Транзисторы для начинающих
Безопасная зона работы
Ток коллектора
В начале вопрос: может ли быть ток коллектора бесконечно большим? Теоретически, увеличением тока базы, вы можете свободно увеличивать ток коллектора.
Тем не менее, в той или иной схеме максимальный ток коллектора транзистора только в состоянии насыщении и, главное, не определяется транзистором, а только напряжением питания и сопротивлением нагрузки. При снижении сопротивления нагрузки увеличивается ток.
Как вы догадались, этот ток нельзя увеличивать произвольно. Каждый транзистор имеет максимальный ток коллектора, обозначается в каталогах производителей — ICmax.
Значение этого тока, зависит от конструкций и толщины переходов транзистора.
При протекании тока через сопротивление, выделяется тепло. Вы наверное, догадываетесь, или, может быть, вы видели своими глазами, что связи между слоями кремния транзистора и проводники сделаны из тонкой проволоки. Хотя ее часто делают из золотой проволоки, они при избыточном токе ведут себя как самые обычные предохранители – разогреваются и перегорают.
Не только проводники. Кремниевая структура транзистора так же имеет не большие геометрические размеры. Если пропустить большой ток через эту структуру имеющую малое сечение, мы получим, ток очень большой плотности. Не забывайте, мы имеем дело с чувствительной структурой полупроводника и чрезмерное увеличение плотности тока приводит не только к повышению температуры, а также целый ряд других негативных явлений. Я буду говорить только об уменьшении коэффициента усиления по току (β) с ростом тока коллектора.
Таким образом. Ограничение коллекторного тока производителем обосновано допустимой плотностью тока, и температурой плавления структуры, вы не можете ее превышать.
Если вы думаете о мгновениях, то можно придти к выводу, что если транзистор будет работать в импульсном режиме, открылся, пропустил ток только на короткое мгновение, за это мгновение структура не успевает разогреться и расплавиться. Таким образом, ток в импульсе может быть и больше максимальной ток в не прерывном режиме.
Вы правы! В каталогах часто приводят максимальном токе коллектора при непрерывной работе и максимальный ток коллектора для импульса. Вы можете это увидеть в характеристиках силового транзистора.
Но сейчас, мы не будем связываться с этим вопросом. Как вы думаете или если не превышать ток Icmax каталога, и напряжения UCEmax, ваш транзистор не находится в опасности?
Рассеиваемая мощность
Мы начинаем обсуждать важную и, как выясняется – трудную тему. Но вы должны понять ее! Самую сложную информацию я дам вам в следующем месяце, а сейчас все элементарно.
Наверное, вы слышали такой термин: мощность транзистора.
Что такое мощность транзистора? И что такое общая мощность?
Термин мощность относиться ко многим устройствам:
Двигатель имеет мощность 100 Вт,
Электрический обогреватель имеет мощность до 2000 Вт,
Паяльник 40 Вт,
У нас есть две лампочки в 60 Вт, одна на 220 Вольт, другая на автомобильные 12 Вольт.
Все эти машины используют электроэнергию от источника и конвертируют ее в другие формы энергии: тепло в механическую энергию (двигатель) энергию света (лампа).
Чем больше мощность, тем больше энергии потребляет в каждый момент это устройство. Обе эти лампы потребляют ту же мощность 60 Вт. В чем разница? Конечно, что одна работает при напряжении 12 вольт и потребляет 5 ампер тока (12Вх5A=60W) а другая, которая работает при напряжении 220 В, потребляет немного больше чем 0,27 ампер (что также дает 220×0,27=60 Вт).
Таким образом, одни и те же мощности могут быть достигнуты с различными токами и напряжениями. Вот простые формулы, необходимые для расчета мощности. Я беру электрические оборудование, работающего на постоянном токе (переменный ток работающий на активное сопротивление). Запомните раз и навсегда:
Возвращаясь к вопросу о мощности транзистора: это мощность, рассеиваемая нагрузкой? Может мощность, рассеиваемая транзистором? Или, может быть даже что-то еще? Ранее я объяснил вам, что коллекторная цепь – это регулируемый источник тока, а не переменный резистор, однако это не меняет тот факт что, когда через структуру транзистора будет течь ток будут потери мощности на тепло. Величина этих потер, определяется по формуле: P UCE IC Где Uce это напряжение между коллектором и эмиттером, Ic – ток коллектора. Строго говоря, мы должны так взять во внимание потери мощности в базовой цепи Ube*Ib, но так как эта мощность очень маленькая, по сравнению с мощностью рассеваемой на коллекторе, она не учитывается.
