT3. Затем, вследствие увеличения коллекторного тока, обусловленного индуктивной нагрузкой, обеспечивается выход из насыщенного состояния, контролируемый по величине напряжения на коллекторе этого транзистора с помощью диода VD1. Момент выхода из насыщенного состояния можно регулировать, изменяя ток базы. И, наконец, когда установлено, что VT3 вышел из состояния насыщения и напряжение на его коллекторе сравнялось с напряжением на базе или превысило его, обеспечивается ликвидация базового заряда путем обратного смещения перехода база-эмиттер этого транзистора. Причем в устройстве обеспечивается максимально возможная скорость удаления этого заряда за счет максимально возможного разрядного тока. Кстати, в литературе нет единого мнения по вопросу величины этого тока. Некоторые источники предлагают использовать удвоенную величину разрядного тока базы по сравнению с базовым током насыщения, другие – половину максимального тока коллектора. К сожалению, и те, и другие рекомендации ничем не обоснованы.

В описываемом устройстве величина тока со стороны коллектора транзистора VT2 не ограничивается, при этом величина разрядного тока достигает максимально возможного значения, равного коллекторному току ключевого транзистора VT3 в момент разряда. Необходимость именно такого подхода объясняется тем, что разряд базовой емкости ключевого транзистора необходимо осуществить с максимально возможной скоростью, чтобы остаточный заряд в базе к началу возрастания напряжения на коллекторе имел минимальную величину. А этого можно добиться только за счет увеличения разрядного тока, который не может превысить величину коллекторного тока в момент переключения. Здесь следует отметить, что по результатам экспериментов ток разряда может ограничиваться объемным сопротивлением базы ключевого транзистора, поэтому для обеспечения максимального эффекта напряжение обратного смещения E2 следует увеличивать при увеличении максимального коллекторного тока ключевого транзистора.

Рассмотрим подробно механизм работы ключевого каскада по представленной на Рисунке 1 упрощенной принципиальной схеме.

Одновременно с положительным фронтом импульса на выходе источника импульсов ГИ через оба резистора R1, R3 появляются токи, один из которых втекает в базу ключевого транзистора VT3, а второй – в эмиттер p-n-p транзистора VT1. Однако в базу транзистора VT2 этот ток не поступает, поскольку между эмиттером VT1 и общей шиной включен конденсатор C1. Поэтому ток базы ключевого транзистора VT3 не шунтируется транзистором VT2, вследствие чего ключевой транзистор насыщается.

В результате насыщения напряжение на коллекторе ключевого транзистора становится близким к нулю, вследствие чего открывается диод VD1, который отводит ток через резистор R1 на коллектор насыщенного ключевого транзистора. Соответственно, транзистор VT2 остается выключенным в течение всего времени, пока ключевой транзистор VT3 насыщен.

С течением времени коллекторный ток ключевого транзистора, обусловленный индуктивным характером нагрузки, линейно возрастает. При этом коэффициент его усиления по току нелинейно уменьшается. Вследствие этого через некоторое время ток базы VT3 становится недостаточным для удержания его в насыщении, и напряжение на его коллекторе начинает увеличиваться, что соответствует моменту выхода из насыщенного состояния и ликвидации избыточного заряда в коллекторной области. Как только это происходит, диод VD1 начинает запираться и ток через резистор R1 и промежуток эмиттер-коллектор VT1 начинает поступать в базу транзистора VT2. Транзистор VT2 открывается и замыкает базу ключевого транзистора VT3 на шину отрицательного источника E2. Однако без конденсатора C1 этот процесс был бы относительно медленным, поскольку совокупность транзисторов VT2 и VT1 с резистором R1 в цепи эмиттера практически эквивалентна линейному усилителю. Поэтому существенную роль в увеличении скорости переключения транзистора VT2 играет конденсатор C1. При наличии этого конденсатора эмиттер транзистора VT1 в момент переключения оказывается подключенным к источнику напряжения, который образован заряженным конденсатором C1. Вследствие этого транзисторы VT1, VT2 оказываются охваченными положительной обратной связью, образуя эквивалент тиристора, выходной ток которого может многократно превышать ток разряда конденсатора C1, причем выход этого тиристора подключен к базе ключевого транзистора VT3. Вследствие такого включения заряд, образованный током базы этого транзистора, удаляется с настолько высокой скоростью, что практически перестает влиять на его переключение. В результате скорость переключения индуктивной нагрузки определяется практически только паразитными емкостями, а мощность, рассеиваемая на ключевом транзисторе, определяется в основном только динамическими потерями и падением напряжения в режиме насыщения. Следует отметить, что для эффективной работы VT2 должен иметь допустимое значение импульсного тока коллектора не меньшее, чем максимальное значение тока через эмиттер ключевого транзистора VT3. На Рисунках 2 а, б представлены осциллограммы напряжений на коллекторе и эмиттере ключевого транзистора типа 2SC3973, используемого в экспериментах в качестве VT3.

