§ 3.2. Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки – главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактом), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением ) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы , а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники являются так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе,

Работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима работы.

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-р показана на рис. 3.3,а. Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графо-аналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а-б по постоянному току (рис 3.3.б). Линия нагрузки описывается соотношением

и проводится так же , как для усиленного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания ( режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности ( , указанной на рис. 3.3,а без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается

и его ток . Вместе с тем через резистор протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода . Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка (рис. 3.3, б).

Протекание через нагрузку теплового тока связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора от источника питания. Малое значение является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения

выбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резистор тепловом токе было обеспечено выполнение условия

(3. 1)

Напряжение для германиевых транзисторов составляет 0,5-2 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения () и заданием соответствующего тока базы. Открытое состояние транзистора характеризует точка на линии нагрузки.

Определим необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. С этой целью предположим, что при ток увеличивается постепенно.

Увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора и перемещение рабочей точки из положения вверх по линии нагрузки. Напряжение транзистора при этом постепенно уменьшается.

До некоторого граничного значения тока базы () сохраняется известная пропорциональная зависимость между и :

(3.

2)

Где — статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора схеме ОЭ ( а не дифференциальный коэффициент β, действительный для малого входного сигнала).

Точка при токе базы характеризует «полное» открытие транзистора. Через транзистор и резистор протекает ток

(3.3)

Где — падение напряжения (остаточное напряжение) на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение , являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. В зависимости от типа прибора напряжение

лежит в пределах 0,05-1 В. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с расчет тока открытого транзистора проводится по формуле

(3. 4)

C учетом формулы (3.2) находят граничное значение тока базы открытого транзистора , при котором наблюдается пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы: (3.5)

Таким образом , точка на рис. 3.3., б представляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора .

При дальнейшем увеличении тока базы () остаточное напряжение остается почти неизменным, так как все коллекторные характеристики транзистора при практически проходят через точку на рис. 3.3.,б. Режим работы открытого транзистора при называют насыщенным , а отношение – коэффициент насыщения транзистора.

Режим насыщения широко используют для обеспечения открытого состояния транзистора. Его открытое состояние при этом становится более устойчивым к воздействию помех во входной цепи, а положение точки

не зависит от изменения коэффициента передачи тока транзистора в частности, с понижением температуры. В режиме насыщения ток базы транзистора

(3.6)

Где коэффициент для надежного насыщения транзистора в требуемом температурном диапазоне может составлять 1,5-3. Найденный ток базы обеспечивается параметрами входной цепи ключевой схемы:

(3.7)

Рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения (рис. 3.4,а). Это необходимо для выяснения свойств схемы при передаче импульсных сигналов. Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы (длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю).

На интервале , когда входной импульс напряжения отсутствует, транзистор заперт напряжением положительной полярности.

Токи определяются тепловым током транзистора Напряжение на транзисторе (рис. 3.4, г).

С момента времени ( рис. 3.4,а) процессы в схеме обусловливаются отпиранием транзистора входным импульсом напряжения отрицательной полярности . Это сопровождается изменением тока и напряжения транзистора (рис. 3.4, в,г). Как видно из диаграмм, характер изменения и при отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения входного напряжения. Отличие обусловлено инерционностью транзистора и проявляется в постепенных нарастаниях тока и уменьшении напряжения

. В первом приближении можно принять, что изменения и происходят по экспоненте. Тогда инерционность транзистора может быть учтена эквивалентной постоянной времени (2.78) в предложении , где — интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ.

Если принять, что ток базы в интервале отпирания имеет прямоугольную форму с амплитудой (рис. 3.4, б), то вызванный им ток будет изменяться по закону

Коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к (см.рис. 3.4.,в). Однако, достигнув предельного значения , ток в дальнейшем не изменяется и формирование фронта импульса заканчивается.

Положив в формуле (3.8) находим длительность фронта нарастания коллекторного тока транзистора:

(3.9)

С учетом того, что , а , имеем

(3.10)

Из соотношения (3.10), следует, что длительность фронта импульса сокращается с увеличением коэффициента насыщения транзистора. Это объясняется тем, что большему коэффициенту соответствует больший отпирающий ток, вследствие чего ток коллектора достигает установившегося значения за меньший интервал времени. Так, например, при получаем

При (транзистор при отпирании работает в активном режиме) соотношение (3.10) не может быть использовано для определения . В этом случае уместно говорить об активной длительности фронта, определяемой относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока (3.8):

Характер изменения при отпирании транзистора (рис.3.4,г) подчиняется зависимости .