И что происходит дальше с этим теплом? Если оно остается в транзисторе?
Ни в коем случае! У вас нет ни каких сомнений, что если транзистор не будет хорошо термоизолирован от окружающей среды, это выделяемое тепло приведет к повышению температуры. И это вредное тепло необходимо рассеять во внешней среде. Смотри рисунок 43.
Тут работает простой принцип: тепло передается от горящего к холодному.
Вы уже знаете, что такое потери мощности транзистора. Но именно здесь, кроиться кардинальная ошибка начинающих. Они рассуждают следующим образом: если транзистор может работать при максимальном напряжении коллектора UCE0 и максимальном токе коллектора Icmax, максимальная «мощность транзистора» равна Р = UCE0 × ICmax.
Это абсолютная ерунда, нельзя так просто рассчитать мощность. Посмотрите в каталог любого транзистора и найдите там его мощность, она обозначается Ptot. Запомните раз и навсегда: общая мощность транзистора всегда меньше чем произведение Р = UCE0 × ICmax.
А теперь вычислите. Какая мощность рассеивается на транзисторе, а какая на нагрузке схем на рисунке 44. Возьмем схему 44а, сначала рассчитаем напряжение на резисторе, потом на транзисторе, а потом обе мощности. Напряжение на резисторе: 
Мощность рассеиваемая на резисторе: 
(То же самое можно вычислить по формуле ) Напряжение на транзисторе: 
Мощность рассеиваемая на транзисторе: 
Для других схем на рисунке 44, рассчитайте самостоятельно.
Как вы можете видеть, расчеты совсем не сложные. Таким образом, мы идем дальше. Вы уже знаете три условия работы транзистора:
1 Напряжение питания не должно быть больше, чем указанное в каталоге напряжение UCE0. Самое высокое напряжение присутствует на коллекторе транзистора в состоянии отсечки.
2 Ток коллектора не может быть больше, чем ICmax. Самый большой ток протекает через транзистор в состоянии насыщения.
3 Рассеиваемая мощность транзистора, ни при каких обстоятельствах не превышает допустимую Ptot.
Рассмотрим эти три ограничений на примере транзистора с параметрами (UCE0 = 25В, ICmax = 100mA, Ptot = 500 мВт) смотри рисунок 45. Если напряжение и ток на графике это прямые лини, тогда линия, представляющая мощность Р = U × I) будет иметь вид гиперболы, как это показано на рисунке 45. Однако если ток и напряжение отложить на логарифмических шкалах, то кривая мощности станет прямой. Что видно на рисунке 46. Тут нет никакого мошенничества — рисунки 45 и 46 показывают одни и те же значения, но не много по разному: в линейном масштабе, и в логарифмическом. В каталогах приводятся характеристики похожие на рисунок 46. На Рисунке 47 вы можете найти копии конкретных характеристик транзисторов BD243 и BD244, взятых из каталога. Тут для вас есть масса информации, если транзистор будет работать в импульсном режиме, то мгновенный ток и мгновенную мощность можно будет взять больше чем при постоянной работе. Заметим, однако, что характеристика на рисунке 47 имеет еще одно ограничение по сравнению с рисунком 46. Это «отсечение», что является дополнительным ограничением, связанным с явлением так называемого вторичного пробоя (второй пробой). Появление вторичного пробоя приводит к повреждению транзистора. Подробнее об этом можно найти в книгах. Я не буду сейчас объяснять, потому что это сейчас не нужно. В любом случае, у нас есть еще одно ограничение.
В любом случае, мы достигли пиковой точки нашего сегодняшнего обсуждения: проектируемая схема должны вписываться в безопасную рабочую область транзистора. В каталогах она часто обозначается SOAR или SOA. Это сокращение от английского область безопасной работы (Area). Рисунок 47 показывает безопасную рабочую область для транзистора BD243 и BD244.