При описании работы устройства предполагалось, что импульсы источника управления ГИ имеют бóльшую длительность, чем длительность удержания низкого уровня на коллекторе ключевого транзистора VT3, т. к. устройство самостоятельно выходит из включенного состояния. Кроме этого, напряжение на выходе генератора импульсов ГИ обязательно должно быть двухполярным. Это необходимо для выключения тиристора, образованного транзисторами VT1 и VT2. При использовании представляемого ключевого каскада в составе автоколебательного конвертера с трансформаторной нагрузкой все перечисленные условия выполняются автоматически.

Данный пример показывает, что использование биполярных транзисторов позволяет создавать существенно более простые и более эффективные импульсные преобразователи напряжения, по сравнению с выполненными на полевых транзисторах или IGBT.

В заключение следует отметить, что увеличение скорости переключения зафиксировано при использовании в качестве ключевого относительно высокочастотного транзистора, каким является, например, 2SC3973. При его замене на более низкочастотный транзистор типа MJE18004 скорость переключения изменяется слабо (длительность фронта составляет примерно 90 нс). Тем не менее, рассеиваемая на транзисторе мощность, определяемая по температуре корпуса, при подаче отрицательного смещения уменьшается примерно вдвое.

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Ключевой режим работы транзистора, наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Использование транзистора в ключевом режиме

но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает. Правила приведены для транзистора p-n-p-типа, но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:

Принцип работы трназистора

• 1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
• 2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод база – коллектор открыт, а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
• 3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
• 4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор I_К прямо пропорционален току базы I_Б и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы R_б составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h_21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 – 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.

Расчёт ключевой схемы

Как же рассчитать элементы «обвязки» транзистора? Во-первых, необходимо, как и в случае любой другой схемы понять, что необходимо получить и что приходит на вход.

1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор:

, где

U_pit – напряжение питания,

R_К – сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток:

3. Рассчитывают сопротивление базового резистора R_б:

U_вх – напряжение на входе ключевого каскада.

Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора в двух состояниях: насыщения и отсечки. С состоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит в состоянии отсечки транзистора, когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в виде блуждающих токов, да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление R_БЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составило меньше, чем 0,6 В. Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.

Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.

Пример использования транзистора в ключевом режиме

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Глава 1.Электронные ключевые элементы и устройства

Под ключом понимают элемент, который под воздействием управляющих сигналов осуществляет различные коммутации: включение и выключение пассивных и активных элементов, источников питания и т. д.

Электронный ключ можно считать известной аналогией механического ключа (рис. 1.1).

Ключевой элемент данной схемы (ключ S) замыкается и размыкается под действием внешней силы P. Если считать, что ключ S идеален, т. е. его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю , а в разомкнутом бесконечно велико, то напряжение, действующее на выходе цепи, принимает следующие значения:при разомкнутом ключе;при замкнутом ключе. Считая, что точка1 – точка на ВАХ цепи при разомкнутом ключе, а точка 2 – точка на ВАХ цепи при замкнутом ключе, положение этих точек можно получить, построив нагрузочную прямую методом холостого хода или короткого замыкания (рис. 1.2). При этом ось ординат можно рассматривать как ВАХ замкнутого ключевого элемента, а ось абсцисс – как ВАХ разомкнутого ключевого элемента. Амплитуда изменения напряжения на нагрузке или на ключе равна разности абсцисс точек 1 и 2: . Коэффициент использования напряжения питания для идеального ключа.

