что такое ключ в электрической цепи

Что такое электрическая цепь? Интерактивное знакомство Электрическая цепь. Направление электрического тока Это соединенные воедино звенья. Цепь соединяет вместе два или более объектов. Если цепь разорвать, то и объекты перестанут быть соединенными.

Элементы электрической цепи

Нагрузкой или приемником тока в общем смысле называется нечто, потребляющее электрический ток и производящее вследствие этого некую нужную нам работу. Например, обычная лампочка – это нагрузка. Ток, проходя через лампочку, совершает работу по нагреванию спирали, отчего она светится.

Соединительные провода – это провода, соединяющие между собой все элементы цепи.

Ключ – это простейшее устройство для замыкания и размыкания цепи. Выключатель, рубильник, кнопка – все это разные варианты ключей.

Принцип функционирования электрической цепи

В простейшей электрической цепи: от источника заряд движется по проводам к нагрузке, совершает там некую работу и дальше движется по проводам вновь к источнику. Но уже к другому полюсу источника. Электрический заряд, проходя через нагрузку, совершает некую работу и, соответственно, теряет энергию. Эта энергия восполняется в источнике тока. Ключ служит для размыкания и замыкания цепи. То есть, в любой момент мы можем разомкнуть цепь, и ток перестанет идти. Лампочка потухнет, двигатель остановится, нагрузка перестанет получать энергию. При замыкании ключа цепь восстановится, и ток потечет вновь.

Источник

Ключ (электротехника)

Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.

Содержание

Терминология

Выключателем может называться коммутационный аппарат, не имеющий собственного названия, имеющий как минимум два фиксированных положения своих контактов (включено/отключено) и способный изменить это положение под действием внешних сил, на другое положение контактов (включено/отключено) на сколь угодно малое или большое значение времени.

Варианты исполнения

Механические

Механические ключи служат для непосредственного управления цепью, так как диэлектрический рычаг механического ключа обычно напрямую связан с токоведущими частями ключа. Применяются обычно в случае, когда не требуется отделять управляемую цепь.

Электромагнитные

Электромагнитные ключи служат для дистанционного управления, управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

Электронные

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принцип работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

Неуправляемые

Управляемые

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его базу управляющего напряжения (сигнала) определённой полярности и уровня. Нагрузка, подключённая к транзисторному ключу, оказывается зашунтированной большим или малым сопротивлением транзистора. В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

Классификация

Выключатели можно классифицировать следующим образом:

Бытовой выключатель

Бытовой выключатель — это двухпозиционный коммутационный аппарат с нормально-разомкнутыми контактами, предназначенный для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт, не предназначенный для отключения токов короткого замыкания, без специальных устройств дугогашения, местного управления, с ручным приводом.

Остальные характеристики этого выключателя, такие как рабочий ток, степень влаго-/пыле-/взрывозащищённости (IP), климатическое исполнение, способ установки, материал контактов — определяются производителем и зависят от конкретной модели.

Более того, для бытового выключателя актуально конструктивное исполнение — для внутренней установки (встраиваемым в стену, для скрытой проводки) или для внешней установки (устанавливаемым на стену, для открытой проводки).

В основном применяются для включения и выключения освещения (люстр, плафонов). Для этой же цели в продаже появились выключатели с плавным управлением освещённости: светорегуляторы, диммеры, триммеры.

Акустический выключатель

Акустический выключатель — электрический выключатель, управляемый звуком.

Бывает следующих типов:

Источник

Ключ В Схеме Электрической Цепи

Элементы электрических цепей во всех случаях, кроме ветви, обязательно присутствуют в множестве. Практически можно представить схему цепи в виде пассивного и активного двухполюсника.

Контур заземления и зануления замыкается с помощью грунта. Иначе ток в цепи протекать не будет.

Электронные элементы, используемые в ключевых схемах, по своим ключевым свойствам можно разделить на два класса: — элементы, ключевые свойства которых обеспечиваются заданием их режима работы; — элементы, ключевые свойства которых определяются самим принципом их работы.
ЧИТАЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ С ТРАНЗИСТОРОМ — 3 ЧАСТЬ

Иначе ток в цепи протекать не. Основные элементы во время проведения расчетов для электрических цепей Они используются в сложных конструкциях, чтобы проверить, что и как будет работать: Ветвь.