Строго говоря, при проектировании схемы вы должны найти график показывающий область безопасной работы транзистора (такой, как на рисунке 47), выполнять расчеты, или выбрать на графике ток транзистора и убедиться что мощность находиться в разрешенной зоне. Примеры, которые мы обсуждали несколько минут назад это простейшие случай – транзистор работает на активное сопротивление нагрузки. Во многих схемах, дело обстоит сложнее. Так, например, транзисторы в усилителе мощности выходного каскада также должны работать в безопасной зоне работы при любых условиях — даже в случае короткого замыкания на выходе, подключении к емкостной нагрузкой (длинный кабель) или индуктивной (динамик). В базовый курс мы не будет иметь дело с такими расчетами. Я просто хочу, чтобы указать, на проблему, а вы получите для себя со временем достаточно знаний, чтобы справиться с более сложными задачами.
На данный момент, вы можете придерживаться простого правила: используйте транзисторы с параметрами выше необходимого минимума. На практике, как правило, для безопасной работы используют транзисторы с параметрами на 50…100% выше, чем расчетные, напряжение, ток, мощность. Тогда у нас есть запас прочности, и не придется беспокоиться о надежности. Использование транзисторов «больше и сильнее» также выгодно по ряду других причин при возможной небольшая разнице в цене, которая не имеет значения. Но не подобает использовать силовые транзисторы и транзисторы высокого напряжения, там где это не нужно.
Казалось бы, что все просто и легко, при выборе условий работы транзистора (напряжение питания и сопротивление нагрузки) и можете сами установить транзистор в разрешенный диапазон. Действительно учесть напряжение и максимальный ток, это просто, но потери мощности определить не так просто. На кону здесь два важных вопроса вы должны понять:
— Зависимость потерь мощности от напряжения питания и сопротивления нагрузки,
— Вопрос отвода тепла от транзистора.
Сегодня мы ответим только на первый вопрос.
Часто, не требуется считать потери мощности указанным выше способом. На практике, как правило, нас интересует самый худший случай. Если рассчитать потери мощности в худшем случае нет необходимости проводить дальнейшие расчеты.
Рисунок 48 помогает понять, что я имею в виду, говоря о худшем случае. Транзистор работает с сопротивлением нагрузки RL при постоянном напряжении питания (в данном случае, RL = 250 Ом, Usup = 20В).
Рисунок 48b относится к принципиальной схеме, показанной на рис 48а, но очень похожая ситуация в схеме, показанной на рисунке 48c. Идя дальше, мы можем расширить вопрос: интегральная схема состоит из транзисторов, аналогичные расчеты применяются к интегральных схемам, в частности к стабилизаторам. Пример 48d. Во всех случаях (рис. 48а, 48с, 48d) напряжение транзистора UT, напряжения на нагрузке UL.
Что можно понять из того рисунка?
Рисунок 48b это то же самое что и на рисунке 44г. Когда нет базового тока, то нет и коллекторного тока и напряжение на коллекторе равно напряжению питания. Когда вы пустите ток в базу, и начнете его увеличивать, увеличиться ток коллектора а напряжение на нем уменьшиться. Зная напряжение питания и сопротивление нагрузки RL можно выполнять вычисления для нескольких или нескольких десятков значений напряжения UT. Вы можете рассчитывать не только ток коллектора, но и мощность, рассеиваемая на нагрузке, и на транзисторе для различных напряжений коллектора (т.е. различных токах базы). По этим значениям можно построит график такой как на рисунке 48г.
На этом рисунке синей линей я изобразил зависимость тока от напряжения Uсе (напряжение на транзисторе), шкала тока находиться слева. Здесь простая нагрузка Rl. Красная линия – потери мощности на транзисторе. Фиолетовая, какая мощность рассеивается на нагрузочном резисторе. (Внимание! Шкала мощности нарисована справа).
Примечание: в отсутствие тока базы и тока коллектора, потери мощности транзистора равны нулю, потому что P = Usup × 0. На рисунке 48б показана точка А. Очевидно в состоянии отсечки ток не течет, и нет потери мощности на транзистор и на нагрузке.