В момент времени действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. К базе транзистора прикладывается запирающее напряжение .(рис.3.4,а).

С приложением запирающего напряжения ток коллектора и напряжение в течение некоторого интервала времени остаются неизменными , а транзистор по-прежнему открыт. Создается задержка в запирании транзистора. Это объясняется тем, что к моменту времени транзистор находится в режиме насыщения и при наличии запирающего сигнала ток коллектора поддерживается уходящим из базы в коллектор избыточными носителями заряда (дырками). Только после ухода (рассасывания) избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе – возрастать (рис. 3.4, в,г). Помимо ухода избыточных носителей заряда по цепи коллектора их рассасывание осуществляется и по цепи базы за счет протекания обратного тока ,вызванного запирающим напряжением. Обратный (инверсный) ток базы при этом ограничивается сопротивлением входной цепи: .

Время, в течении которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания (рис. 3.4,в). Это время пропорционально коэффициенту насыщения . Следующий затем интервал спадания тока определяет время заднего фронта (среза) коллекторного тока.

При определении необходимо решать уравнение , описывающее изменение заряда в базе. Ввиду пропорциональности заряда в базе току коллектора (базы) процесс , протекающий в транзисторе после момента времени , выражается через токи транзистора в следующем виде:

, (3.11)

Где — эквивалентная постоянная времени, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения, но меньшая постоянной времени (2.79), действительной для активного режима .

Выражение (3.11) является уравнением экспоненциальной кривой , показанной в интервале пунктиром (рис. 3.4.,в).

Положив в выражении (3.11) , находим

(3.12)

При ток и

(3. 13)

После выхода транзистора из насыщения ток уменьшается от значения , также стремясь к (рис. 3.4,в), т.е.

, (3.14)

Положив по формуле (3.14) , получаем

(3.15)

Длительности характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Как следует из выражений (3.9), (3.12), (3.15), они зависят от частотных свойств используемого транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до едениц микросекунды.

В настоящее время широко используется (особенно в интегральных микросхемах) ключевой режим работы кремниевых транзисторов типа n-p-n.

По построению и характеру работы ключевая схема на транзисторе типа n-p-n аналогична схеме рис. 3.3,а. Отличие заключается в противоположных полярностях напряжения питания и отпирающего напряжения , а также в противоположных направлениях токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые транзисторы, в частности типа n-p-n , имеют довольно малый тепловой ток . Влияние тока в выходной и входной цепях закрытого транзистора пренебрежимо мало. По этой причине запирание этих транзисторов осуществимо при . Эта особенность кремниевых транзисторов дает важное практическое преимущество – возможность исключить дополнительные источники запирающего напряжения в базовых цепях, необходимые для германиевых транзисторов.

Транзисторы Linear Power MOSFET от Littelfuse – безопасная работа в активном режиме

22 марта 2022

управление питаниемLittelfuseстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Транзисторы Linear Power MOSFET производства компании Littelfuse обеспечивают безопасную работу в схемах, где требуется длительная работа в активном режиме. Благодаря использованию механизмов подавления положительной обратной связи они не склонны к саморазогреву, имеют расширенную область безопасной работы и способны рассеять больше тепла на кристалле, чем аналоги других производителей.

Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) чаще всего используются в качестве коммутаторов, поэтому они работают либо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки. Однако в ряде узлов, например, в компенсационных стабилизаторах, усилителях класса А или электронных нагрузках их рабочая точка должна находиться на линейном участке вольт-амперной характеристики. Этот режим характеризуется одновременным наличием ненулевого тока стока и достаточно высокого напряжения между стоком и истоком, что приводит к выделению на кристалле довольно большого количества тепла.

Если кристалл транзистора разогреется до критической температуры, то в нем произойдут необратимые изменения и полупроводниковый прибор выйдет из строя. Для предотвращения этого необходимо следить за электрическими режимами работы транзистора и не допускать появления опасных термических перенапряжений. Это значит, что полупроводниковые приборы, предназначенные для работы в активном режиме, подразумевающем рассеяние на кристалле большого количества тепла, должны как минимум иметь расширенную область безопасной работы в режимах с прямым смещением (Forward-bias Safe Operating Area, FBSOA).