Кроме рассмотренных двух статических состояний – включен (замкнут) и выключен (разомкнут) – ключевой элемент имеет два динамических состояния перехода: из включенного состояния в выключенное состояние и из выключенного состояния во включенное состояние, характеризуемые соответствующими временами: – время перехода из включенного состояния в выключенное состояние и– время перехода из выключенного состояния во включенное состояние. Для рассматриваемого идеального ключа.

В действительности даже механический ключ не является идеальным. Он имеет сопротивление во включенном состоянии и сопротивлениев выключенном состоянии. При анализе цепи с замкнутым ключом указанный ключ можно заменить сопротивлением; при анализе цепи с разомкнутым ключом ключ можно заменить сопротивлением.

Режим включения соответствует точке пересечения 2 нагрузочной прямой с ВАХ включенного ключа (рис. 1.3). Однако при неидеальном ключе эта характеристика уже не совпадает с осью ординат, а изображается наклонной прямой, наклон которой зависит от .

Аналогично, точка 1 получается в результате пересечения нагрузочной прямой с прямой . В данном случае,, т. е.и.

1.2. Ключи на биполярных транзисторах

Схема простейшего транзисторного ключа изображена на рис. 1.4. Здесь входной управляющий сигнал , задающий базовый ток транзистора, выполняет ту же функцию, что и силаP в схеме на рис. 1.1, а сам транзистор VT выполняет функцию ключевого элемента S.

При положительной полярности входного

сигнала транзистор заперт, в его выходной цепи течет только малый ток . При отрицательной полярности входного сигнала в базовой цепи транзистора создается ток, достаточный для его насыщения.

Используя выходные ВАХ запертого и насыщенного транзистора, с помощью построений, приведенных на рис. 1.5, определяем положение точек 1 и 2. Как и ранее, точка 1 соответствует выключенному состоянию ключа (в данном случае транзистора

VT), точка 2 – включенному состоянию ключа, т. е. насыщенному транзистору.

Как следует из рис. 1.5, напряжение близко к напряжению питанияЕ. Напряжение численно равно напряжениюна коллекторе насыщенного транзистора. Поскольку значениемало, то амплитуда изменения напряжения на нагрузке при переключении близка кЕ, т. е. коэффициент близок к единице. В этом смысле ключ на биполярном транзисторе близок к идеальному.

Данный простейший ключ должен управляться знакопеременным напряжением на входе . Транзисторp—n—p-типа запирается при действии положительной полуволны входного сигнала и насыщается при действии отрицательной полуволны. Однако условия запирания и насыщения транзистора в схеме будут обеспечены только при определенных соотношениях между параметрами входящих в схему элементов. Выявление этих условий обеспечения статических состояний ключа и является первой задачей анализа ключевого каскада.

Если транзистор заперт, то его ток (как входной, так и выходной) мал и равен . Этот ток в схеме протекает от положительного зажима источника входного сигнала через сопротивление, коллекторный переход запертого транзистора, сопротивлениек отрицательному зажиму источника питания. Далее он замыкается через источник питанияи источник входного сигнала. Условие запирания транзистора в схеме с общим эмиттером имеет вид. Для получения минимально возможного выходного токатребуется создать положительное напряжение на базе транзистора. Уравнение для базовой цепи, соответствующее второму закону Кирхгофа, имеет вид, где– амплитуда положительной полуволны входного сигнала. Отсюда. Условиеравносильноили. Указанное условие должно выполняться во всем диапазоне рабочих температур ключевого каскада, включая максимальную температуру, при которой токмаксимален и равен. Тогда. Это выражение является условием надежного запирания транзистора в ключевом каскаде. При его выполнении токи транзистора и напряжения на его электродах можно найти из следующих соотношений:;;;. Ток нагрузки также равен, напряжение на нагрузкеопределяется равенством. Так как значение токамало, особенно для кремниевых транзисторов, то им иногда пренебрегают. Приможно считать, что;;;.

Эквивалентная схема каскада при действии отрицательной полуволны входного напряжения приведена на рис. 1.6. Предполагается, что транзистор насыщен и для его входной и выходной цепей использованы простейшие схемы замещения: отрезки база – эмиттер и коллектор – эмиттер стянуты в точки.