Теперь обратите внимание на то, что происходит в состоянии насыщения – посмотрите на точку B. Хотя сейчас ток очень большой, но напряжение на транзисторе очень мало (Ucesat напряжения насыщения десятки или сотни милливольт). Таким образом, рассеивание тепла в режиме насыщения транзистора мало, можно сказать, близко к нулю, потому что P = Ucesat × I. Вы удивлены?
Оказалось, что в состоянии насыщения, когда ток самый большой, рассеиваемая мощность транзистора практически равна нулю! Да, это так! Высокая мощность (P = Usup × I) рассеивается, на сопротивлении нагрузки, а не на транзисторе. Короче говоря, если транзистор работает как переключатель, во время открытия и насыщения он выделяет очень мало тепла. Прямо сейчас вы должны знать, что потери при импульсе будут только на короткое время переключения. К этой проблеме мы еще вернемся. В настоящее время нас интересует работа в линейном режиме.
Как вы можете видеть на рисунке 48b, сама большая мощность рассеивается на транзисторе когда напряжение на коллекторе равно половине напряжения питания. И это тот самый худший случай, о котором я упоминал. Худший, так как потери мощности на транзисторе самые большие. На рисунке 48б это показано точкой С.
Как вы можете видеть, потери мощности на транзисторе при этом равна потери мощности на нагрузке. Если это так, то максимальная рассеиваемая мощность, при каких пропорциях, может быть рассчитана очень просто: потому что в худшем случае рассеиваемая мощность транзистора равна рассеиваемой мощности на сопротивлении нагрузки RL. Тогда значение напряжения делим на две равные части и считаем 
Это расчетная мощность, очевидно, не может быть больше чем указанная в каталоге мощность транзистора Ptot.
Эта формула позволяет вычислить минимальное сопротивление нагрузки для данного напряжения питания и мощности из каталога: 
По ней также можно рассчитать максимальное напряжение для данного сопротивления нагрузки и выбранной мощности 
Вы можете не быть орлом в математике, но эти формулы нужно запомнить или записать себе на видном месте.
Можно спросить, как эти расчеты соотнести с кривой допустимой мощности рассеивания на рисунках 45 и 46?
Это интересный вопрос!
Давайте посмотрим вместе, смогут ли наши транзисторы с характеристиками на рисунках 45 и 46 работать в схеме, показанной на рисунке 48а при напряжении 25В с сопротивлением нагрузки 250Ω, где напряжение на транзисторе может плавно изменяться от нуля до полного напряжения?
Рассчитаем потери мощности в худшем случае: 
Потому что во время работы может возникнуть самая тяжелая ситуация, и наш транзистор будет перегружен. Но если он будет работать в ключевом режиме, т.е. находиться в одном из двух состояний: отсечки или насыщения. Так как в обоих этих условиях мощность, рассеиваемая на транзисторе равна или близка к нулю, насколько это возможно. И нам не нужно, прибегать в расчетах к наихудшему случаю, потому что в схемах переключения такое состояние не встречается.
Возвращаясь к рисунку 45, можно сказать, что мы не превысили допустимые потери мощности, и наша нагрузка находиться в безопасной рабочей области транзистора. Некоторые примеры можно найти на рисунке 49 при простой нагрузке для различных напряжений питания и различные сопротивлений.
На рисунке 49 нагрузка показана прямой линией. Попробуйте самостоятельно построить подобных линий на рисунках 46 и 47. Будет ли это легко? Проверьте, построив несколько точек.
В реальной схеме транзистор будет работать при напряжениях Usup гораздо меньше, чем допустимо напряжения UCE0, и сопротивление нагрузки в коллекторе будет ограничивать максимальный ток до величины, значительно меньше, чем ICmax. Как я уже сказал, нормальный запас здесь 50 .. 100%. А теперь поупражняйтесь самостоятельно.
Задача 1
Транзистор имеет следующие параметры: UCE0=25V, ICmax=300mA, Ptot=100mW. Дорисуйте на рисунке 50 кривые максимальной выходной мощности 100 мВт. Рассчитайте максимально мощность (в худшем случае) при условии транзистора в следующих условиях:
1.Uzas = 10V, RL = 1kΩ
2.Uzas = 25V, RL = 390Ω
3.Uzas = 9V, RL = 51Ω
4.Uzas = 25V, RL = 100Ω
Отметьте эти случаи на рисунке 50. Может ли транзистор может работать при таких условиях?
