Podręcznik: Przebiegi czasowe

3. Przełączanie tranzystora bipolarnego

3.1. Przebiegi czasowe

Przełączanie tranzystora bipolarnego między stanem zatkania i nasycenia w konfiguracji WE (rys. 3.1) zachodzi najczęściej w warunkach, kiedy rezystancja w obwodzie wejściowym jest bardzo duża w porównaniu z rezystancją przewodzącego złącza emiterowego i bardzo mała w porównaniu z rezystancją tego złącza przy polaryzacji zaporowej w stanie ustalonym (tzw. przełączanie quasi-prądowe).

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 3.1 Trajektoria punktu pracy przy przełączaniu tranzystora w konfiguracji WE (wartości prądu bazy odczytane z charakterystyk statycznych są poprawne tylko w stanach ustalonych)

Przełączanie tranzystora w takich warunkach impulsem prostokątnym (dużym sygnałem) prowadzi do następujących przebiegów czasowych prądu bazy i kolektora oraz napięcia baza-emiter:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 3. 2 Charakterystyki czasowe dla przełączania tranzystora bipolarnego

Dla wyróżnionych chwil, którym przyporządkowano też punkty pracy wskazane na rys. Rtrajwe, charakterystyki czasowe można zilustrować rozkładami koncentracji nośników mniejszościowych w bazie tranzystora:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 3.3 Zmiany rozkładu koncentracji nośników mniejszościowych w bazie podczas przełączania tranzystora

Przebiegi czasowe prądu bazy i napięcia baza-emiter odpowiadają charakterystykom przełączania złącza p-n (rys. Rdtran). Impuls prądu kolektora jest opóźniony w stosunku do sygnału generatora e_g, a ponadto narasta i opada stopniowo.

Opóźnienie impulsu prądu kolektora w stosunku do czoła impulsu włączającego generatora, spowodowane jest skończonym czasem przeładowania pojemności złączowych emitera i kolektora prądem i_B. Czas opóźnienia Etede t_d można oszacować jako następującą stałą RC:

$t_{d}\approx R_{g}(C_{je}+C_{jc})ln(1+\frac{E_{R}}{E_{F}}).$

(3.1)

Dopiero po upływie tego czasu napięcie u_BE narasta do zera i nośniki wstrzykiwane do bazy zasilają prąd obcy kolektora.

Pozostałe parametry czasowe można wyznaczyć w oparciu o metodę ładunkową Emetlad której ideę przedstawiono dla przypadku przełączania złącza p-n. Ładunek zgromadzony w bazie na skutek wejścia tranzystora w stan nasycenia (rys. 3.3) uzależnia się od tzw. współczynnika przesterowania k_f:

$k_{f}=\frac{I_{BF}}{I_{Bs}}\approx \frac{\beta _{F}I_{BF}}{I_{Cm}},$

(3.2)

gdzie uwzględniono (rys. 3. 1):

Definiując zwrotny współczynnik przesterowania k_r:

$k_{r}=\frac{\beta _{F}I_{BR}}{I_{Cm}}.$

(3.3)

Czas narastania :i przyjmując 0.1 I_cm oraz 0.9 I_cm jako wartości rozgraniczające poszczególne fazy przełączania, można oszacować opóźnienia związane z przeładowaniem pojemności dyfuzyjnych wyróżnione na rys. 3. 1:

$t_{r}\approx \tau _{r}ln\frac{k_{f}-0.1}{k_{f}-0.9},$

(3.4)

odpowiada gromadzeniu nadmiarowych nośników głównie w bazie tranzystora, towarzyszącemu narastaniu napięcia polaryzacji przewodzenia złącza emiterowego i przełączeniu tranzystora w stan nasycenia.

Czas magazynowania :

$t_{s}\approx \tau _{s}ln\frac{k_{f}+k_{r}}{k_{r}+1},$

(3.5)

stanowi czas wychodzenia tranzystora ze stanu nasycenia, podczas którego usuwane są nośniki nadmiarowe z bazy przy przepływie prawie stałego prądu kolektora (określa opóźnienie początku opadania impulsu tego prądu w stosunku do momentu przełączenia wstecz prądu bazy).

Czas opadania :

$t_{f}\approx \tau _{r}ln\frac{k_{r}+1}{k_{r}+0.1},$

(3.6)

odpowiada usuwaniu nośników nadmiarowych z bazy do momentu zaniku polaryzacji przewodzenia złącza emiterowego (czyli do granicy stanu zatkania tranzystora).

W powyższych wzorach czas życia nośników w bazie t_r oraz stałą czasową magazynowania t_s można wyznaczyć na podstawie czasu przelotu nośników t_F i inwersyjnego czasu przelotu t_R:

$\tau _{r}=\beta _{F}t_{F},\: \: \: \tau _{s}\frac{\alpha _{F}(t_{F}+\alpha _{R}t_{R})}{1-\alpha _{F}\alpha _{R}}.$

(3.7)

Do opisu opóźnień związanych z impulsem prądu kolektora stosuje się także:

czas włączania:

$t_{ON}=t_{d}+t_{r},$

(3.8)

czas wyłączania:

$t_{OFF}=t_{s}+t_{f}.$

(3.9)