Номинальный режим Такой режим необходим для создания технических свойств всей цепи и отдельных компонентов. Заключение Итак, мы рассмотрели электрические цепи, элементы электрических цепей и практические особенности взаимодействия с ними.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. Схема электрической цепи Вопросы Каково назначение источника тока в электрической цепи?

Учет реактивных параметров прибора делает динамическую эквивалентную схему пригодной для анализа быстрых процессов, в частности для анализа процессов, возникающих при воздействии на нелинейную цепь фронта импульса.

Упражнение 23 Мы уже выяснили, что для использования электроэнергии нужны такие вещи, как источник тока, проводники, приборы и т.

Электрические цепи (часть 1)

Нюансы графической маркировки

Эта вольт-амперная характеристика строится по двум точкам 1 и 2 рис. При изменении тока в пределах активной двухполюсник эквивалентный источник отдает энергию во внешнюю цепь участок I вольт-амперной характеристики на рис. Схема электрической цепи Вопросы Каково назначение источника тока в электрической цепи? Чтобы избежать искрения, в электрическую цепь добавляются дроссели, а в выключатель устанавливают контакты специального вида.

Для того, чтобы понять как будет работать система при переключении контакта необходимо мысленно переместить элемент контакта, от одной линии связи к другой.

Первую используют как в статическом режиме, так и при медленно изменяющихся процессах. Для того, чтобы все эти вещи взаимодействовали, нужно построить электрическую цепь, с помощью которой энергия будет доставляться потребителям от источника тока.

Упражнение 23 Мы уже выяснили, что для использования электроэнергии нужны такие вещи, как источник тока, проводники, приборы и т.

На этом и основано действие выключателей.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой.

Схема электрической цепи нужна прежде всего при сборке любого электрического прибора, и при эксплуатации без нее тоже не обойтись. Важными в этом плане являются специальные детали схем, которые обладают сопротивлением, что характеризуется вольт-амперной зависимостью, поскольку они взаимно влияют друг на друга.
Как проверить полевой транзистор с помощью тестера.

Обозначение линий связи на электрических схемах

Но для их работы необходимо соблюдение целого ряда требований.

Найти на электрической схеме электродвигатели, определить их систему питания.

Не все контуры считаются электрическими цепями. Активный двухполюсник содержит источники электрической энергии, а пассивный двухполюсник их не содержит.

Такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса. Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Перед выполнением следующего задания хочется напомнить китайскую мудрость: Расскажи — и я забуду… Дай мне возможность действовать самому — и я научусь. Важным отличительным свойством элементов второго класса является наличие участка вольт-амперной характеристики, имеющего отрицательное сопротивление, что обеспечивает регенеративный лавинообразный переход таких элементов из выключенного состояния во включенное практически независимо от параметров входного переключающего сигнала.

Зато на первый план выступает скорость переключения ключа, которая определяет число операций в единицу времени, т. В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать. Электродвигатели, лампы, плитки, всевозможные электробытовые приборы называют приёмниками или потребителями электрической энергии.

Схема электрической цепи – применение и классификация.

Дискретность разбиения определяется требуемой точностью аппроксимации и видом аппроксимируемой функции. Обсудить Редактировать статью Электротехнические устройства очень важны в жизни современного цивилизованного человека. На практике широко используются схемы замещения во время работы активных и пассивных элементов.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС. Время установления выходного сигнала время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью на заданной нагрузке. Если использовать оба режима, которые были уже рассмотрены, то по их результатам могут быть определены параметры активного двухполюсника. Сложная цепь обладает, как правило, несколькими ветвями. Эта энергия восполняется в источнике тока.

В зависимости от значения источника тока низкий уровень или высокий транзистор должен быть в закрытом режим отсечки или насыщенном статическом состоянии. Элементы с такой характеристикой, используемые в электронике, весьма многочисленны и разнообразны, однако все они объединяются важнейшим качеством — способностью работать в ключевом режиме.
Задача на закон сохранения энергии в электрической цепи

Содержание

Обозначение тиристоров и операционных усилителей показано на рисунке. Задача 3.