Давайте рассмотрим особенности нового семейства полевых транзисторов с изолированным затвором Linear Power MOSFET, специально разработанных компанией Littelfuse для узлов, требующих работы транзисторов в активных режимах. Особенностью этих приборов является расширенная область безопасной работы, достигаемая за счет подавления внутренних положительных обратных связей и уменьшения электротермической нестабильности.

Упрощенная конструкция транзистора Linear Power MOSFET показана на рисунке 1. В этих приборах, как и в других MOSFET, существует паразитный биполярный n-p-n-транзистор, образованный областями с разными типами проводимости. Эмиттерный переход биполярного транзистора надежно шунтируется путем соединения подложки MOSFET с его истоком, поэтому он остается в закрытом состоянии даже в экстремальных электрических режимах.

Рис. 1. Структура Linear Power MOSFET

Еще одной особенностью транзисторов Linear Power MOSFET является контроль величины теплового сопротивления каждого транзистора, выполняемый в процессе производства. Такая проверка проводится для выявления возможных дефектов сборки, в частности наличия пустот припоя, увеличивающих риск возникновения точек локального нагрева.

Основными приложениями для транзисторов Linear Power MOSFET являются схемы, в которых транзистор должен длительное время находиться в активном режиме, например, электронные нагрузки, использующиеся для тестирования источников питания.

Вторичный пробой

В мощных силовых MOSFET под термином «вторичный пробой» (Second Breakdown) подразумевается внезапная потеря управляемости транзистора с последующим самопроизвольным переходом в состояние с малым сопротивлением канала. Происходит это из-за открытия паразитного биполярного транзистора, которое может произойти, например, из-за слишком резких изменений напряжения между истоком и стоком. Вторичный пробой силовых MOSFET, работающих в ключевых режимах, обычно не возникает. Однако в схемах, где рабочая точка MOSFET большую часть времени находится на линейном участке вольт-амперной характеристики, вероятность возникновения вторичного пробоя значительно возрастает из-за возможности фокусировки тока в определенных участках кристалла, приводящих к появлению локальных термических перенапряжений.

При работе в режиме насыщения увеличение плотности тока в некоторой области кристалла приводит к локальному увеличению температуры. Полупроводниковый материал канала MOSFET обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, поэтому при разогреве сопротивление перегруженной части канала увеличивается, что приводит к уменьшению тока и, как следствие, к ее охлаждению [1]. Таким образом, в режиме насыщения происходит автоматическое перераспределение тока внутри кристалла, что позволяет соединять параллельно несколько MOSFET без необходимости применения дополнительных балансирующих элементов.

Однако увеличение температуры кристалла приводит не только к росту сопротивления канала, но и к уменьшению порогового напряжения – напряжения между затвором и истоком, при котором между стоком и истоком образуется проводящий канал и начинает протекать ток. При работе в режиме насыщения сигнал управления значительно больше порогового напряжения, поэтому этот эффект не оказывает какого-либо заметного влияния на тепловой режим транзистора. Однако при работе в активном режиме, когда напряжение между затвором и истоком находится близко к пороговому значению, локальный нагрев кристалла может привести к еще большему увеличению температуры перегретого участка. Таким образом, при работе в активном режиме, даже если рассеиваемая мощность находится в пределах допустимых значений, возможен неконтролируемый саморазогрев кристалла, в результате которого может произойти вторичный пробой с последующим разрушением полупроводниковой структуры [2].

Типовая вольт-амперная характеристика мощного N-канального MOSFET показана на рисунке 2. В области отсечки напряжение между затвором и истоком V_GS меньше порогового значения V_GS(TH), поэтому транзистор находится в выключенном состоянии и ток между его истоком и стоком отсутствует. В режиме насыщения поведение MOSFET аналогично поведению резистора с сопротивлением R_DS(ON), величина которого равна отношению напряжения между стоком и истоком V_DS к току I_D, протекающему в цепи стока. 2=g_{FS}\left( V_{GS}-V_{GS(TH)} \right),\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

• K – параметр, зависящий от температуры и геометрических размеров транзистора;
• g_FS – крутизна его характеристики.

Рис. 2. Типовая вольт-амперная характеристика мощного MOSFET

Положительное напряжение V_GS нейтрализует запирающий потенциал стока, увеличивая количество электронов в областях с дырочной проводимостью (p-областях). По мере роста напряжения V_GS количество неосновных носителей заряда в p-областях увеличивается до тех пор, пока при напряжении V_GS(TH) потенциал p-областей не станет равным нулю. С этого момента между стоком и истоком образуется проводящий канал, ток которого определяется разницей напряжений V_GS – V_GS(TH) [3].

