Лекция: Режими комутації ключів
Швидкодія ключових елементів визначається процесами накопичення неосновних носіїв заряду в базі ключового елементу при ввімкненні прямого напрямку ключа і процесами розтіканні цих носіїв – при закриванні ключового елементу, і тому час перемикання включає як час розтікання носіїв чи їх накопичення, так і час формування заданого рівня напруги. Епюри напруг відображають вказані процеси і зміну сигналів на вході, тобто в базовому колі, і на виході.
Розгортка сигналів при прямому ввімкненні біполярних транзисторів.
При вмиканні транзистора керуюча напруга ек, що подається у базове коло, змінює полярність і амплітуду від Uк.закр до Uк.нас в момент часу t0. Це приводить до початку зростання колекторного струму Iк. Різниця потенціалів Uбе може миттєво зменшитись до нуля, оскільки визначається величиною заряду бар’єрної ємності керуючого переходу транзистора. За певний проміжок часу величина цього заряду зменшиться до нуля, а потім ємність перезаряджається, тобто переполяризовується, в результаті чого на переході база – емітер встановлюється різниця потенціалів Uбе порогове, при якому транзистор вже можна вважати відкритим. Цей процес відбувається за рахунок інжекції носіїв зараду з емітерної в базову область, він триває протягом часу tз, протягом якого Uке практично не змінюється. Починаючи з моменту часу t1, транзистор починає входити в область насичення, тобто Uке експоненційно спадає і струм колектора досягає максимального значення в момент часу t2. Інтервал t2 — t1 називається часом формування фронту вмикаючого імпульсу; tз і tф разом складають ввімкнення транзистора. Момент часу t2, в залежності від вимог до ключової схеми, приймають таким, коли максимальне значення струму колектора або мінімальне значення Uке досягають рівня 0,5 – 0,7 від свого критичного значення.
Подальший інтервал часу tустановки визначає процеси глибокого насичення транзистора. Для швидкодіючих схем стараються зменшити tнас і реалізують схеми, де електронні ключі працюють без режиму глибокого навантаження. Одним з методів реалізації такого режиму є ввімкнення діода Шоткі між базою і колектором транзистора.
Оскільки пряма напруга на діоді Шоткі складає приблизно 0,7-0,8 В для кремнієвих структур, то відповідно різниця потенціалів між базою і колектором транзистора не перевищує цього значення. При перемиканні в закритий стан транзистора, керуюча напруга ек знову інвертується (2 діаграма), але протягом певного часу tрозтікання струм в колекторному колі залишається практично постійним, оскільки опір бази буде мати мінімальне значення до моменту часу t1, поки неосновні носії заряду не перейдуть в колекторну чи емітерну область. Після цього напруга Uке між відповідними електродами транзистора починає зростати до максимального значення, що дорівнює ек. Відповідно струм колектора зменшиться до нуля. При Iк=0,1*Iк.нас, транзистор вже вважається закритим. Тривалість вимикання складається з часу розтікання і часу формування спаду імпульсу.
Застосування діода Шоткі в цьому випадку дозволяє зменшити інтервал розтікання tр, а відповідно і підвищити швидкодію ключа на біполярному транзисторі.
Для корекції величини напруги насичення ключа з бар’єром Шоткі використовують додатково джерела зміщення в колах зворотного зв’язку.
В найпростішому випадку можна використати додаткові резистивні елементи Rб, які при протіканні керуючого струму Iб задають додаткове зміщення Uзм=Iб*Rб, що додається до вальєрної різниці потенціалів на діоді Шоткі, однак в цьому випадку тривалість розтікання носіїв при комутації буде зменшуватись за рахунок зростання постійної часу резистивно – ємнісного кола розрядки, що включає бар’єрну ємність переходу і додатковий опір Rб.