Для входной цепи по закону Ома . Для выходной коллекторной цепи. Условие насыщения транзистора в общем виде записывается как, где– коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Подставляя в это условие найденные значенияи, получаем, откуда. В частном случае, когда, это условие упрощается и принимает вид. Это условие насыщения транзистора в ключевом каскаде. Условие насыщения должно выполняться для всех значений коэффициентатранзистора выбранного типа, включая и минимально возможное. С учетом этого условие для расчетаможет быть записано следующим образом:. Транзистор будет насыщен, если это условие выполнено. Однако этот случай соответствует границе насыщенного режима. Незначительные изменения параметров схемы (увеличениеили уменьшение) могут привести к выходу транзистора из режима насыщения. Поэтому граничное значениеобычно не используют, а берут несколько меньшие значения, создавая тем самым некоторый запас по степени насыщения транзистора. Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом насыщения. Смысл коэффициента насыщениясостоит в следующем. Пусть– значение коллекторного тока насыщенного транзистора. Из условия насыщенияполучаем, что для насыщения транзистора при заданном токедостаточно создать ток базы. Этот ток называют базовым током насыщения. Естественно, что транзистор будет насыщен и при. Отношениеи называется коэффициентом насыщения. На границе насыщенного режима; в области насыщения; значенийбыть не может, так как это свидетельствует о том, что транзистор не насыщен. Используя коэффициент насыщения, соотношение для выбораможно записать в виде. Обычно стараются создать; при больших коэффициентах насыщения статические состояния ключа (включено — выключено) также обеспечиваются, однако при этом снижается быстродействие каскада. Считая, что условие насыщения выполняется, можно записать значения напряжений и токов на элементах ключевого каскада:;;;;;.

Амплитуда изменения напряжения на нагрузке равна разности уровней выходного напряжения для запертого и насыщенного режимов работы транзистора: . Соответственно амплитуда изменения тока в нагрузке при переключении.

Переходные процессы при переключении

Как уже отмечалось, транзистор является инерционным прибором, и переход ключевого каскада из включенного состояния в выключенное и наоборот происходит не мгновенно.

Будем считать, что входное напряжение имеет идеально крутые перепады (рис. 1.7 а). Рассмотрение переходных процессов начнем с интервала времени, который предшествует окончанию положительной полуволны входного сигнала. В это время транзистор заперт:(рис. 1.7 б); (рис. 1.7 в); (рис. 1.7 г); (рис. 1.7 д).

Далее входное напряжение скачком изменяется и принимает значение . Базовый ток транзистора задается резистором. По закону Ома токи потому также скачком принимает значение.

Отпирающий (вытекающий) ток базы положителен (рис. 1.7 б). Напряжение на базе транзистора при отпирающем токе базы мало (рис. 1.7 в). Транзистор переходит из режима отсечки в активный режим. Инерционность транзистора в активном режиме оценивается его постоянной времени . Коллекторный ток транзистора начинает возрастать, стремясь к уровнюс постоянной времени. В ключевом режиме приуровеньне может быть достигнут, так как раньше коллекторный ток достигнет своего предельного значения, ограниченного значением сопротивления коллекторной цепи каскада. Дальнейшее изменение коллекторного тока прекращается, и он принимает максимально возможное значение для данного каскада. Транзистор переходит из активного режима в насыщенный режим. Напряжение на его коллекторе принимает малое значение. Время изменения выходного напряжения каскада от значениядо значенияназывается временем включения каскада. Учитывая экспоненциальный характер изменения коллекторного тока на этапе включения (рис. 1.7г), время включения можно выразить как. При большом управляющем токестепень насыщениятранзистора велика. При большомзначениеоказывается малым. Известно, что для малых значенийсправедливо соотношение. Применяя это приближенное соотношение, получим. Время включения каскада тем меньше, чем выше быстродействие используемого в каскаде транзистора, т. е. чем выше его граничная частота или чем меньше его постоянная времени. Кроме того, время включениязависит и от режима использования транзистора, т. е. от степени насыщениятранзистора во включенном состоянии. Чем больше, тем меньше.

После окончания интервала транзистор насыщается. Его насыщение вызовет отпирание коллекторного перехода транзистора, который в активном режиме был смещен в обратном направлении. Начинается накопление заряда в базе насыщенного транзистора. Внешне, на графиках коллекторного тока и напряжения, процесс накопления не отражается. Через времяпроцесс накопления заряда закончится: в базе накоплен установившийся заряд дырок, соответствующий заданному значению отпирающего базового тока. Транзистор окажется в статическом насыщенном режиме:;;;. Каких-либо изменений токов, напряжений или зарядов в транзисторе до окончания действия отрицательной полуволны входного сигнала уже не будет.

