Ключевые элементы на биполярних транзисторах

Биполярный транзистор уже давно используется в импульсных источниках электропитания, поэтому не будут подробно рассматриваться особенности его работы в ключевом режиме, а только необходимые для практики сведения.

Как известно, свойства транзистора как усилителя тока описываются следующим уравнением:

где h21 — коэффициент усиления по току;

iб—ток базы;

iк — ток коллектора.

Линейная область работы транзистора хороша тем, что позволяет, регулируя сравнительно небольшой ток базы, тем не менее, управлять значительным током нагрузки, расположенной в коллекторе транзистора. Максимальный ток коллектора, который можно получить в классической схеме с коллекторной нагрузкой, равен:

Максимальному току коллектора соответствует максимальный ток базы iб max. Дальнейшее увеличение тока базы не приведет к увеличению тока коллектора, поскольку транзистор уже находится в состоянии, пограничном с состоянием насыщения.

Что такое состояние насыщения лучше всего пояснять, представив транзистор в виде двух диодов (рис.1). В ненасыщенном состоянии диод VD1 закрыт. В состояние насыщения транзистор можно перевести, «подняв» потенциал базы выше потенциала коллектора с помощью, например, дополнительного источника напряжения UДОП. В этом случае произойдет отпирание диода VD2 и транзистор перейдет в состояние насыщения.

В принципе, пограничное состояние тоже используется в импульсной технике, но оно менее желательно, поскольку потери мощности на ключевом элементе, поскольку потери мощности на ключевом элементе больше, а значит, КПД преобразователя ниже возможного предела.

Насыщение транзистора принято оценивать коэффициентом насыщения. Коэффициент насыщения — это отношение максимального тока базы в пограничном режиме к реальному току, подаваемому в базу в насыщенном состоянии. Само собой разумеется, что значение коэффициента всегда больше единицы. Коэффициент насыщения задается разработчиком импульсного источника, исходя из рекомендаций по проектированию. От его величины зависят динамические характеристики схемы.

Насыщен

Рис.1. Модель биполярного транзистора в ключевом режиме

Чем сильнее будет насыщен транзистор, тем меньшее напряжение «коллектор-эмиттер» удается получить, тем меньше будут тепловые потери. Однако чрезмерное насыщение чревато большой неприятностью — в таком состоянии база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Чтобы было удобно анализировать транзистор в области насыщения, заменим его следующей эквивалентной схемой. Имеется идеальный ключ, изображенный на рис.2, на котором падает небольшое напряжение UКЭнас. Напряжение на насыщенном ключе в эквивалентной схеме определяется следующим образом:

где RНАС — активное сопротивление насыщенного ключа;

Екэ — источник ЭДС напряжением 0,1...0,5 В.

В справочных данных принято приводить не параметры элементов эквивалентной схемы, а значение UКЭнас при заданном токе коллектора.

Рис. 2. Эквивалентная схема транзистора в режиме насыщения

Рис. 3. Эквивалентная схема транзистора в режиме отсечки

Еще один режим работы транзистора, относящийся к ключевому, носит название режима отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения, тем самым «подпирая» диод VD2. ............