Область безопасной работы является совокупностью графиков, определяющих режимы работы транзистора, в которых он может находиться без риска разрушения кристалла. Типовая область безопасной работы мощных MOSFET в режиме прямых смещений показана на рисунке 3. Она ограничена максимально допустимым напряжением между стоком и истоком V_DSS, максимально допустимым током стока I_DM, а также линиями, определяющими возможные комбинации напряжения и тока для максимально допустимой мощности рассеяния P_D.

Рис. 3. Типовая область безопасной работы мощных MOSFET

В данном случае на рисунке 3 присутствуют линия для продолжительно протекающего тока стока (DC) и четыре линии для одиночных импульсов длительностью 10, 1, 100 и 25 мкс. Левая верхняя часть области безопасной работы сформирована линией, являющейся функцией максимально возможного значения тока стока при данном напряжении и сопротивлении канала R_DS(ON).

В общем случае, максимальное значение мощности P_D, которая может быть рассеяна на кристалле, определяется формулой 2:

$$P_{D}=\frac{T_{Jmax}-T_{C}}{Z_{thJC}}=V_{DS}I_{D},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где:

• Z_thJC – тепловое сопротивление «кристалл-корпус»;
• T_Jmax – максимально допустимая температура кристалла MOSFET;
• T_C – температура корпуса транзистора.

Однако формула 2 получена, исходя из предположения, что кристалл MOSFET имеет одинаковую температуру во всех точках, а это не соответствует действительности. Начнем с того, что сторона транзистора, припаянная к охлаждающей пластине его корпуса, имеет меньшую температуру, чем внутренние области кристалла, что является естественным физическим процессом передачи тепла. Во-вторых, кристалл транзистора может иметь внутренние дефекты, например, пустоты или полости, приводящие к локальным увеличениям теплового сопротивления и, как следствие, к локальному перегреву внутренних областей кристалла. В-третьих, концентрация легирующих добавок и толщина изолятора затвора могут привести к флуктуациям порогового напряжения и крутизны g_FS ячеек MOSFET, что также негативно сказывается на равномерности прогрева полупроводниковой структуры.

При работе в ключевом режиме эти нарушения и отклонения в большинстве случаев безопасны и не влияют на поведение схемы. Однако если транзистор работает в активном режиме, то последствия, вызванные подобными неоднородностями, могут быть самыми катастрофическими, особенно в случае, когда продолжительность нахождения транзистора в режиме повышенного тепловыделения превышает время, необходимое для переноса тепла от кристалла к радиатору. Результаты исследований показали, что современные мощные MOSFET, оптимизированные для работы в ключевых режимах, при перемещении рабочей точки в правый нижний угол области безопасной работы обладают электротермической нестабильностью (Electro-Thermal Instability, ETI), приводящей к выходу их из строя.

Электротермическую нестабильность можно объяснить наличием положительной обратной связи, возникающей внутри MOSFET, работающего в активном режиме. Упрощенный механизм саморазогрева отдельных областей кристалла можно описать четырьмя этапами:

• вначале увеличивается температура в месте существования неоднородности;
• увеличение температуры приводит к уменьшению величины порогового напряжения V_GS(TH) на этом участке кристалла, поскольку пороговое напряжение имеет отрицательный температурный коэффициент;
• уменьшение порогового напряжения приводит к увеличению локальной плотности тока J_DS, поскольку она является функцией от квадрата разности напряжений (V_GS – V_GS(TH))²;
• увеличение локальной плотности тока приводит к еще большему увеличению температуры в месте появления неоднородности.

При неблагоприятных условиях, на возникновение которых влияет множество факторов, в том числе длительность импульса повышенной мощности, особенности конструкции транзистора и условий его охлаждения, электротермическая нестабильность может привести к тому, что весь ток стока сосредоточится в одной узкой области канала. Подобное перераспределение приведет к тому, что паразитный биполярный транзистор из-за высокой температуры уже не сможет находиться в закрытом состоянии и начнет пропускать электрический ток. Открытие паразитного биполярного транзистора означает потерю управляемости MOSFET (защелкивание), в результате чего ток стока перестанет зависеть от напряжения между затвором и истоком, и для перевода MOSFET в первоначальное состояние будет необходимо отключить цепь стока от источника питания и дать кристаллу остыть. Но поскольку в реальной схеме это чаще всего невозможно, то защелкивание транзистора в результате электротермической нестабильности приведет к еще большему увеличению тока стока из-за возникшего короткого замыкания и, как следствие, к разрушению кристалла.