Провести анализ работы каждой электрической цепи электросхемы, выявить на ней основные и вспомогательные аппараты, определить условия их работы, при необходимости ознакомиться с технической документацией на электрические приборы. Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию.

Перечень компонентов цепи может быть довольно большим.

Стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию. Существуют два основных способа соединения источников питания: последовательное и параллельное. В бытовой сети мы имеем напряжение вольт с определенными нормированными отклонениями.

Элементы схемы электрической цепи в данном случае не используются. Не все контуры считаются электрическими цепями. Обозначение транзисторов на схеме Электрическая схема транзисторов — элементов электрической системы способных управлять током в выходной цепи при воздействий входного сигнала, показана на рисунке. Закон Ома для полной цепи Он определяет зависимость, которая устанавливается между ЭДС Е источника питания, у которого внутреннее сопротивление равно r, током и общим эквивалентом R.

Дополнительные материалы по теме: Схема электрической цепи.

Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Возьмите листочки.

Внутренние и внешние электрические цепи Для создания упорядоченного движения электронов, нужно наличие разности потенциалов между каким-либо участком цепи. Наиболее распространены замыкающие, размыкающие и переключающие контакты, их обозначение показано на рисунке. Динамическую эквивалентную схему получают из статической путем добавления реактивных параметров прибора. Сопоставить обозначения элементов на электросхеме с перечнем элементов.
КАК РАССЧИТАТЬ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Источник

1 Электрический ключ

1.1. Электрический ключ

Электрический ключ – устройство предназначенное для коммутации тока в электрической цепи и имеющих два устойчивых состояния: включено и выключено.

Обозначение электрического ключа на функциональных схемах приведен на рис 1.1,а

Рекомендуемые файлы

а. б. ВАХ идеального ключа

Свойства идеального электрического ключа:

1. нулевое падение напряжения на ключе в состоянии включено.

2. нулевой ток через ключ в состоянии выключено.

3. время переключения из одного состояния в другое равно нулю.

Реальный электрический ключ обладает следующими свойствами:

1. ненулевое падение напряжения на ключе в состоянии включено.

2. ненулевой ток через ключ в состоянии выключено.

3. время переключения из одного состояния в другое не равно нулю.

Падение напряжения на ключе объясняется наличием прямого сопротивления ключа, а ненулевой ток объясняется наличием сопротивления утечки ключа.

Рис.1.2 Схема замещения реального Рис.1.3 ВАХ реального ключа

1.2. Электронный ключ выполненный на биполярном транзисторе

Электронный ключ – электрический ключ выполненный на основе электронных компонентов (транзисторы, тиристоры, симисторы и т.д.).

На рис. 1.4 приведена схема позволяющая рассмотреть все режимы работы биполярного транзистора в ключевом режиме.

В этом режиме транзистор проводит ток и говорят что транзистор «открыт». Этот режим соответствует положению «вкл.» электрического ключа. Режим насыщения обеспечивается переводом коммутатора КТ (рис.1.4) в положение 1. При этом схема (рис 1.4) принимает вид приведенный на рис. 1.5.

Пусть в цепи базы транзистора существует ток I_б=I_б2 и рабочая точка находится в положении 0 на ВАХ транзистора (рис.1.6). Начнем увеличивать ток базы путем увеличения . При этом рабочая точка будет перемещаться вверх по линии нагрузки. В этом режиме выполняется равенство . При некотором токе базы I_б называемом ток базы граничный () рабочая точка достигает положения 1 на ВАХ транзистора. При этом выражение примет вид , где ток – максимальный ток коллектора, называемый током коллектора насыщения. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора так же примет минимальное значение , называемое напряжением насыщения.

Такой режим называется граничным режимом работы транзистора. Дополнительным условием существования граничного режима считается равенство нулю напряжения между коллектором и базой транзистора U_кб=0. Это связано с тем что при малых величинах напряжения U_кэ (рабочая точка близка к положению 1) существенно снижается коэффициент передачи тока и коэффициент входящий в выражение , строго не определен. Дальнейший рост E_отп приводит к увеличению до значений больших . Однако рабочая точка останется в положении 1, а следовательно и выполняется неравенство которое называется условием насыщения транзистора.

Условие насыщения транзистора может быть преобразовано в равенство путем применения коэффициента – коэффициента насыщения.