Задача 2
Транзистор с параметрами как в предыдущей задаче, вычислите минимальное сопротивление в цепи на рисунке 51. И в какой пропорции будет выделяться мощность на транзисторе и его нагрузке в состоянии насыщения?
Задача 3
В схеме на рисунке 52 мы хотим использовать транзистор со следующими параметрами: UCE0 = 45В, ICmax = 500mA, Ptot = 300 мВт. Рассчитать, при каком напряжении питания он не будет перегружен.
Задача 4
Транзистор T1 схемы стабилизатора показаной на рисунке 53 имеет следующие параметры: UCE0 = 50В, ICmax = 100mA, Ptot = 300 мВт. Рассчитать максимальный ток транзистора, когда напряжение стабилизации равно 5В. Выполнить расчеты для двух напряжений питания:
а) за счет напряжения питания = 25В
б) за счет напряжения питания = 7В
Если вы думаете, что вы знаете все рассеиваемой мощности транзистора, я вас расстрою. Все наши соображения относятся только к маломощным транзисторам, для них этого достаточно. Но для мощных транзисторов необходимо учитывать дополнительные факторы. Указанная в справочнике мощность Ptot тесно связана с температурой кристалла и эффективности отвода тепла. Этот важный вопрос будет в следующем месяце.
Piotr Górecki
30 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/98
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор, определение и типы
Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).
Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:
- n-p-n;
- p-n-p.
Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.
Области использования биполярных транзисторов:
- в линейных стабилизаторах напряжения;
- в усилительных каскадах электронных схем;
- в генераторных устройствах;
- в качестве ключевого элемента;
- в качестве элемента логических схем;
- и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.
Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.
Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.
Рисунок BJT.1 – Условное обозначение n-p-n и p-n-p транзистора
Классификация биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:
- рабочая частота;
- рассеиваемая мощность;
- структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
- и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.
Основные схемы включения биполярного транзистора
Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:
- схема с общим эмиттером;
- схема с общей базой;
- эмиттерный повторитель.
Рисунок BJT.2 — Основные способы включения биполярного транзистора: а — схема с общим эмиттером; б — схема с общей базой; в — эмиттерный повторитель
Схема с общим эмиттером
Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер IB (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер IC (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером hFE:
Еще hFE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.
Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.
Рисунок BJT.3 — Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером
Схема с общей базой
Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).
Рисунок BJT.4 — Схема включения биполярного транзистора с общей базой
Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера IE коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:
Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:
1
где hFE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.
Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы Rin, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода
где:
VBE – напряжение база-эмиттер
Соответственно ток базы мал и равен:
Эмиттерный повторитель
Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.
Рисунок BJT.5 — Эмиттерный повторитель
Усиление достигается только по току:
Соответственно входное сопротивление повторителя равно:
где:
hFE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;
Rload – сопротивление нагрузки.
В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):
Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора
Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению hFE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).
Рисунок BJT.6. Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: а) входные характеристики; б) выходные характеристики
Основные параметры биполярного транзистора
- Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) VCEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
- Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) VCBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
- Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) IC – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
- Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) VEBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
- Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) ICEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
- Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) IBL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
- Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) hFE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
- Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) VCE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
- Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) VBE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
- Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) fT – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
- Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) CCBO – емкость коллекторного перехода.
- Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) CEBO – емкость эмиттерного перехода.
- Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
- Время задержки включения (Delay Time) td — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
- Время задержки выключения (Storage Time) ts — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
- Время включения (Rise Time) tr — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
- Время включения (Fall Time) tf — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
- Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) PD – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
- Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
- Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
- Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.
Комплементарность транзисторов
В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.
| n-p-n | p-n-p |
|---|---|
| КТ3102 | КТ3107 |
| 2N3904 | 2N3906 |
| BC237 (238,239) | BC307 (308,309) |
| 2N4401 | 2N4403 |
| 2N2222A | 2N2907 (* почти) |
| 2N6016 | 2N6015 |
| 2N6014 | 2N6013 |
| BC556 (557, 558, 559, 560) |
BC546 (547,548, 549, 550) |
Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].