Принимая это во внимание, компания Littelfuse разработала специализированную линейку транзисторов Linear Power MOSFET, оптимизированную для использования в приложениях, требующих функционирования полевых транзисторов в активном режиме. Особенностью этих полупроводниковых приборов является расширенная область безопасной работы, достигнутая за счет внедрения специализированных механизмов подавления положительных обратных связей, являющихся причиной электротермического разогрева [3].

В технической документации на транзисторы Linear Power MOSFET приводится гарантированная область безопасной работы, рассчитанная с учетом особенностей работы в активном режиме. Одним из таких MOSFET является транзистор IXTK22N100L, область безопасной работы которого показана на рисунке 4. Как видно из этого рисунка, на графиках присутствуют не только расчетные значения, но и точка, в которой проводятся испытания каждого прибора из этой линейки.

Рис. 4. Область безопасной работы MOSFET IXTK22N100L

Основные технические характеристики транзисторов Linear Power MOSFET, позволяющих получить представление о возможностях этой линейки, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики транзисторов Linear Power MOSFET

Наименование	VDSS, В	ID, А	RthJC, К/Вт	Безопасная величина рассеиваемой мощности PD (TC = 90°C), Вт	Корпус
IXTh34N50L	500	24	0,31	200 (VDS = 400 В, ID = 0,5 А)	TO-247
IXTh56N50L	500	46	0,18	240 (VDS = 400 В, ID = 0,6 А)	SOT-227B
IXTK22N100L	1000	22	0,18	240 (VDS = 800 В, ID = 0,3 А)	TO-264
IXTh40N100L	1000	30	0,156	300 (VDS = 600 В, ID = 0,5 А)	SOT-227B

Согласно формуле 2, на кристалле MOSFET IXTK22N100L, у которого максимально допустимое напряжение «сток-исток» равно 1000 В, может рассеиваться мощность 700 Вт. Столь высокое значение рассеиваемой мощности может быть достигнуто в импульсных режимах, но не в схемах, где транзистор длительное время работает в активном режиме. Поэтому компания Littelfuse в технической документации на этот прибор приводит реальные области безопасной работы при разных температурах, полученные при условиях длительного нахождения прибора в активном режиме. Например, для транзистора IXTK22N100L максимально допустимая мощность при температуре корпуса транзистора T_C = 90°C не должна превышать 240 Вт (V_DS = 800 В, I_D = 0,3 А).

Примеры применения транзисторов Linear Power MOSFET

Одним из примеров практического применения транзисторов Linear Power MOSFET являются электронные нагрузки, используемые для тестирования источников питания. Электронная нагрузка фактически является программируемым резистором, образованным несколькими параллельно включенными высоковольтными MOSFET, работающими в активном режиме. В такой схеме вероятность равномерного распределения тока между транзисторами крайне мала, поскольку даже небольшой технологический разброс параметров MOSFET, в частности, порогового напряжения и крутизны, при работе в активном режиме приводит к значительной разбалансировке схемы.

Для равномерного распределения тока между разными транзисторами используются схемы местной отрицательной обратной связи на основании напряжений, формируемых резистивными датчиками тока, включенными в цепи истока каждого транзистора. Напряжение на токоизмерительном резисторе зависит от параметров конкретной схемы и обычно находится в диапазоне 1…2 B. Тепловая стабильность схемы определяется температурным коэффициентом резисторов [2].

Рассмотрим электронную нагрузку, рассчитанную на тестирование источников питания с выходным напряжением до 600 В и максимальным током до 2 А. При таких значения напряжения и тока в этой схеме должны использоваться транзисторы с максимально допустимым напряжением между стоком и истоком не менее 600 В.

Максимальную мощность, развиваемую блоком питания, можно определить по формуле 3:

$$P_{0}=I_{0}V_{0},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где:

I₀ = 2 А – максимальный ток;

V₀ = 600 В – максимальное напряжение источника питания.

Таким образом, максимальная мощность блока питания равна P₀ = 2 × 600 = 1200 Вт.

