В приведенной на рис.1.26,а схеме ключа индуктивный характер сопротивления коллекторной цепи определяется трансформаторной связью транзистора с сопротивлением нагрузки Rн.
При рассмотрении процессов в ключе будем считать транзистор безинерционным, а трансформатор представлять упрощенной эквивалентной схемой, в которой учитывается только индуктивность намагничивания Lm и приведенный к коллекторной обмотке ток нагрузки iн'. В результате эквивалентная схема коллекторной цепи будет иметь вид, показанный на рис.1.26,б.
Рис.1.26. Ключ с трансформатором - принципиальная схема (а) и эквивалентная схема коллекторной цепи (б).
При отключенном сопротивлении Rн переходные процессы, происходящие в схеме при воздействии прямоугольного импульса тока базы Iб1 различной длительности показаны на рис.1.27.
В момент времени to подачи входного сигнала (тока базы Iб1) ток коллектора iк удерживается индуктивностью Lm на нулевом уровне. Поэтому сразу же выполняется условие насыщения транзистора
b·Iб1 > iк, (1.56)
коллекторное напряжение падает до нуля, и к индуктивности прикладывается напряжение, равное ЭДС источника питания Ек.
Рис.1.27. Временные диаграммы работы ключа с индуктивной нагрузкой.
Напряжение на индуктивности определяет скорость изменения ее потокосцепления
, (1.57)
и в соответствии с кривой намагничивания (рис.1.28), скорость изменения тока im. В свою очередь это напряжение зависит от того, успевает или нет за время действия входного сигнала ток намагничивания и равный ему ток коллектора нарасти до значения, нарушающего условие (1.56) насыщения транзистора.
Если длительность входного сигнала tвх1 недостаточна для вывода транзистора из насыщения, то в течении этого времени коллекторное напряжение остается равным нулю (рис.1.27,а), а напряжение катушки равно ЭДС источника питания и определяет постоянную скорость изменения потокосцепления катушки
Y = Ек·t, (1.58)
Рис.1.28. Кривая намагничивания сердечника трансформатора.
При большой длительности входного сигнала tвх2 (рис.1.27,б) через время, равное tк, транзистор выходит из насыщения и стабилизирует ток коллекторной цепи на уровне b·Iб1. Дальнейшая неизменность тока намагничивания и потокосцепления катушки обуславливает скачкообразное изменение напряжения катушки до нуля, а коллекторного напряжения до величины ЭДС источника питания выходной цепи.
В момент t2 окончания входного импульса Iб1 все токи транзистора прекращаются, а ток намагничивания сердечника замыкается через цепь R3 - VD3, защищающую транзистор от пробоя. Величина сопротивления R3 этой цепи определяет форму обратного выброса напряжения на коллекторе. С ростом R3 амплитуда выброса растет, постоянная времени Lm/R3 падает, что приводит к ускорению рассеивания магнитной энергии сердечника и уменьшению длительности выброса.
Выход транзистора из насыщения в момент времени t1 (рис.1.27,б) делает неравными длительности входного сигнала (to-t2) и импульсного коллекторного напряжения (to-t1). Этому эффекту могут способствовать:
-увеличение длительности входного сигнала;
- уменьшение амплитуды входного тока Iб1;
- уменьшение сопротивления защитной цепи R3, влияющего на время восстановления магнитного состояния сердечника в паузе между импульсами базового тока при периодическом входном сигнале;
- рост частоты входного сигнала, уменьшающий длительность паузы, т.е. время, отводимое на восстановление исходного магнитного состояния сердечника. На рис.1.29 приведены выходные характеристики идеализированного транзистора, линия нагрузки Rн' и траектория движения изображающей точки при включении и выключении транзистора под воздействием импульса тока базы.
Рис.1.29. Траектория рабочей точки ключа с трансформатором.
Если ко вторичной обмотке трансформатора подключена нагрузка, то в эквивалентной схеме необходимо учесть включенное параллельно индуктивности приведенное к коллекторной обмотке сопротивление нагрузки и протекающий по нему ток (рис.1.26,б). Приведение осуществляется по формулам
Rн' = Rн / nн2, (1.59)
iн' = UL / Rн', (1.60)
где nн = Wн/Wк - коэффициент трансформации трансформатора.
На рис.1.30 приведена для этого случая картина переходных процессов, особенности которых сводятся к следующему.
Во время действия входного сигнала ток коллектора определяется суммой тока подмагничивания im и приведенного тока нагрузки iн':
iк = im + iн', (1.61)
Рис.1.30. Переходные процессы в схеме с натрузкой.
Выход транзистора из насыщения в схеме с нагрузкой происходит быстрее, чем в схеме, работающей на холостом ходу, что и приводит к зависимости длительности импульса коллекторного напряжения от сопротивления нагрузки Rн. После окончания входного сигнала ток намагничивания замыкается не только через R3, но и через сопротивление нагрузки. В результате уменьшается амплитуда и увеличивается длительность обратного выброса коллекторного напряжения.