Обычно транзисторы работают с коэффициентом насыщения от 1,2 до 3.

В этом режиме транзистор не проводит ток и говорят что транзистор «закрыт». Соответствует положению «выкл.» электрического ключа. Режим запирания подразделяется на режимы активного и пассивного запирания и режим с «оборванной базой».

Режим активного запирания

Процесс нарастания тока коллектора описывается эмпирической формулой

. Приравняв в уравнении , определим время фронта нарастания тока:

, где , ,

Если =1, то можно говорить об активной длительности фронта, когда меняется от 0,1 до 0,9. Тогда активная длительность фронта:

.

В момент времени меняется полярность напряжения на выходе ГИ. Входной ток также меняет полярность. Начинается процесс выключения транзистора VT, который состоит из двух фаз: процесса рассасывания неосновных носителей в базе транзистора VT и процесса спада тока коллктора (среза импульса тока).

Время рассасывания это то время в течение которого избыточный объемный заряд в области базы уменьшается до граничного. На этом интервале времени ток коллектора остается неизменным и равным току коллектора насыщения. Транзистор как бы «не замечает» что ток базы прекратился. Чем больше коэффициент насыщения, тем больше объемный заряд накоплен и, соответственно, больше время рассасывания. Применительно к напряжению на емкости эмиттерного перехода можно говорить о большом напряжении на этой емкости.

Когда отпирающий ток заканчивается, начинается процесс уменьшения объемного заряда в области базы. Заряд может уменьшаться по двум причинам: за счет естественной рекомбинации носителей заряда и за счет создания обратного тока базы . До тех пор пока объемный заряд в базе больше граничного, т.е. напряжение на емкости эмиттерного перехода > , VT остается открытым и насыщенным.

В момент времени объемный заряд уменьшается до граничного. Время рассасывания заканчивается и начинается процесс уменьшения тока коллектора, который занимает время , называемое время среза.

Время рассасывания и время среза определяется эмпирическими формулами:

, .

При время рассасывания .

Из анализа выражений, определяющих времена фронта, рассасывания и среза, можно сделать выводы, что:

1. время фонта уменьшается, если коэффициент насыщения увеличивается;

2. время рассасывания уменьшается, если коэффициент насыщения уменьшается;

3. время рассасывания и время среза уменьшаются, если обратный ток базы увеличивается.

1.4. Оптимальная форма базового тока

На основании предшествующего материала можно считать, что:

1. Для уменьшения времени фронта необходимо увеличить коэффициент насыщения ;

2. Для уменьшения времени рассасывания необходимо отпирающий ток базы уменьшить, а обратный ток базы увеличить. Следовательно перед выключение транзистора коэффициент насыщения нужно уменьшить, а после момента времени сформировать значительный обратный ток.

3. Для уменьшения времени среза необходимо ток базы увеличить.

Таким образом оптимальная форма базового тока графически выглядит следующим образом (рис.1.11).

Где коэффициенты насыщения

1.5. Цепь формирования квазиоптимальной формы базового тока

Схема электронного ключа с цепью формирования квазиоптимальной формы базового тока (форсирующей цепью), приведена на рис.1.12.

На интервале (t₁ – t₂) происходит включение ключа. Переходный процесс заряда конденсатора длится больше времени и заканчивается к моменту времени t₃. На интервале (t₃ – t₄) ток идет по цепи: +E_ген – коммутатор – R₁ – R₂ – база-эммитер транзистора – . На этом интервале существует ток , где U_бэ2 – напряжение между базой и эмиттером при этом токе. Преобразовав выражение определяют R₂ (сопротивление R₁ уже известно), исходя из условия, что коэффициент насыщения от 1,2 до 1,5.

В момент t₄ коммутатор переводится в положение 2. Конденсатор разряжается по цепи +C – R₁ ключ – – эмиттер-база транзистора – C. Этот ток является обратным для эмиттерного перехода и обеспечивает ускоренный перезаряд емкости эмиттерного перехода, что сокращает время рассасывания и время среза. Из выражения , где – время рассасывания неосновных носителей в базе транзистора, можно определить значение емкости C. Время рассасывания занимает интервал времени t₄ – t₅, а время среза занимает интервал времени t₅ – t₆.