Измерение коэффициента усиления по току
Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения hFE.
Составной транзистор
Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.
Рисунок BJT.7 — Составные транзисторы Дарлингтона и Шиклаи
В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.
Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.
Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.
Расчет схемы Дарлингтона
- Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
- Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока hFE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
- В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2:
- В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
- Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.
Выведем выражение для расчета:
Сопротивление резистора следует из выражения:
Ток эмиттера первого транзистора:
Отсюда:
Проводим ряд преобразований:
где:
hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;
hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;
VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;
R – сопротивление резистора;
IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);
IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).
Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:
Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.
Расчет схемы Шиклаи
- Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
- В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2:
- В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
- Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.
Выведем выражение для расчета:
Сопротивление резистора следует из выражения:
Ток коллектора первого транзистора:
Отсюда:
где:
hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;
hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;
VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;
R – сопротивление резистора;
IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);
IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).
Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:
Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.
Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.
9 часов назад, BAFI сказал:
Все параметры на один листик и влезут ) включая график — который вас интересует
2 часа назад, J_Ohm сказал:
Очередная теория заговора
Есть параметры, точнее особенности, присущие конкретной детали конкретного производителя, которые «из скромности» не указал ни на одном листочке, ни на двух.
Но эта особенность, на стадии испытания, приводит к неприятным эффектам.
Так обычная мс стабилизатора на минусовой температуре превращалась в генератор, и это при соблюдении всех требований по емкостям и монтажу.
По моему где то тут, я предложил поменять мс на мс другого производителя и проблема ушла.
И это нигде в документации никак не отражено.
Подобных историй, у разработчиков устройств, полно.
Необходимые данные
для расчета режима транзистора приведены
в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Данные
для расчета
|
№ варианта |
Параметры |
|
|
Rн, |
Uвых, |
|
|
08 |
150 |
3 |
С
хема
усилительного каскада с ОЭ приведена
на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1. Схема
усилительного каскада с ОЭ.
Произведем
необходимые расчеты для выбора
транзистора:
-
предельно
допустимого напряжения коллектор-эмиттер
,
-
предельно
допустимого тока коллектора
Отсюда максимальное
напряжение коллектор-эмиттер
В,
максимальный ток
коллектора
А.
Следовательно,
выбираем для усилителя транзистор
КТ603Б, справочные данные которого
приведены в Приложении 1.
Определим
координаты рабочей точки (
)
и требуемое напряжение источника питания
.
Нагрузки
рассматриваемого каскада по постоянному
и переменному току определяются как:
При отсутствии в
справочных данных ВАХ БТ, координаты
рабочей точки могут быть определены
как:
,
где
— напряжение нелинейного участка выходных
статических ВАХ транзистора,
;
Постоянная мощность,
рассеиваемая на коллекторе, не должна
превышать предельного значения, взятого
из справочных данных на транзистор.
Напряжение питания
усилителя найдем из формулы:
.
Откуда следует,
что напряжение питания должно быть не
менее
и не более предельного
значения напряжения коллектор-эмиттер
для выбранного транзистора – 30 В.
С учетом запаса
по напряжению выберем из стандартизированного
рекомендованного ряда Ек=15
В.
Проиллюстрируем
процесс определения координат рабочей
точки при выбранном напряжении питания,
путем построения входных и выходных
динамических характеристик (рисунок
2.2).
П
остроим
на выходной статической характеристике
линию, которая будет характеризовать
ток коллектора в зависимости от
изменяющегося коллекторного напряжения.
Такую линию называют нагрузочной
(динамической) выходной или рабочей
характеристикой транзистора. Для ее
построения предположим вначале, что
транзистор заперт и ток коллектора
равен нулю. В этом случае напряжение на
коллекторе равно напряжению источника
питания, т.к. падение на нагрузкеRк
отсутствует. На оси напряжений Uкэ
найдем точку, соответствующую Ек. Теперь
найдем вторую крайнюю точку динамической
характеристики из предположения, что
напряжение на коллекторе равно нулю,
т.е. транзистор замкнут накоротко. В
этом случае ток коллектора Iк=Eк/Rк.
Таким образом, получили две крайние
точки выходной динамической характеристики.