Далее входное напряжение скачком изменяется отдо(рис. 1.7а). В силу накопления большого избыточного заряда неосновных носителей в базе транзистор в течение некоторого времени после изменения входного напряжения остается насыщенным и потому проводящим. По закону Ома входной токпримет значение. Так как этот ток теперь является втекающим, изменившим направление, то на графике базового тока (рис. 1.7 б) он имеет отрицательное значение. Запирающий базовый токначинает рассасывание избыточного заряда в базе транзистора. Степень насыщения транзистора уменьшается. Транзистор выйдет из режима насыщения только спустя времяпосле скачка входного напряжения. Поэтому время рассасыванияиногда называют временем задержки выключения каскада. Время рассасываниятем меньше, чем большее значение запирающего тока базы создает положительная полуволна входного сигнала, и чем меньше степень насыщения транзистора во включенном состоянии.

Таким образом, требования к выбору степени насыщения транзистора оказываются противоречивыми: для уменьшения временивключения степень насыщенияжелательно увеличивать, однако при этом увеличивается время рассасывания.

После завершения процесса рассасывания транзистор ключевого каскада переходит в активный режим. Начинается формирование среза выходного импульса напряжения. На этом этапе происходит два процесса: уменьшение коллекторного тока до его отсечки и заряд коллекторной емкости черезот источника питания. Процесс уменьшения коллекторного тока отдопроисходит быстро, особенно при большом запирающем токе базы. Длительность этого процесса составляет лишь малую долю от длительности среза выходного импульса. Существенно большую длительность имеет процесс заряда емкости. После отсечки коллекторного тока эта емкость продолжает заряжаться от источника питаниячерез. Так как транзистор при этом заперт и практически не шунтирует цепь заряда, то постоянная времени этой цепи с учетом емкости нагрузкиравна. Длительность среза импульса напряжения на коллекторе транзистора. Общее время выключения равно.

Таким образом, в отличие от входного выходное напряжение ключевого каскада:

– имеет конечные длительности фронта и среза, соответствующие значениям и;

– моменты переключения выходного напряжения не совпадают с моментами переключения входного напряжения (время задержки выключения каскада равно );

– выходное напряжение однополярно, т. е. принимает только отрицательные значения от доили приближенно отдо;

– выходное напряжение противофазно входному напряжению, поскольку при изменении входного сигнала от довыходное напряжение изменяется отдо.

Разновидности ключевых каскадов на биполярных транзисторах

Рассмотренная простейшая схема транзисторного ключа (рис. 1.4) имеет целый ряд недостатков. К ним можно отнести:

– необходимость использования биполярного сигнала для управления, что затрудняет сопряжение однотипных ключей, так как выходной сигнал ключа однополярный;

– стремление к сокращению времени включения за счет более глубокого насыщения транзистора приводит к увеличению времени рассасыванияи, как следствие, к увеличению времени, т. е. к снижению быстродействия ключа;

– зависимость длительности фронта и среза выходных импульсов от степени насыщения транзистора, т. е. при прочих равных условиях от коэффициента усиления транзистора по току . Так как значенияу транзисторов одной группы имеют существенный разброс, то значенияипри смене транзистора будут изменяться, что создает дополнительные трудности при серийном производстве аппаратуры.

Для устранения этих недостатков применяют усовершенствованные схемы ключевых каскадов.

Ключевой каскад с внешним источником смещения (рис. 1.8). Входной сигнал ключа, управляющий работой ключа, может быть однополярным.

При нулевом или небольшом отрицательном значении входного сигнала транзистор ключевого каскада заперт, при появлении достаточно большого отрицательного напряжения – насыщен. Положительное напряжение на базе, необходимое для обеспечения запертого состояния транзистора, создается не внешним управляющим сигналом, а источником постоянного напряжения смещения, питающего базовую цепь каскада.

Будем считать, что входной сигнал имеет форму прямоугольных импульсов с нулевым начальным уровнем, отрицательную полярность и амплитуду .

При отсутствии входного импульса транзистор должен быть заперт, во время действия импульса – насыщен.