В подобной электронной нагрузке можно использовать мощные полевые транзисторы IXTK22N100L, имеющие максимально допустимое напряжение 1000 В и максимально допустимый ток 22 А. Согласно технической документации, их максимальная рассеиваемая мощность в импульсном режиме равна 700 Вт, однако в активном режиме ее величина не должна превышать 240 Вт. Но поскольку полупроводниковые приборы должны иметь некоторый запас по всем ключевым параметрам, таким как напряжение, ток, мощность, то приняв, что величина рассеиваемой мощности не должна превышать 80% от максимально допустимого значения, получим, что на одном транзисторе IXTK22N100L должно рассеиваться не более 192 Вт тепла.

Максимально допустимая мощность электронной нагрузки также должна быть как минимум на 20% больше мощности тестируемого устройства. Это значит, что при мощности блока питания 1200 Вт максимально допустимая мощность, рассеиваемая на транзисторах, должна быть не менее 1440 Вт. Поскольку это число значительно превышает мощность, которую можно рассеять на одном транзисторе (192 Вт), то для реализации эталонной нагрузки необходимо использовать несколько параллельно соединенных транзисторов. В данном случае необходимо применить не менее восьми транзисторов IXTK22N100L (1400/192 ≈ 8).

Упрощенная принципиальная схема электронной нагрузки показана на рисунке 5 [2]. Резисторы R_S1…R_S8 используются в качестве датчиков тока транзисторов Q1…Q8. От их точности зависит равномерность распределения тока между каналами. Напряжение с этих резисторов поступает на инвертирующие входы операционных усилителей U1…U8, управляющих соответствующими транзисторами. Неинвертирующие входы всех усилителей соединены вместе и используются для установки тока, потребляемого схемой от тестируемого источника питания. Выходы операционных усилителей подключаются к затворам транзисторов через резисторы R_G1…R_G8 сопротивлением 5…50 Ом, предназначенных для ограничения тока затвора. Наличие этих резисторов является необязательным, однако они повышают устойчивость схемы.

Рис. 5. Упрощенная принципиальная схема электронной нагрузки мощностью 1440 Вт

Благодаря использованию механизмов подавления положительной обратной связи транзисторы Linear Power MOSFET производства компании Littelfuse не склонны к саморазогреву и имеют расширенную область безопасной работы. Это позволяет преодолеть ряд ограничений и безопасно использовать их в схемах, где требуется длительная работа в активном режиме. Транзисторы Linear Power MOSFET могут рассеивать на кристалле больше тепла, чем их аналоги, предназначенные для использования в ключевых режимах, однако не следует забывать, что величина мощности, рассеиваемой на кристалле в активном режиме, в любом случае будет меньше, чем при работе в импульсных схемах. 

Литература

1. Consoli, Alfio et al, “Thermal Instability of Low-Voltage Power MOSFETs,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 15, No. 3, May 2000.
2. Frey, Richard, Grafham, Denis, Mackewich, Tom, “New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load,” Application Note, Advanced Power Technology (APT), 2000.
3. Baliga, B. Jayant, “Power Semiconductor Devices,» PWS Publishing Co., 1996.
4. Zommer, Nathan, “Monolithic Semiconductor Device and Method of Manufacturing Same,” U.S. Patent No. US4860072, August 1989.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Транзистор как переключатель — конфигурация, режимы работы, использование, примеры

Использование транзистора в качестве переключателя — самое простое применение устройства. Транзистор можно широко использовать для операции переключения либо для открытия, либо для закрытия цепи. Между тем, основная концепция работы транзистора в качестве переключателя зависит от режима его работы. Как правило, низкое напряжение постоянного тока включается или выключается транзисторами в этом режиме.

В качестве переключателей можно использовать транзисторы PNP и NPN. С базовым оконечным транзистором можно обращаться иначе, чем с усилителем сигнала, смещая биполярные транзисторы NPN и PNP с помощью статического переключателя «ВКЛ / ВЫКЛ». Одно из основных применений транзистора для преобразования сигнала постоянного тока «ВКЛ» или «ВЫКЛ» — твердотельные переключатели.

Некоторым устройствам, включая светодиоды, требуется всего несколько миллиампер постоянного напряжения на логическом уровне, и ими можно напрямую управлять через выход логического элемента. Мощные устройства, такие как генераторы, соленоиды или лампы, обычно требуют большей мощности для использования транзисторных ключей, чем обычные логические элементы.

Подробнее: Транзисторы

Рабочие области или режимы работы транзисторного переключателя

При этом зона насыщения и зона отсечки известны как рабочие области транзисторного переключателя. Это означает, что при переключении между его «максимальным выключением» (насыщением) и «абсолютным выключением» транзистор используется в качестве переключателя, который в основном перезаписывает свою точку добротности и схему делителей напряжения, которая необходима для усиления.