1.6. Электронный ключ на основе полевого транзистора

В настоящее время электронные ключи на полевых транзисторах находят все большее применение. Схема электронного ключа на полевом транзисторе приведена на рис.1.14.

Рис.1.14

Как правило в ключах используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом, поскольку такие транзисторы при напряжении затвор-исток, которое меньше порогового U_зи.пор находиться в непроводящем состоянии, то есть электронный ключ выключен. Чтобы его включить необходимо и достаточно увеличить напряжение затвор-исток U_зи до напряжения большего U_зи1, которое аналогично граничному току базы биполярного транзистора. Процесс включения и выключения транзистора занимает некоторое время, так как перезаряжаются емкости затвор-исток (C_зи) и затвор-сток (C_зс) МДП-транзистора. Перезаряд емкости затвор-исток происходит через резистор , который необходим для ограничения величины тока через электронные ключи К1 и К2 коммутатора. Для низковольтных ключей на МДП транзисторах (U_си – 10÷50 В) наличием емкости затвор-сток (C_зс) можно пренебречь, так как она очень мала и при невысоком напряжении (U_си – 10÷50 В) заряд, необходимый для перезаряда емкости затвор-сток, пренебрежимо мал. Для высоковольтных ключей на МДП транзисторах (U_си – 100÷1500 В) наличием емкости затвор-сток (C_зс) пренебрегать нельзя, поскольку для ее перезаряда требуется значительный заряд, оказывающий существенное влияние на динамические процессы в ключе.

1.6.1. Включение и выключение ключа

Для включения транзистора первый ключ К1 замыкается, а второй ключ К2 размыкается. Ток существует в цепи E – К1 – R_зат – С_зи – . Когда напряжение достигает порогового значения, напряжение сток-исток начинает уменьшаться и появляется ток I_с стока, т. е. транзистор начинает открываться. Когда напряжение затвор-исток достигает напряжения U_ЗИ.4.1, ток стока становиться равным току стока насыщения (I_с = I_снас).

Выключение ключа происходит в обратном порядке. Второй ключ закрывают а, первый открывают. При этом происходит разряд емкости С_зи через резистор R_зат. Напряжение U_ЗИ снижается до величины меньшей U_зи.пор и транзистор закрывается.

Выходные ВАХ стоково-затворная характеристика транзистора поясняющие процесс переключения транзистора приведены на рис.1.15 а и б, соответственно.

1.6.2. Особенности коммутации высоковольтных ключей на МДП транзисторе

В высоковольтных ключах в процессе включения напряжение на емкости C_зс изменяется на значительную величину равную сумме приращений напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток:

. Заряд конденсатора определяется выражением: ∆U_с C. Поскольку в высоковольтных ключах приращение напряжения затвор-сток много больше приращения напряжения затвор-исток , то даже с учетом того, что емкость затвор-исток несколько больше емкости затвор-сток, заряд проходящий на интервале переключения через емкость затвор-сток существенно больше заряда емкости затвор-исток и его влияние на процесс переключения необходимо учитывать. Схема высоковольтного электронного ключа на МДП транзисторе с обозначенными на ней «паразитными» емкостями С_зи и С_зс приведена на рис.1.16.

На интервале изменения напряжения сток-исток транзистора большая часть тока, проходящего через резистор R_зат, идет на перезаряд емкости C_зс затвор-сток, что замедляет скорость нарастания (спадания) напряжения затвор-исток (U_зи), т.е. замедляет скорость изменения напряжения и тока стока. Явление затягивания процессов нарастания и спада тока коллектора из-за перезаряда емкости C_зс называют эффектом Миллера.

Процесс выключения транзистора происходит в обратном порядке.

Достоинства ключей на основе полевых транзисторов:

1. высокое быстродействие (малое время переключения);

2. близкий к нулю ток затвора в статическом режиме работы;

3. возможность включение транзисторов на параллельную работу, поскольку канала транзистора имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, что способствует самовыравниванию токов у параллельно включенных транзисторов. Это позволяет изготовлять ключи на большие токи.

