Меню

Время нарастания тока транзистора

1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов

Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение характерного для каждого типа транзис­тора времени (рис.1.17).

Инерционность переходных процессов обусловлена инерционно­стью процессов изменения концентрации носителей электрических зарядов в структуре транзистора и наличием в ней внутренних (собственных) емкостей. Емкости, называемые иногда «паразитными», определяют быстродействие транзистора.

Ранее было показано, что на динамические режимы работы ключей влияют их быстродействие и параметры внешней цепи, в которой происходит коммутация. Рассмотрим процессы, обусловливающие быстродействие биполярных транзисто­ров как ключевых приборов. Для качественной оценки принимается допущение, что нагрузкой является активное сопротивление.

Включение биполярного транзистора. Предположим, что транзистор при t с идеально крутым фронтом.

Рис. 1.17. Динамические процессы в биполярном транзисторе:

а – схема замещения; б – диаграммы

Так как напряжение на входной емкости СВЕ не может измениться скачком, начинается процесс ее заряда до напряжения при котором увеличивается ток базового перехода транзис­тора (момент времени t1). Этот процесс определяется временем задержки на вклю­чение транзистора. В момент времени t = t2 заряд Q, в базовом переходе достигает граничного значения , соответствующего наступлению режима насыщения. При этом дальнейшее увеличение тока коллектора iс прекращается, а накопление избыточного заряда ΔQ в базе будет продолжаться до момента вре­мени t = t 3.

Время нарастания тока коллектора iС при iВ >> называют длитель­ностью фронта включения транзистора. Время включения транзистора tвкл состоит из времени задержки на включение и времени нарастания тока коллектора = + .

Если учесть инерционность, создаваемую выходной емкостью транзистора ССВ, окончательный спад напряжения иСЕ будет происходить несколько позже момента времени t2.

Выключение биполярного транзистора. Предположим, что в момент вре­мени t = t4 в базу насыщенного транзистора поступает отрицательный (запираю­щий) импульс тока iВ2. Под воздействием этого тока начинается интенсивное рас­сасывание избыточного заряда Q до значения Q = В момент времени t = t5 транзистор выходит из режима насыщения. Время рассасывания избыточного заряда соответствует времени задержки на выключение .

Общее время выключения транзистора tвыкл = выкл + , где — длитель­ность спада тока коллектора до наступления режима отсечки, т. е. длительность фронта выключения. Восстановление выходного напряжения закончится позже момента времени , когда ток станет равным нулю из-за наличия собственной выходной емкости транзистора .

Включение МОП- транзистора. Отсутствие явлений накопления и рассасыва­ния неосновных носителей заряда обусловливает высокое быстродействие поле­вых транзисторов. Однако из-за особенностей структуры МОП- транзисторов зна­чения межэлектродных емкостей в них больше, чем в биполярных. На рис. 1.18, а приведена схема замещения МОП- транзистора межэлектродными емкостями: СDS сток-исток, СDG сток-затвор, СDG затвор-исток.

Предположим что МОП- транзистор находится в состоянии отсечки (закрыт).В момент времени t = t (рис. 1.18, б) на его затвор подается сигнал управления от источника напряжения управления Uy внутренним сопротивлением Ry . Емкость входного конденсатора при условии, что Rу >> Rн, может быть определена по: + .

При достижении напряжением на затворе транзистора порогового значения в момент времени t = t1 транзистор выходит из режима отсечки и напряжение сток-исток уменьшается. Интервал времени tt1 соответствует времени задержки на включение транзистора вкл. В момент времени t = t2 напряжение увеличивается и приводит транзистор в открытое состояние. Этот интервал вре­мени соответствует длительности фронта включения транзистора .

Общее время включения транзистора составляет tвкл = вкл + . Очевидно, что при включении МОП- транзистора, главным фактором, определяющим его быстродействие, явля­ется скорость заряда входного конденсатора Сiss. При этом необходимо отметить, что при включении транзистора появляется ток обратной связи истока и затвора через емкость СGD. Этот ток, замыкающийся через цепь управления тран­зистором, повышает эффективность емкости , замедляя спад напряжения . Этот эффект называется эффектом Миллера, а емкость СGD — емкостью Мил­лера.