Остальные точки лежат на прямой,
соединяющей их.
Рисунок 2.2 Определение
рабочей точки для каскада с ОЭ
Находим точки
пересечения выходной динамической
характеристики со статическими
характеристиками при различных токах
базы. Затем определяем соответствующие
напряжения коллектора этих точек и
строим по входной статической
характеристике Iб(Uкэ)
точки динамической входной характеристики.
Коллекторное
напряжение слабо влияет на входной ток,
поэтому обычно ограничиваются двумя
входными статическими характеристиками,
при Uкэ=0
и Uкэ
>0 В. При
определении рабочей точки можно считать,
что входная динамическая характеристика
совпадает по форме с входной статической
характеристикой для данного транзистора
при напряжении коллектор-эмиттер равным
10 В.
Н
а
рисунке 2.3 на статических характеристиках
транзистора КТ603Б, взятых из справочника,
показано положение рабочей точки.
Рисунок
2.3 Определение рабочей точки для
транзистора КТ603Б
Таким образом,
определяем:
Iк0=
55 мА, Iб0=
0,55 мА, Uбэ0=0,92
В.
По справочным
данным на транзистор определим параметры
элементов упрощенной физической
Т-образной малосигнальной эквивалентной
схемы БТ, которая показана на рисунке
2.4.
Рисунок 2.4 Эквивалентная
схема биполярного транзистора
Параметры элементов
определяются на основе справочных
данных следующим образом:
объемное
сопротивление базы
,
где
— постоянная времени цепи внутренней
обратной связи в транзисторе на ВЧ;
активное
сопротивление эмиттера
0,46
Ом,
где Iэ=Iк+Iб
= 55,55 мА ;
диффузионная
емкость эмиттера
933
пФ,
где
— граничная частота усиления по току
транзистора с ОЭ,
МГц;
r
=(0,5…1,5) Ом;
Таким образом,
параметры эквивалентной схемы биполярного
транзистора полностью определяются
справочными данными
и режимом работы.
В выбранной
рабочей точке рассчитаем значения
низкочастотных Y-параметров
транзистора
и
,
и постоянной времени крутизны транзистора
.
Приближенные
выражения для низкочастотных значений
Y-параметров
биполярного транзистора, включенного
по схеме с ОЭ:
Постоянная времени
крутизны транзистора
:
.
В диапазоне
температур окружающей среды (+20…+50)С
рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора
без мер термостабилизации. Определим,
как изменится входная проводимость
транзистораg
и крутизна
при данном изменении тока коллектора.
Существуют три
основных фактора, влияющих на изменении
под действием температуры: при увеличении
температуры, во-первых, увеличивается
напряжение
,
во-вторых, обратный ток коллекторного
перехода
,
и, в третьих, возрастает коэффициент
.
Для анализа реальный
транзистор можно представить в виде
идеального, у которого параметры не
зависят от температуры, а
температурную
зависимость смоделировать включением
внешних
источников
напряжения и тока (рисунок 2.5).
Рисунок
2.5 Тепловая модель биполярного транзистора
Рассмотрим влияние
этих факторов на приращение тока
коллектора
.
Начнем с влияния изменения
,
вызванного тепловым смещением проходных
характеристик
,
обозначив при этом приращение тока
коллектора как
:
мА=2,4·10-3
А,
где
— приращение напряжения
,
равное:
|
|
= 3·
9,25 = 27,25 мВ,
где 
—
температурный коэффициент напряжения
(ТКН),
-3мВ/град.,
Т
— разность между температурой коллекторного
перехода
и справочным значением этой температуры
(обычно
25
C):
0С,
где
0С,
где
и
соответственно, мощность, рассеиваемая
на коллекторном переходе в статическом
режиме, и тепловое сопротивление
“переход-среда”:
Вт = 385 мВт,
град/мВт.
Определяем
приращение тока коллектора
,
вызванного изменением обратного
(неуправляемого) тока коллектора
:
А,
где приращение
обратного тока
равно:
А,
где
— коэффициент показателя, для кремниевых
транзисторов =0,13.
Приращение
коллекторного тока, вызванного изменением
,
определяется соотношением:
А,
где
,
при
отн. ед./град.