1.7. Ненасыщенные ключи

В том случае когда электронному ключу на основе биполярного транзистора предъявляются повышенные требования по быстродействию, то используют ненасыщенные транзисторные ключи. В таких ключах рабочая точка не доходит до линии насыщения, оставаясь в активной области. В этом случае избыточный объемный заряд неосновных носителей в базе транзистора не формируется и, соответственно, при закрывании ключа исключается время рассасывания.

1.7.1. Ненасыщенный ключ с вспомогательным источником Э.Д.С.

В первую схему ненасыщенного ключа (рис.1.18) относительно ранее рассмотренной схемы обычного ключа (рис.1.4) дополнительно введены диод VD и вспомогательный источник ЭДС величиной 1,5÷2 В.

Пусть в момент t₁ от генератора на входную цепь ключа поступает на передний фронт импульса напряжения. Ток базы принимает значение больше, чем ток I_б1 (рис.1.19), и транзистор начинает открываться. Рабочая точка движется из положения “0” (рис.1.19) к положению “1”. На участке “0-2” линии нагрузки напряжения U_кэ больше ЭДС (1,5÷2 В) вспомогательного источника. Полярность напряжения на диоде соответствует указанной без скобок.

Когда рабочая точка достигает положения “2”, то напряжение и напряжение на диоде становится равным нулю. При дальнейшем движении рабочей точки в сторону точки 1 полярность напряжения на диоде меняется на указанную в скобках и диод открывается. Возникает ток диода по цепи: Е_ВСП – VD – коллектор-эмиттер транзистора – общий провод. В силу нелинейности ВАХ диода при относительно малом снижении напряжения и, соответственно, малом росте напряжения на диоде, ток через диод и коллектор транзистора значительно возрастает. Рабочая точка вместо точки 2 переходит в точку 3, для которой ток коллектора , где – ток коллектора насыщения. При попадании рабочей точки в положении “3” осуществляется равенство и рабочая точка прекращает движение. Поскольку выполняется равенство , то насыщения транзистора не происходит, что исключает время рассасывания неосновных носителей.

1. повышенное токовыделение на транзисторе поскольку и U_кэ>U_{кэ. нас}

2. требуется вспомогательный источник ЭДС.

1.7.2. Ненасыщенный ключ с шунтирующим диодом

Во вторую схему ненасыщенного ключа (рис.1.20) относительно схемы насыщаемого ключа дополнительно введены диод VD и резистор R₂.

Недостаток схемы Дарлингтона – большое падение напряжение на ключе по сравнению с возможным минимальным падением напряжения на VT₂, работающем в одном режиме.

1.8.2. Вторая схема электронного ключа на базе транзистора

Если коммутатор КМ разомкнут, то транзисторы находятся в закрытом состоянии. Пассивное запирание транзисторов VT₁ и VT₂ обеспечивают осуществляют резисторы R₁. и R₂. При замыкании КМ появляется ток в цепи +E_пит – эмиттер-база VT₂ – R₃ – КМ – общий провод. В следствие чего появляется ток первого транзистора по цепи +E_пит – эмиттер-колектор VT_2­ –база-эмитер VT₁ – R_н – общий провод. Часть тока от источника +E_пит­ проходит через резисторы R₁. и R₂, которые шунтируют эмиттерные переходы. Обычно номиналы резисторов выбирают так, чтобы токи резисторов R₁. и R₂ были 5÷15 % от соответствующих токов баз соответствующих транзисторов.

Результирующий коэффициент передачи тока этого составного транзистора также определяется выражением , где и – коэффициенты передачи тока транзисторов VT₁ и VT₂.

1.9 Силовые электронные ключи на основе IGBT-транзисторов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного n-p-n транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним p-n переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 6.12в) появляется еще один p-n-p транзистор Т2.

Образовавшаяся структура из двух транзисторов Т1 и Т2 имеют глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора Т2 влияет на ток базы транзистора Т1, а ток коллектора транзистора Т1 определяет ток базы транзистора Т2, принимая, что коэффициенты передачи тока эммитера транзистора Т1 и Т2 имеют значения α₁ и α₂ соответственно. Найдем I_k2=I_э2 α₂, I_k1=I_э1 α₂, I_э= I_k1+ I_k2+I_c.

Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора

Поскольку ток стока I_c ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряжения U_з на затворе I_c = SU_з, определим ток IGBT транзистора

,

где =S/[1- ] – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.

