Зажим Бейкера — это общее название класса электронных схем, которые сокращают время хранения переключающего биполярного транзистора (BJT) за счет применения нелинейной отрицательной обратной связи через различные виды диодов . Причиной медленного выключения насыщенных биполярных транзисторов является накопленный заряд в базе. Его необходимо удалить до того, как транзистор выключится, поскольку время хранения является ограничивающим фактором использования биполярных транзисторов и IGBT в приложениях с быстрым переключением. Зажимы Бейкера на основе диода предотвращают насыщение транзистора и тем самым накопление большого количества накопленного заряда. [1]
Зажим Бейкера назван в честь Ричарда Х. Бейкера, который описал его в своем техническом отчете 1956 года «Схемы переключения транзисторов с максимальной эффективностью». [2] Бейкер назвал эту технику «обратным зажимом», но схема теперь называется зажимом Бейкера. Многие источники доверяют отчету Бейкера о схеме с двумя диодами. [3] [4] [5] Также в 1956 году Бейкер описал схему в заявке на патент; в патенте США 3,010,031, выданном в 1961 году [6], утверждается использование зажима в симметричных триггерных схемах.
Говорят, что подобные зажимные схемы были известны и до доклада Бейкера. Кюттяля заявляет: «Хотя изобретение схемы фиксации Бейкера приписывают Ричарду Х. Бейкеру (патент США 3 010 031), это уже было общеизвестно в 1953 году и описано в вводных статьях по транзисторам, написанных Ричардом Ф. Ши». [7] Однако в книге Ши по транзисторам 1953 года не описывается подобная схема фиксации. [8] В тексте Ши 1957 года описана схема зажима и есть ссылки на технический отчет Бейкера. [3]
Есть и другие схемы зажима. В руководстве 1959 года описан метод, называемый «фиксацией насыщения». [9] В этой схеме имеется источник питания ограничения насыщения напряжением около 2 В, подключенный к коллектору с помощью диода ограничения насыщения. Когда транзистор приближается к насыщению, фиксирующий диод включается и подает дополнительный ток коллектора, чтобы предотвратить насыщение транзистора. Источник питания ограничения насыщения должен обеспечивать значительный ток. [10] Напротив, зажим Бейкера уменьшает ток базы транзистора, а не увеличивает ток коллектора.
В другой схеме фиксации используется одиночный диодный зажим. [9] Он уменьшает базовый привод по мере приближения транзистора к насыщению, но использует сеть резисторного делителя.
Цепи фиксации также использовались для ускорения переходов отсечки. Когда транзистор закрыт, выходной сигнал аналогичен RC-цепи, которая экспоненциально затухает до своего конечного значения. По мере того как схема приближается к своему конечному значению, ток для зарядки конденсатора становится меньше, поэтому скорость приближения уменьшается. Для достижения 90 процентов конечного значения требуется около 2,3 постоянных времени. [11] Ограничение отсечки уменьшает размах выходного напряжения, но ускоряет переход. Уменьшение напряжения коллектора до 63 процентов от конечного значения позволяет увеличить скорость в два раза. [12]
Зажим Бейкера ограничивает разницу напряжений между эмиттером и коллектором, отводя ток базы через коллектор. Это вводит нелинейную отрицательную обратную связь в каскад с общим эмиттером (BJT-переключатель) с целью избежать насыщения за счет уменьшения усиления вблизи точки насыщения. Пока транзистор находится в активном режиме и находится достаточно далеко от точки насыщения, отрицательная обратная связь отключается и коэффициент усиления максимален; когда транзистор приближается к точке насыщения, постепенно включается отрицательная обратная связь, и коэффициент усиления быстро падает. Для уменьшения коэффициента усиления транзистор действует как шунтирующий стабилизатор по отношению к собственному переходу база-эмиттер: он отводит часть тока базы на землю, подключая стабильный по напряжению элемент параллельно переходу база-эмиттер.
Двухдиодная схема фиксации Бейкера показана на рисунке из патента Бейкера и во многих других публикациях. [9] Диод обратной связи (D1) между коллектором и входом ограничивает напряжение коллектора примерно до V BE , отводя чрезмерный входной ток через коллектор на землю. [13] Дополнительный кремниевый диод подключается последовательно с базовой клеммой для повышения эффективного входного напряжения; фиксирующий диод в обратной связи коллектор-база иногда изготавливается из германия, чтобы минимизировать падение напряжения на нем. [6] Базовый диод позволяет использовать кремниевый диодный ограничитель с кремниевым транзистором и удерживать напряжение V CE около падения напряжения на диоде, которое намного превышает значение V CE(sat) . К сожалению, он выключается и создает обратный путь с высоким импедансом при попытке выключить транзистор. Хотя базовый заряд был минимизирован, теперь стало труднее извлечь заряд из базы.
Второй базовый диод, подключенный антипараллельно базовому диоду (D 2 на схеме Бейкера), обеспечит обратный путь с низким импедансом для удаления накопленного базового заряда в транзисторе. Эту трехдиодную схему в некоторых источниках до сих пор называют зажимом Бейкера, [14] , в то время как другие называют только двухдиодную схему зажимом Бейкера. [15]
Простая альтернатива зажиму Бейкера — одиночный низковольтный диод от коллектора к базе. Для хорошей работы прямое падение напряжения на диоде должно быть меньше, чем падение база-эмиттер, поэтому германиевые диоды и диоды Шоттки с низким падением напряжения можно использовать с кремниевыми транзисторами (прямое падение напряжения на диоде Шоттки намного меньше, чем на диоде Шоттки). VBE напряжение смещения кремниевого транзистора и он быстро переключается). Альтернативная схема фиксации диода соединяет диод с соединением двух резисторов смещения базы. [9] Современное решение состоит в том, чтобы объединить комбинацию диода Шоттки и транзистора в один транзистор Шоттки . В некоторых источниках эту конфигурацию также называют зажимом Бейкера. [16]
Клеммы Бейкера также используются в силовых установках, и выбор диодов является важной проблемой при проектировании. [17]
Одним из недостатков клещей Бейкера является повышенный уровень низкого выходного напряжения (как в транзисторе Дарлингтона ). В логических схемах снижает помехоустойчивость; в силовых приложениях увеличивает рассеиваемую мощность.
Хотя изобретение схемы Бейкера-зажима приписывается Ричарду Х. Бейкеру (патент США 3 010 031), оно уже было общеизвестно в 1953 году и описано в вводных статьях по транзисторам, написанных Ричардом Ф. Ши.[ постоянная мертвая ссылка ]