AGH, Wydział EAIiE KATEDRA ELEKTRONIKI			Cezary Klimasz
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI				Semestr: letni
Rok szkolny: 2006/2007	Rok studiów II			Grupa 3, wtorek 9^30
Kierunek: Elektrotechnika				Zespół 1
Temat ćwiczenia: KLUCZ TRANZYSTOROWY
Data wykonania ćwiczenia: 20.03.2007		Data zaliczenia sprawozdania:

1 . Wprowadzenie
Podstawą realizacji układów impulsowych oraz układów cyforowych jest wykorzystanie, przełączania między stanami odcięcia i przewodzenia, elementów aktywnych.

Jednym z najważniejszych układów przełącznikowych jest klucz tranzystorowy nasycony. W tym układzie tranzystor pracuje w konfiguracji wspólnego emitera i jest sterowany od stanu odcięcia do stanu nasycenia.

Do analizy procesu przełączania wykorzystuje się model tranzystora Ebersa-Molla oraz opisujące go równania różniczkowe w przypadku polaryzacji normalnej. Decydujący wpływ na wartość prądu bazy w stanie przewodzenia tranzystora ma napięcie e_G oraz rezystancja R_B. Wyidelizowane przebiegi, będące istotą przełączania tranzystora znajdują się w pkt. 4.

2. Analiza przełączania tranzystora bipolarnego.

Sygnał wejściowy (prostokątny) zmienia się od wartości -E_R do +E_F (rys. 1).

Włączanie tranzystora

1. t =[ 0 , t_d ]
   Tranzystor pracuje w stanie odcięcia do chwili naładowania pojemności złączowych C_je i C_jc, tak aby napięcie u_BE wynosiło U_BEP. Prąd ładowania tych pojemności wynosi (E_R+E_F)/R_B. Osiągnięcie napięcia U_BEP natępuje po czasie opóźnienia włączenia tranzystora t_d (delay time).

2. t = [ t_d , t_r ]
   Po czasie t_d tranzystor osiąga stan aktywnego przewodzenia normalnego, prąd bazy osiąga wartość I_BF. Jeżeli zachodzi nasycenie tranzystora tzn. gdy β_oI_BF>I_CM to czas narastania prądu kolektora wynosi t_r (rise time). Przesterowanie tranzysora skraca czas narastania prądu kolektora. Nasycenie tranzystora kończy zewnętrzne stany nieustalone.

Czas włączania tranzystora wynosi: t_ON = t_d + t_r.

Stan nasycenia tranzystora

1. t = [ t_r , t_i ]
   W stanie nasycenia oba złącza spolaryzowane są w kierunku przewodzenia. W momencie t_i napięcie źródła sygnału e_G zmienia wartość z +E_F do -E_R.

Wyłączanie tranzystora

2. t = [ t_i , t_s ]
   Stan nasycenia utrzymuje się dalej, przez czas t_s - czas magazynowania (storage time). Prąd bazy zmienia kierunek przepływu i przyjmuje wartość -I_BR.

3. t = [ t_s , t_f ]
   Tranzystor przechodzi do stanu aktywnego po czasie t_s. Rozpoczyna się opadanie prądu kolektora od wartości I_CM do asymptotycznej wartości -β_oI_BR ze stałą czasową taką samą jak przy załączaniu. W chwili osiągnięcia zerowego prądu i_c tranzystor wchodzi w stan odcięcia. Następuje to po czasie opadania prądu kolektora t_f (fall time).

Po wejściu w stan odcięcia tranzystor jest elementem pasywnym i rozpoczyna się ładowanie pojemności złączowych C_je+C_jc ze stałą czasową R_B(C_je+C_jc). Czas ładowania tych pojemności jest równy t_pas. Łączny czas wyłączania tranzystora wynosi: t_OFF = t_s + t_f + t_pas

3. Współczynniki przesterowujące tranzystor - ich znaczenie.

1. współczynnik przesterowania (współczynnik głębokości nasycenia) - k<sub>F
   
   ,</sub>
   przy k_F>>1 narastanie prądu kolektora w przybliżeniu jest liniowe. k_F wskazuje ile razy asymptotyczna wartość prądu kolektora jest większa od uzyskiwanej w stanie ustalonym.

2. współczynnik przesterowania tranzystora przy wyłączaniu (współczynnik wstecznego przesterowania tranzystora)
   
   _,
   Czas t_s maleje, gdy współczynnik przesterowania k_R jest duży, tzn. gdy działanie wyłączające jest silne. Czas magazynowania powiększa się, gdy tranzystor wprowadzany jest w stan głębokiego nasycenia poprzez silne przesterowanie tranzystora przy włączaniu.

Aby uzyskać krótkie czasy przełączania tranzystora, należy stosować niewielkie współczynniki przesterowania tranzystora przy załączaniu i wyłączaniu (płytkie nasycenie i płytkie zatkanie tranzystora). W praktycznych rozwiązaniach zachodzi często potrzeba głębokiego nasycenia i głębokiego zatkania tranzystora co wiąże się z konieczności usuwania dużych ładunków z pojemności złączowych i z bazy tranzystora.W takich przypadkach stosuje się tzw. pojemność przyspieszającą, bocznikującą część lub całą rezystancję R_B.

Przełączanie tranzystora z pojemnością przyśpieszającą:

Pojemność przyspieszająca C_p (kilka do kilkanaście pF) bocznikuje główną część rezystancji w obwodzie bazy R_B2. Przy skokowych zmianach sygnału sterującego e_G(t) pojemność C_p utrzymuje prawie niezmienione napięcie na rezystancji R_B2, wskutek czego prawie cała zmiana przełączającego napięcia odkłada się na małej rezystancji R_B1. Dzięki temu możliwe są bardzo duże zmiany prądu w obwodzie bazy, zarówno dodatnie jaki i ujemne.

4. Wyidealizowane przebiegi w czasie przełączania tranzystora.

e_G

+E_F

-E_R

-E_R

0

t_i

t

u_BE

-E_R

-E_R

+E_F

R_B(C_je+C_jc)

U_BEP

(I_BF+I_BR)r_be

R_B(C_je+C_jc)

0

t

i_B

0

R_B(C_je+C_jc)

R_B(C_je+C_jc)

I_B(0)=(E_F+E_R)/R_B

-I_BR

I_BF

t

t

t

i_C

0

I_CM

t_d

t_r

β_oI_BF

τ^'

t_s

t_f

-β_oI_BR

u_CE

U_CC

U_CC

U_CES

0

t_i

rys.1

rys.2

rys.3

rys.4

rys.5

u_BE

u_CE

R_B

R_C

E_C

R_B2

R_C

C_p

+U_CC

---