Зона отсечки

Область «отсечки» находится внизу кривых, синяя, заштрихованная область и желтая зона слева — это область «насыщения» транзистора.

Рабочие характеристики транзистора включают ток базы (I _B ), ток коллектора (I _C ) и напряжение эмиттер-коллектор (V _CE ).

Характеристики зоны отсечки

• Транзистор используется как «разомкнутый ключ»
• Базы и ввод заземлены (0В)
• Базовое напряжение эмиссии В _BE > 0,7 В
• Основной эмиттер перевернут
• Транзистор с полным выключением (зона отсечки) («Расход коллектора = 0») • V _OUT = V _CC = «1’’»
• Нет тока коллектора (I _C = 0)

Вместо этого мы можем описать «область отсечки» или «режим OFF», как при обратном смещении, с Vb < 0,7 В и I _C = 0, при использовании биполярного транзистора в качестве ключа.

Читайте также: Транзистор в качестве усилителя

Область насыщения

В этом режиме или области подается самый высокий базовый ток, что приводит к общему току коллектора, вызывая падение среднего напряжения коллектор-эмиттер и максимальное уменьшение поверхности утечки, а также максимальный ток, протекающий через этот транзистор. Именно поэтому срабатывает транзистор «Полностью ВКЛ».

В качестве альтернативы мы можем определить «поле насыщения» или «шаг включения», все переходы вперед, В _Вт > 0,7 В и IK = полный при использовании биполярного транзистора в качестве ключа.

Рассмотрим транзистор со смещением базы в конфигурации CE. Когда мы распространим правило напряжения Кирхгофа на вход и выход схемы, мы напишем

.

В _BB = I _B R _B + V _BE … (1)

V _CE = V _CC – I _C R _C … (2)

V _BB — входное напряжение (Vi), а V _CE — выходное напряжение постоянного тока (Vo). Вот почему мы получили;

В _и = И _Б Р _Б + В _БЭ

В _или = В _CC – I _C R _C

Во-первых, давайте посмотрим на сдвиг V _o по мере того, как V _i возрастает от нуля. Кремниевый транзистор остается в состоянии отсечки до тех пор, пока V _i меньше 0,6 В. Кроме того, I _C = 0. V _o = V _CC . Таким образом, транзистор переходит в активное состояние, когда V _i превышает 0,6 В. I _C >0 и V _o также уменьшаются (поскольку I _C R _C увеличивается). Первоначально с ростом V _i I _C увеличивается почти линейно.

В _o также линейно уменьшается до тех пор, пока его значение не упадет ниже 1 В. После этого изменение становится нелинейным и транзистор переходит в состояние насыщения. В _o продолжает уменьшаться при увеличении V _i , но никогда не становится равным нулю. Вот график зависимости V _o от V _i (также называемый переходными характеристиками эталонного транзистора).

Здесь нужно помнить две вещи:

Когда V _и имеют низкий уровень и транзистор не может смещаться в прямом направлении, V _или имеет высокий уровень (= V _CC ).

Если V _i достаточно велико, чтобы насытить транзистор, V _или очень низкий (~0).

Он также выключается, когда транзистор не проводит ток. С другой стороны, его поворачивают, когда он находится в состоянии истощения. Объединив эти компоненты, представьте себе резистор, который определяет нижнее и верхнее значения ниже и выше этих точек напряжения

.

Такие уровни соответствуют отсечке и насыщению транзистора. Мы могли бы сказать в такой ситуации, что малый входной сигнал выключает транзистор, а высокий входной сигнал включает его. Эти схемы предназначены для предотвращения пребывания транзистора в активном состоянии. Вот как транзистор может действовать как переключатель.

Читайте также: Трансформаторы

Применение транзистора в качестве переключателя

Транзистор в качестве переключателя имеет следующие применения:

• Функция светодиода является наиболее широко используемым практическим приложением, которое используется в качестве переключателя для транзистора.
• Работой реле можно управлять, внося необходимые изменения в схему для подключения и управления некоторыми внешними устройствами по отношению к реле.
• Благодаря этой идее транзисторов можно управлять и контролировать двигатели постоянного тока. Это программное обеспечение используется для включения и выключения двигателя. Скорость двигателя можно изменить, изменив значения частоты транзистора.
• Лампочка является одним из примеров таких выключателей. Он может включать свет, если настройка яркая, и выключать в зависимости от темного окружения. Для этого используется светозависимый резистор (LDR).
• С помощью этого метода переключения можно управлять элементом, называемым термистором, который определяет температуру окружающей среды. Термистор называется резистором. Это сопротивление увеличивается, когда измеряемая температура низкая, и сопротивление уменьшается, когда измеряемая температура высокая.