При отсутствии входного импульса, когда напряжение на входных зажимах равно нулю и зажимы в силу малости выходного сопротивления источника входных импульсов можно считать короткозамкнутыми, транзистор должен быть заперт. Базовая цепь транзистора для этого случая показана на рис. 1.9. Для определения напряжения на базе запертого транзистора используем теорему об эквивалентном генераторе. Для этого источник напряжения смещения и делитель, т. е. элементы, выделенные на рис. 1.9. пунктиром, заменим по отношению к участку база – эмиттер транзистора эквивалентным источником напряжения с ЭДСи эквивалентным сопротивлением. Полученная в результате такого преобразования схема приведена на рис. 1.10.

Уравнение для этой цепи, соответствующее второму закону Кирхгофа, запишется в виде или. Условие запирания транзистора имеет вид. В данном случае. Подставляя известные значенияи, полученное неравенство можно переписать в виде:

,

откуда . Данное условие должно выполняться при всех значениях обратного тока транзистора, в том числе и при, что соответствует максимальной рабочей температуре устройства. Условиеявляется условием надежного запирания транзистора в ключевом каскаде с внешним источником смещения. Если указанное условие выполнено, то каскад характеризуется следующими параметрами:

; ;

; .

Заметим, что при использованных допущениях значение сопротивления , связывающее базу транзистора с источником управляющих импульсов, не входит в условие запирания. Вызвано это следующим обстоятельством: при уменьшении значенийзапирающее напряжение на базе транзистора уменьшается, однако при этом уменьшается и значение, на котором токсоздает напряжение, снижающее плюс на базе транзистора. По этой причине условие запирания можно выполнить в широком диапазоне значений. Однако значениестрого регламентируется исходя из условий обеспечения второго статического состояния транзистора – условия насыщения.

Транзистор будет насыщен при действии на входных зажимах импульса напряжения отрицательной полярности . Заменяя входную и выходную цепи насыщенного транзистора простейшими статическими схемами замещения, каскад с таким транзистором можно привести к виду, показанному на рис. 1.11.

Как следует из этой эквивалентной схемы, базовый ток насыщенного транзистора равен алгебраической сумме тока , создаваемого входным импульсом, и тока, создаваемого источником смещения. Токявляется вытекающим из базы (положительным), ток– втекающим (отрицательным). Поэтому. По закону Ома;. Тогда. Коллекторный ток насыщенного транзистораограничен значением коллекторного сопротивления. Как уже отмечалось, условие насыщения транзистора в схеме с общим эмиттером имеет следующий вид:. Подставляя найденные значенияив это условие, получаем. Отсюда. Приэто неравенство принимает вид:. Условия для определения,и, выведенные ранее, справедливы и для рассматриваемого ключевого каскада.

Ключевой каскад с ускоряющим конденсатором в базовой цепи. Уже отмечалось, что в простейшем транзисторном ключе (рис. 1.4) увеличение базового тока, насыщающего транзистор, приводит к уменьшению , но вызывает одновременно увеличениеи, как следствие, увеличение. Последний недостаток можно уменьшить, сделав базовый ток не постоянным в течение действия отпирающей полуволны входного сигнала, а изменяющимся. Во время включения каскада базовый ток должен быть большим, чтобы уменьшить. Перед выключением транзистора, т. е. перед появлением положительной, запирающей полуволны входного сигнала, базовый ток должен лишь немного превышать уровень, чтобы уменьшить.

Эти соображения по созданию изменяющегося тока базы реализованы в ключевом каскаде, схема которого приведена на рис. 1.12. В ней резистор разделен на дваи, а резисторзашунтирован ускоряющим (форсирующим) конденсаторомнебольшой емкости. Входной сигнал, как и для простейшего ключевого каскада, имеет форму, изображенную на рис. 1.13, с амплитудой ±и длительностью, существенно превышающей каки, так и постоянную времени заряда и разряда форсирующего конденсатора.

При действии положительной полуволны входного напряжения транзистор заперт. В его базовой цепи протекает ток . Этот ток создает на резисторепадение напряжения. Напряжение на конденсатореравно напряжению на резисторе, т. е..