Полагая, что все
факторы действуют независимо друг от
друга, запишем:
А.
Учитывая, что
увеличение rб иrэ
с повышением температуры незначительно
(до 3%) и принимая при этом
Н21э=(Iк0+ΔIк0)/Iб=
109,
определим
значения входной проводимости транзистора
gи крутизны
.
Нарисуем схему
усилительного каскада с ОЭ со стабилизацией
фиксированием тока базы (рисунок 2.6) и
рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора
для данной схемы термостабилизации.
Определим, как изменится при этом
входная проводимость транзистораg
и крутизна
.
Рисунок 2.6 Каскад
с фиксацией тока базы
определяется
соотношением:
=25600
Ом,
т.к.
.
Коэффициенты
термостабилизации для этой схемы таковы:
,
.
Отсюда видно, что
данная схема имеет малую эффективность
термостабилизации (
).
Выражение для
термостабилизированного каскада:
.
Обычно
,
что обусловлено одинаковым влиянием
на
и
элементов схем термостабилизации:
.
Тогда,
А.
Учитывая, что
Н21э=(Iк0+ΔIк0)/Iб=
105,
определим
значения входной проводимости транзистора
gи крутизны
.
Нарисуем схему
усилительного каскада с ОЭ и коллекторной
термостабилизацией (рисунок 2.7).
Рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора
для данной схемы термостабилизации.
Определим, как изменится при этом
входная проводимость транзистораg
и крутизна
.
Рисунок 2.7
Каскад с коллекторной термостабилизацией
и его варианты
определяется
соотношением:
Ом,
т.к.
.
Коэффициенты
термостабилизации для этой схемы:
,
.
Из этих формул
видно, что данная схема имеет лучшую
термостабильность (
и
меньше единицы), чем схема с фиксированным
током базы.
Тогда,
.
Учитывая,
что
Н21э=(Iк0+ΔIк0)/Iб=
102,
определим
значения входной проводимости транзистора
gи крутизны
.
Нарисуем схему
усилительного каскада с ОЭ и эмиттерной
термостабилизацией (рисунок 2.8).
Рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора
для данной схемы термостабилизации.
Определим, как изменится при этом
входная проводимость транзистораg
и крутизна
.
Зададимся током
делителя, образованного резисторами
Rб1
и Rб2
:
мА ;
выбираем
,и
определяем номинал
:
;
определяем
потенциал
:
В;
Рисунок 2.8 Каскад
с эмиттерной термостабилизацией
рассчитываем
номиналы резисторов базового делителя:
Ом,
Ом,
Коэффициенты
термостабилизации для этой схемы:
,
.
Здесь
— параллельное соединение резисторов
Rб1
и Rб2:
Анализ полученных
выражений показывает, что для улучшения
термостабильности каскада следует
увеличивать номинал
и уменьшать
.
Тогда,
.
Учитывая, что
Н21э=(Iк0+ΔIк0)/Iб=
101,
определим
значения входной проводимости транзистора
gи крутизны
.
-
-
April 18 2012, 23:15
- Техника
- Cancel
Биполярный транзистор. Ток коллектора
Разбираюсь с азами. Вычитал (здесь), что максимально допустимая мощность находится по формуле:
или 
Iк обычно указан в даташите к транзистору. P обычно тоже дана. Uкб не видел нигде.
Возьмем к примеру BC817-40.215 (npn) в корпусе SOT23.
Uкэ, В = 50
Iк, А = 0.5
Рк, Вт = 0.2
Получается, что максимальный ток коллектора Iк = 0.5 А. Вопрос: зависит ли Iк от напряжения Uкэ? Т.е. 0.5А это при 50 В? Или Uкэ вовсе не важно (в пределах допустимых 50В) — при любом Uкэ ток на коллекторе может быть не более 0.5А?
Запутался, хочу запитать маленький двигатель (3В, 0.2А), пока сделал вывод что транзистор в SOT23 для этого слабоват. Так как Pдвиг=3*0.2=0.6 Вт. А транзистор BC817 обеспечивает только 0.2 Вт. Правильно ли я считаю?
На всякий случай схема, Ubatt=9В, управление ШИМом (даю 33% скважность, чтобы получить нужные 3В):