Рис 6.12. Схема замещения ПТИЗс с вертикальным каналом (а) и его вольт-амперные (б) характеристики, схема замещения транзистора типа IGBT (в) и его вольт-амперные характеристики.

Очевидно, что при 1 эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора. На рис. 6.12г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP 402 получены значения крутизны 15А/В. Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами Т1 и Т2, включенными последовательно.

Рис. 6.13. Условное схематичное изображение транзистора БТИЗ (а)и его область безопасной работы(б).

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис.6.13. Это обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как ПТИЗ, а электроды коллектора и эммитера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобно ПТИЗ, т е, в ней отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13б приведены область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200В при длительности импульса 10мкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового, которое имеет значение 5…6В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5…1,0мкс.

1.10. Паразитные емкости и их влияние.

(хотя это время значительно меньше, чем у биполярного транзистора). В данной случае существование задержки обусловлено наличием паразитных емкостей. На рис.5.4 эти емкости условно показаны постоянными, чтобы не запутать читателя, когда речь пойдет о процессах переключения. На самом деле каждая емкость из нескольких более мелких с разным характером поведения. Кроме того, все эти емкости сильно зависят от напряжения между их «обкладками»: они велики при малых напряжениях и быстро уменьшаются при больших.

Чтобы гарантированно открыть транзистор, необходимо зарядить его входную емкость

до напряжения 10-12В Сделать этот процесс достаточно быстрым-задача непростая, поскольку в любом усилительном приборе будь то транзистор или электронная лампа, существует так называемый эффект Миллера. Производители транзисторов ведут борьбу с эффектом Миллера, так как подавление его оказывает самое сильное влияние на скорость переключения транзистора и в итоге на качество ключевого элемента. Знакомство с эффектом Миллер поможет лучше понять процессы, происходящие в транзисторе при управлении. Итак, наличие эффекта Миллера обуславливается существованием емкостью С_зс, которая является отрицательной обратной связью между входом и выходом транзистора. Сам прибор нужно рассматривать как усилительный каскад, выходной сигнал которого снимается с нагрузки в цепи стока. В таком каскаде выходной сигнал будет сдвинут по фазе относительно входного на 180. Обратная связь С_зс настолько сильно уменьшает амплитуду входного сигнала, что по отношению к нему входная емкость транзистора, обозначенная на рис. 5.5 кажется больше, чем она есть на самом деле: С_вх=С_зи+(1+К_у) С_зс, где К_у=SR_н – коэффициент усиления каскада; S – крутизна транзистора (величина, характеризующая полевой транзистор как усилительный элемент).

Простой расчет красноречиво свидетельствует о том, насколько неприятен эффект Миллера.

Мы видим, что эффект Миллера вполне способен уничтожить замечательные свойства полевого транзистора. К счастью, фирмы пpoизводители достигли больших успехов в снижении емкости С_зс, так что на сегодняшний день эффект Миллера не вызывает серьезных опасений. Тем не менее терять его из вида разработчику ни в коем случае нельзя.

Итак, рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе при его переключении. В этом нам поможет простая схема, изображенная на рис. 5.6.

Напряжение U_з, прикладываемое к затвору, имеет вид, изображен­ный на рис. 5.7. При подаче прямоугольного импульса от источника U_з, имеющего некоторое внутреннее сопротивление R_з, сначала про­исходит заряд емкости С_зи (участок «1» на рис. 5.7). Но транзистор в это время закрыт, — он начнет открываться только при достижении напряжения U_зи некоторого значения, называемого пороговым на­пряжением (U_gs(th) в обозначениях фирмы International Rectifier). Ти­пичное значение порогового напряжения 2.5 В. При достижении U_зи порогового уровня «срабатывает» эффект Миллера, входная ем­кость резко увеличивается, что иллюстрируется участком «2» (на рис. 5.7). Скорость открывания транзистора замедляется. «Медлен­ный» участок будет длиться до тех пор, пока транзистор полностью не откроется, то есть сопротивление открытого р-n перехода не достигнет значения R_ds(on). Обратная связь оборвется, транзистор потеряет свои усилительные свойства, и входная емкость снова станет равной С_зс(участок «3» на рис. 5.7). В результате на затворе установится напряжение U_з.

Источник