Глава XI

- Стабилизаторы, работающие в ключевом режиме

§ 11.1. Работа транзисторов в ключевом режиме

Рассмотрим особенности работы транзисторов в импульсном (ключевом) режиме. Связано это с тем, что именно особенности транзистора, используемого как ключ, накладывают основные ограничения на выбор параметров схемы стабилизаторов и определяют ее возможности.

При работе в ключевом режиме транзистор большую часть времени находится в двух состояниях: насьщения и отсечки.

Определить эти состояния можно с помощью схемы рис. ИЛ, а. На базу транзистора, включенного в цепь источника Е последовательно с омической нагрузкой, подаются коммутирующее импульсы пря-

Рис. 11.1

моугольной формы с амплитудой /g. В отсутствие импульсов транзистор, закрыт, это соответствует рабочей точке / на характеристиках рис. П.1, б. Такое состояние отсечки тока характерно тем, что ток транзистора мал и почти все напряжение источника Е приложено к промежутку коллектор-эмиттер транзистора.

Если амплитуда коммутирующего импульса удовлетворяет условию

/б>/бб. - (11.1)

то с его появлением рабочая точка займет на характеристиках положение 2. Транзистор перейдет в состояние насыщения, ток коллектора при этом ограничен внешним сопротивлением, падение напряжения на транзисторе мало, а напряжение источника Е практически полностью приложено к нагрузке.

Характеристики транзистора в ключевом режиме (рис. 11.2) представляют двумя кривыми: первая из них соответствует открытому транзистору, а ее наклонный участок - состоянию насыщения; вто- рая кривая - закрытому-транзистору и имеет очень малый наклон

до напряжения пробоя. Рабочими участками характеристики являются наклонны!! учасхюк кривой / и пологий участок кривой 2. Область, заключенную между этими двумя кривыми, называют активной областью транзистора. В пределах этой области ток базы обладает управляющим действием-

И в состоянии насыщения и в состоянии отсечки мощность, выделяющаяся в транзисторе, мала, так как рабочая точка находится вне активной области. В активную область 1к --!-1к рабочая точка попадает лишь в про-

цессе переключения. Но поскольку он весьма кратковремен, энергия, выделяющаяся в транзисторе за время переключения, также мала. Однако эти небольшие потериэнергии и определяют выбор транзистора для силовой цепи импульсного стабилизатора. Для последующего подсчета потерь длительность нарастания тока коллектора длительность спада тока коллектора (время

Рис. 11.2

в транзисторе найдем (время включения) и отключения) транзистора.

Начнем с выбора модели транзистора. Ранее, при расчете дифференциальных показателей линейных стабилизаторов, для представления транзистора, работающего в линейном режиме, была использована упрощенная модель, вытекающая из схемы Джиаколетто.

Если убрать из нее генераторы токов /до, /ко. проводимости у^, и - элементы, влиянием которых в последующих выкладках будем пренебрегать, то она

0-1-1-

Б -J:6

5 4 0-[

Рис. 11.3

£К9 -0

примет вид рис. 11.3, а.

Поскольку характеристики транзистора-ключа являкггся границами активной области, то при введении в схему рис. 11.3, а ограничителей, можно использовать ее для представления транзистора, работающего в режиме переключения. Ограничителями служат идеальные диоды Дх и Дг- Первый из них

отражает запирание эмиттерного перехода, т. е. отсечку тока коллектора, а второй - отпирание коллекторного перехода, т. е. насыщение транзистора. Сопротивление насьш1енного транзистора г^, падением напряжения на котором при работе в активной области пренебрегали, вновь включено в'схему, так как в режиме насыщения только оно и определяет напряжение Uy.

Пусть в цепи базы протекает постоянный ток = Ir-Если ток р/ меньше величины E/{R + г„), то на диоде Дг источником коллекторного напряжения Ёдэ создается запирающее напря-

жение и ток в коллекторной цепи равен р/. Транзистор находится в активном режиме. Если же ток р/ больше, чем EJ{R + г„), то на диоде Лг напряжение равно нулю и ток во внешней коллекторной нагрузке равен току насыщения:

/к„ = £к./(к+- ), (11.2)

а падение напряжения эмиттер-коллектор (У^н = /кнн. Избыток тока источника р/ по сравнению с током протекает через открывшийся диод Лг.

Приведенные на рис. 11.3, б направления полных токов базы и коллектора соответствуют транзистору типа п-р-п. Если желательно, чтобы направления полных токов и приращений совпадали и для транзистора типа р-п-р, то полярность диодов Л1, Лг и направление тока должны быть изменены на противоположные. Соответственно изменится и направление тока, создаваемого генератором pi,.

В более сложных моделях транзисторов-ключей основные моменты, свойственные рассмотренной, относительно простой схеме, сохраняются. В них прежде всего учитывается зависимость коэффициента усиления по току транзистора Р от напряжения (7кэ, а также зависимость сопротивлений rg, г&э и г„ от тока коллектора.

В наиболее сложных схемах, пригодных лишь для машинных расчетов, вводят до -пяти различных значений р. Из них в нашей схеме фигурируют только два: коэффициент усиления по току для малых сигналов Р и коэффициент усиления перепадов постоянного тока Bq. Первый из них определяет работу транзистора в активной области, а второй - в режиме насыщения. В дальнейшем для простоты принято р = В^.

Перейдем теперь к определению времени включения и времени выключения транзистора на основе описанной модели. Пусть транзистор управляется прямоугольными импульсами тока со значениями положительных (открывающих) амплитуд 1. и отрицательных (запирающих) /g.. (рис. 11.4, а). При включении ток базы транзистора нарастает скачком от нулевого значения до величины !(,+ Управляющий ток ir меняется в тех же пределах, но плавно, в соответствии с нарастанием напряжения на внутренней базе Б':

Г

Рис. 11.4

tV = /g,(l-e-4

(11.3)

Здесь = Cg/g-g-- постоянная времени транзистора при управлении им импульсами тока.