Рис. 1.18. Динамические процессы в МОП- транзисторе:

а – схема замещения; б – диаграммы напряжения

Скорость заряда емкости затвора определяется параметрами источника сиг­нала управления, поэтому в целях повышения быстродействия часто используют форсированное включение МОП- транзистора от источника тока на начальном интервале включения с последующим поддержанием необходимого сигнала управления от источника напряжения малой мощности.

Выключение МОП- транзистора. При скачкообразном снижении сигнала управления до нуля в момент времени t = t3 начинается выключение транзистора

( рис. 1.18, б). В начале процесса выключения на интервале задержки td выкл = t4t3 напряжение на затворе выше порогового значения напряжения . При этом напряжении транзистор переходит в активный режим и напряжение иDS практически не увеличивается. В момент времени t = t5 напряжение на затворе уменьшается до нуля и транзистор находится в режиме отсечки, т.е. в выключен­ном состоянии. Интервал времени t4t5 соответствует длительности фронта выключения транзистора . Общее время выключения tВЫКЛ = выкл + .

Динамические процессы МОПБТ. Быстродействие МОПБТ определяется тем, что они сочетают свойства биполярных и МОП- транзисторов. В начале включения переходные процессы МОПБТ и МОП- транзисторов сходны. На конечном интервале в переходном процессе МОПБТ начинают преобладать свойства биполярного транзистора. Это приводит к затягиванию спада напряжения между коллектором и эмиттером, так как переход биполярного транзистора из активного режима в насыщенный происходит более медленно. При выключении характер переходного процесса вначале сходен с процессом в полевом транзисторе, а на конечном интервале — с биполярным из-за накопления избыточных зарядов в одной из областей его структуры.

Источник

Что такое транзистор и как он работает?

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Читайте также:  Что такое инверсия тока

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Строение транзисторов

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Принцип работы

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Триод в режиме ключа

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

  • полевые;
  • биполярные;
  • комбинированные.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

  1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
  2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
  3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Полевые транзисторы Рис. 5. Полевые транзисторы Изображение полевого триода Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

  • биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
  • комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
  • лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
  • конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

VT величина термодинамического напряжения, Nn и Np концентрация соответственно электронов и дырок, а ni обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Принцип работы триода

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: Iк = ß*IБ, где ß коэффициент усиления по току, IБ ток базы.

Читайте также:  Тест коллекторные машины постоянного тока

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Схемы подключения биполярных триодов

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

  • низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
  • хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
  • высокое допустимое напряжение;
  • требуется два разных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

  • высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
  • низкие показатели усиления по мощности;
  • инверсией выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

Полевой транзистор с p-n переходом

  • большое входное и незначительное выходное сопротивление;
  • низкий коэффициент напряжения по усилению ( Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

  • с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
  • схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
  • с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Изображение схем подключения полевых триодов

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.

Видео, поясняющие принцип работы транзистора простым языком



Источник

Силовые транзисторы

date image2015-03-27
views image1394

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

В ряде случаев требуется иметь более высокие значения для коэффициента передачи тока транзистора и его входного сопротивления. В этом случае может быть полезна схема составного транзистора. При этом коэффициент передачи тока базы будет равен:

Рис. 35. Схема составного транзистора. b = b1+ b2 + b1b2.Если учесть, чтоb1 >> 1,и b2>> 1,то получимb » b1b2 Для получения максимального коэффициента b транзистор Т2 выбирают более мощным, с тем, чтобы его номинальный входной ток был равен выходному току транзистора Т1. Для получения максимального коэффициентаb транзистор Т2 выбирают более мощным,

с тем, чтобы его номинальный входной ток был равен выходному току транзистора Т1.

Коллекторные сопротивления составного транзистора меньше, чем сопротивление одного транзистора. Обратный ток коллектора становится несколько выше:

Составные транзисторы используются в схемах, где требуются повышенные значения входного сопротивления, коэффициентов усиления и пониженные значения выходного сопротивления.