Отрицательная полуволна входного напряжения отпирает транзистор. После скачка входного напряжения базовый ток транзистора ограничен только значением сопротивления :. По мере заряда конденсаторабазовый ток уменьшается, стремясь к установившемуся уровнюс постоянной времени. Через интервал временибазовый ток примет установившееся значение. Для того, чтобы насыщенный режим работы транзистора сохранялся до окончания отрицательной полуволны, необходимо обеспечение неравенства, однако в данном случаеможет лишь немного превышать.

В рассматриваемом ключевом каскаде включение транзистора производится большим базовым током . Непосредственно перед выключением базовый ток мал, и степень насыщениятранзистора невелика. После изменения полярности входного сигнала напряжение на конденсаторе, равное, будет складываться с напряжением положительной полуволны, увеличивая запирающий ток базы, что приведет к ускорению процесса выключения. Именно поэтому конденсатори называется форсирующим. После выключения транзистора его входное сопротивление оказывается очень большим. На конденсаторееще существует остаточное напряжение. Он начнет разряжаться через резистор. Емкость форсирующего конденсаторадолжна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы создать значительное приращение базового тока в течение всего времени включения транзистора, но, с другой стороны, не очень большой, чтобы емкостная составляющая тока успела уменьшиться до нуля при длительности отрицательной полуволны, а в течение длительности положительной полуволны конденсатор успевал бы разрядиться, т. е.;. С учетом последнего, более жесткого неравенства.

Этот же принцип повышения быстродействия ключа можно использовать и в ключевом каскаде с внешним источником смещения (рис. 1.8).

Ключевой каскад с цепью нелинейной отрицательной обратной связи. Рассмотренные схемы ключевых каскадов, обладая существенным достоинством – большим, приближающимся к единице коэффициентом использования питающего напряжения , в то же время имеют и недостаток – большую задержку выключения. В ключевых каскадах с форсирующим конденсатором (рис. 1.12) этот недостаток только ослаблен, но не устранен, так как перед выключением , и выключение, как и в других схемах, начинается с этапа рассасывания неосновных носителей. Этап рассасывания, а следовательно, и задержку выключения можно было бы устранить, если создать транзистору во включенном состоянии не насыщенный, а активный режим работы. Однако непосредственное использование активного режима транзистора в схеме рис. 1.4 вызывает новые трудности. Дело в том, что в активном режиме транзистора . Остаточное напряжение на выходе включенного каскада . Остаточное напряжение может быть значительным, что приводит к уменьшению амплитуды выходного импульса и снижению коэффициента . Но этот недостаток не единственный. Более существенен тот факт, что зависит от коэффициента усиления транзистора. Если отпирающий ток , создаваемый входным источником сигнала неизменен, то ток оказывается прямо пропорционален . Соответственно напряжение будет тем меньше, чем больше . Так как разброс значений биполярных транзисторов велик, то повторяемость выходных параметров ключевого каскада оказывается неудовлетворительной. Даже в том случае, когда осуществляется индивидуальная подстройка режимов каскадов по уровню , например за счет регулировки включающего тока путем подбора значений , что само по себе крайне нежелательно при серийном производстве аппаратуры, температурные отклонения приведут к разбросу значений в заданном диапазоне температур. Поэтому ненасыщенный режим транзистора в простейшей схеме включения (рис. 1.4) обычно не используют, а применяют каскады с дополнительными цепями обратной связи, стабилизирующими выходное напряжение в широком диапазоне изменения . Для повышения значений коэффициента остаточное напряжение на выходе включенного каскада стараются поддерживать малым. Желательно, чтобы транзистор работал в ненасыщенном режиме, но на грани насыщения. Амплитуда выходного импульса в этом случае получается почти такой же, как в ключевом каскаде с насыщенным транзистором, но задержка выключения отсутствует.

Принципиальная схема ключевого каскада на ненасыщенном транзисторе с цепью нелинейной отрицательной обратной связи показана на рис. 1.14. В базовую цепь транзистора VT последовательно с

включен дополнительный источник постоянного напряжения (батарея) . Напряжение мало– порядка 1В. Между отрицательным полюсом этой батареи и коллектором VT включен диод нелинейной обратной связи VD.