По существу в составном транзисторе силовым является только транзистор Т2, т.к. ток его коллектора во много раз больше тока коллектора транзистора Т1 (отношение этих токов определяется коэффициентом β2).

Входное напряжение составного транзистора, обеспечивающее его включенное состояние (режим насыщения), больше соответствующего напряжения обычного транзистора, т.к. равно сумме входных напряжений двух транзисторов. Тем не менее оно остается достаточно малым (не более нескольких вольт).

Напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения составного транзистора также превышает соответствующее напряжение обычного транзистора. Причина в том, что по существу в режиме насыщения работает только транзистор Т1, а транзистор Т2 остается в активном режиме. Напряжение между коллектором и базой транзистора Т2 (т.е. напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Т1) остается положительным и в режиме насыщения транзистора Т1. Однако и для составного транзистора напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения невелико (обычно не более 2 В).

Составные транзисторы используются в схемах, где требуются повышенные значения входного сопротивления, коэффициентов усиления и пониженные значения выходного сопротивления.

Промышленность выпускает также силовые биполярные транзисторы. Они предназначены для управления большими токами (десятки ампер и более) и большими напряжениями( сотни вольт и более). Силовые транзисторы были разработаны вскоре после изобретения в 1948 г. биполярных транзисторов. В эту группу относят транзисторы с рассеиваемой коллекторной мощностью Рmax 1,5 Вт. Силовыми называют

Рис. 36. Структура одиночного силового транзистора приборы на токи 10А и более. Подавляющее большинство мощных транзисторов кремниевые, с планарной или мезапланарной структурой (рис. 36) На толстой сильнолегированной n + — подложке эпитаксиально выращен слаболегированный слой n-типа, в котором диффузией акцепторной примеси сформирован коллекторный p-n переход. С применением фотолитографии в оксиде, располо-

женном на р-слое, вскрыто окно, через которое проведена диффузия доноров, формирующих n-слой эмиттера Слой n-коллектора слаболегирован. Концентрация примеси в базе на 2 порядка выше. Коллекторный переход при обратном смещении расширяется в сторону коллектора, что предотвращает смыкание p-n переходов и обеспечивает высокое рабочее напряжение.

Мощные транзисторы работают преимущественно в режиме переключения, с быстрым переходом из закрытого состояния в открытое при большом коллекторном токе. При этом в коллекторе образуется значительный избыточный заряд дырок, что снижает быстродействие при закрытии транзистора.

Для улучшения свойств силовых транзисторов создают параллельную структуру из нескольких ячеек.

Основными параметрами являются:

1. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при заданных токах

2. Время нарастания, задержки, рассасывания и спада при заданных напряжениях и токах коллектора и базы.

Максимальные параметры: ток 300 А, напряжение 1400 В,

коэффициент = 5 — 10, время переключения — 2 — 5 мксек. Недостатком силовых биполярных транзисторов является низкий коэффициент передачи тока базы, что требует большого тока управления (десятки ампер). Из-за этого конструкция управляющего устройства получается нерациональной.

В схемах силовой электроники часто используют типовые узлы (фрагменты). Состоящие из некоторого количества соединенных определенным образом мощных приборов. Оказалось удобным размещать такие узлы в одном корпусе. Соответствующее устройство принято называть силовым модулем. Примером может служить модуль по схеме Дарлингтона (рис.37) В этом случае β достигает значения 100, упрощается схема устройства управления. Переходы транзисторов шунтированы резисторами,

Рис. 37. Составной транзистор: а — структура; б — электрическая схема

сформированными продольными участками р-базы. Эти резисторы увеличивают максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, уменьшают время включения. Диод D обеспечивает протекание тока по направлению от эмиттера к коллектору составного транзистора при запертых транзисторах. Это повышает рабочие напряжения, уменьшает температурную нестабильность. Недостатком является высокое остаточное напряжение открытого ключа.

С 1980 г. силовые транзисторы использовали в ключевом режиме в преобразователях. Силовые транзисторы обычно используются в тяжелых режимах работы, близких к предельным. При этом происходит выделение значительной мощности в области коллекторного перехода. Максимально допустимая температура обычно указывается в справочнике. Особенно большая мощность выделяется при работе транзистора в активном режиме, например, в усилителях мощности. При этом снижается КПД устройства и создаются проблемы с охлаждением транзистора.

Наиболее эффективным способом снижения мощности, выделяющейся в коллекторе, является использование транзистора в ключевом режиме. При этом транзистор значительную часть времени работает в режиме отсечки, и ток коллектора близок к нулю, или в режиме насыщения, когда напряжение между коллектором и эмиттером близко к нулю. Мощность в режиме отсечки значительно меньше мощности в режиме насыщения, поэтому ею часто пренебрегают. Увеличение выделяемой мощности происходит только в переходных режимах.

Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение определенного времени, что обусловлено инерционностью процессов изменения концентрации носителей зарядов и наличием в ней внутренних емкостей (рис. ). Предположим, что при t t транзистор находиться в режиме отсечки (выключен). При t = t в базу от источника управления поступает импульс тока, величина которого больше граничной (iB1 iD sat ) . Так как напряжение на входной емкости не может измениться скачком, начинается процесс ее заряда до напряжение UBE sat .при котором начинается рост тока базового перехода (момент времени t1 ). В момент времени t2 достигается режим насыщения, ток коллектора перестает расти, а в базе продолжает увеличиваться избыточный заряд до момента времени t3 . Таким образом, время включения транзистора состоит из времени задержки и времени нарастания тока коллектора

Рис. 38. Динамические процессы в биполярном транзисторе

Процесс выключения транзистора начинается в момент подачи на базу запирающего импульса тока iB2 (t4) . Под воздействием этого тока начинается процесс рассасывания избыточного заряда. В момент времени t5 транзистор выходит из режима насыщения и начинается спад коллекторного тока. Общее время выключения tвыкл = t d выкл. + tfi , где и tfi — длительность спада тока коллектора до наступления режима отсечки, т.е. длительность фронта выключения. Восстановление выходного напряжения закончится позже момента времени t6 , когда ток коллектор станет равным нулю из-за наличия собственной выходной емкости транзистор.

Рис. 39. Область безопасной работы транзистора

На рис. 39 представлена область безопасной работы (ОБР) транзистора при постоянном и импульсном токах различной длительности. Участок аб соответствкет предельному значению постоянного токк. Участок бв — ограничивает ОБР в соответствии с максимально допустимой мощностью потерь в приборе. Участок вг соответствует максимально допустимому значению напряжения коллектор-эмиттер. В импульсном режиме работы границы ОБР расширяются, чем короче импульс тем больше могут быть допустимый ток и мощность.

Динамические вольт-амперные характеристики транзистора зависят от коммутируемой нагрузки. При выключении активно-индуктивной нагрузки возможны перенапряжения на ключевом элементе. Для ограничения перенапряжений применяются цепи формирования траектории переключения (ЦФТП), которые в литературе иногда называт снабберами. Можно шунтировать нагрузку обратно смещенным диодом, шунитировать транзистор стабилитроном или диодом с последовательно включенным конденсатором.

Источник



Время нарастания тока транзистора

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя pn переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают pnp и npn типа. На рис. 1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис. 1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы:

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p— или n— слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис. 2.

Транзисторы npn типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов pnp типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
  2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:
  1. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК,IБ,UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.
  2. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы.

Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 2, а) представляет собой базовый ток

Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением:

где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Усиление с помощью транзистора. На рис. 3 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа npn. Принято данную схему называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы.

Входное напряжение UВХ, которое нужно усилить, подается от источника колебаний на участок база – эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника Е1, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток. Цепь коллектора питается от источника Е2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка RН.

Рис. 3. Схема включения транзистора в усилительный каскад (схема с общим эмиттером)

Источник