Входной сигнал как и в схеме рис. 1.4, биполярный с амплитудой каждой из полуволн . Во время действия положительной полуволны входного сигнала транзистор VT и диод VD заперты. На выходе каскада установится уровень напряжения , гдеобратный ток запертого диодаVD. Так как ималы, выходное напряжение можно считать равным. Напряжение в точке а, соответствующей отрицательному полюсу источника , равно . Видим, что . Запирающее напряжение на диоде равно . Запирающее напряжение на базе VT равно . Пренебрегая обратным током запертого диода , можно считать, что введение дополнительных элементов практически не изменило режим выходной цепи транзисторного ключа при запертом транзисторе.

С появлением отрицательной полуволны входного напряжения транзистор включается, и напряжение на его коллекторе уменьшается. Поскольку уменьшение напряжения происходит не мгновенно, а с постоянной времени , то в течение времени включения напряжение на коллекторе еще отрицательно, диод заперт этим напряжением по аноду и не влияет на значение включающего базового тока. Коллекторный ток возрастает, напряжение на коллекторе с той же постоянной времени стремится к нулю. Напряжение в точкеа относительно корпуса устройства можно считать равным . В процессе включения каскада напряжение на коллектореVT не сможет достичь нулевого значения: когда отрицательное напряжение на коллекторе превысит уровень , отпирается диодVD, который фиксирует напряжение на коллекторе включенного транзистора. Остаточное напряжение на коллекторе , где напряжение отсечки открытого диодаVD. Используя найденное значение , получаем . Напряжение на коллекторе зафиксировано на малом уровне , лишь немного превышающем значение .

Отпирание диода VD приводит не только к фиксации коллекторного напряжения, но и к существенному уменьшению базового тока транзистора. Дело в том, что после отпирания диода VD напряжение в точке а схемы практически не изменилось, оно по-прежнему определяется равенством . Поэтому ток, протекающий через , также не изменился: . Если до включения диода весь этот ток замыкался через базу транзистора, то теперь он оказывается равным сумме двух токов – тока базы и тока включенного диода, т. е. базовый ток уменьшился на ток включенного диода.

После включения диода ток через сопротивление уже не изменяется и равен , поскольку напряжение на коллекторе зафиксировано на уровне. Ток коллектора транзистораVT продолжает нарастать, но уже только за счет увеличения тока через диод VD. Когда этот ток достигнет установившегося значения, ключевой каскад переходит в статический режим. При этом коллекторный переход транзистора остается смещенным в обратном направлении, напряжение на коллекторе отлично от нуля, ток коллектора не ограничен значением сопротивления , а имеет возможность расти при увеличении включающего сигнала , ток базы уменьшился на величину тока включенного диода и уже не превышает значения. Все эти признаки указывают на то, что транзистор работает в ненасыщенном режиме.

Переходные процессы в ключевом каскаде с ненасыщенным транзистором проиллюстрированы на рис. 1.15. На рисунке момент времени соответствует появлению отрицательной полуволны входного сигнала, момент – отпиранию диода, момент – достижению установившегося значения тока диода. Время задержки выключения в данной схеме мало и определяется уже не временем рассасывания, а временем установления обратного сопротивления диода при его запирании, которое при использовании быстродействующих импульсных диодов имеет очень малые значения.

При практическом построении ключевых схем использование отдельного источника , оба полюса которого изолированы от корпуса устройства, вызывает значительные неудобства. Поэтому на практике в качестве напряжения используют падение напряжения на дополнительном резисторе или диоде. На рис. 1.16, 1.17 показаны каскады с ненасыщенным транзистором, имеющие внешний источник смещения.

На рис. 1.16 резистор состоит из двух последовательно соединенных резисторов и , второй из которых имеет очень малое сопротивление. Базовый ток включенного транзистора, протекая через , создает на нем напряжение , выполняющее ту же функцию, что и источник в схеме рис. 1.14. В схеме рис. 1.17 функцию источника выполняет падение напряжения на открытом диодеVD₂, которое при включенном диоде близко к напряжению отсечки его входной характеристики и мало зависит от протекающего тока. Поэтому опорное напряжение , создаваемое диодом, в схеме рис. 1.17 меньше зависит от колебаний входного тока, чем в схеме рис. 1.16. Для обеспечения отпирания диода нелинейной обратной связи VD₁ в схеме рис. 1.17 напряжение отсечки диода VD₂ должно быть больше напряжения отсечки диода VD₁. Это обеспечивается, например, в случае, когда диод VD₂ кремниевый, а диод VD₁ германиевый.