Видеоурок по полупроводникам — важные темы

Полупроводники Важные основные вопросы JEE

Часто задаваемые вопросы о транзисторе в качестве переключателя

Какая область транзистора сильно легирована?

База транзистора очень сильно легирована.

Чем область эмиттера отличается от области коллектора?

Эмиттер легирован сильнее, чем коллектор.

Каковы отношения между токами транзисторов?

Ток эмиттера равен сумме тока базы и тока коллектора.

Что означает стрелка в условном обозначении транзистора?

Стрелка всегда находится на эмиттере и указывает направление условного тока.

Что такое транзистор?

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из двух p-n-переходов, соединенных друг с другом. Он имеет три легированные области, и его основное действие — усиление.

Какие три области транзистора?

Эмиттер
База
Коллектор

Каково нормальное смещение диода в транзисторе?

Диод эмиттер-база смещен в прямом направлении, а диод коллектор-база смещен в обратном направлении.

Почему транзистор является устройством, управляемым током?

Управляя током базы, можно контролировать отходящий ток коллектора для заданного тока эмиттера. Следовательно, транзистор является устройством, управляемым током.

Схемы включения биполярных транзисторов

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый действующий биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления послужил германий. А уже в 1956 году родился кремниевый транзистор.

Биполярный транзистор использует два типа носителей заряда — электроны и дырки, поэтому такие транзисторы называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, в которых используется только один тип носителей — электроны или дырки. В этой статье речь пойдет о биполярных транзисторах.

Долгое время транзисторы были в основном германиевыми, и имели p-n-p структуру, что объяснялось возможностями технологий того времени. Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, самый большой их недостаток — низкая рабочая температура — не более 60. .70 градусов Цельсия. При более высоких температурах транзисторы становились неуправляемыми, а затем и вовсе выходили из строя.

Со временем кремниевые транзисторы стали вытеснять германиевые аналоги. В настоящее время они в основном кремниевые, и используются, и это неудивительно. Ведь кремниевые транзисторы и диоды (практически всех типов) сохраняют работоспособность до 150…170 градусов. Кремниевые транзисторы также являются «начинкой» всех интегральных схем.

Транзисторы по праву считаются одним из величайших открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили революцию в электронике, удивив и шокировав мир. Если бы не транзисторы, то многие современные устройства и устройства, такие привычные и близкие, просто не родились бы: представьте себе, например, мобильный телефон с электронными лампочками! Смотрите историю транзисторов для получения дополнительной информации. здесь.

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя и существуют кремниевые транзисторы типа p-n-p, но они несколько меньше, чем структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819и КТ818. В импортных усилителях очень часто используется мощная комплиментарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n — транзисторами обратной проводимости. Такое название почему-то почти не встречается в литературе, но в кругу радиоинженеров и радиолюбителей оно употребляется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рис. 1 представлена ​​схематическая структура транзисторов и их графические обозначения.

Рисунок 1.

Помимо различий в типе проводимости и материале, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеяния на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3.. .3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности более 3 Вт — большой мощностью. Современные транзисторы способны рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы неодинаково хорошо усиливают электрические сигналы: с увеличением частоты коэффициент усиления транзисторного каскада падает, а при определенной частоте и вовсе прекращается. Поэтому для работы в широком диапазоне частот выпускаются транзисторы с разными частотными характеристиками.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не более 3 МГц, среднечастотные — 3…30 МГц, высокочастотные — свыше 30 МГц. рабочая частота превышает 300 МГц, то это транзисторы СВЧ.

Вообще в серьезных толстых справочниках более 100 различных параметров транзисторов, что тоже говорит об огромном количестве моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже нельзя разместить ни в одном справочнике. И модельный ряд постоянно растет, что позволяет решать практически все задачи, поставленные разработчиками.

Существует множество транзисторных схем (вспомните только количество хотя бы бытовой техники) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем многообразии, эти схемы состоят из отдельных каскадов, основу которых составляют транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала необходимо использовать несколько последовательно соединенных каскадов усиления. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, нужно лучше познакомиться со схемами включения транзисторов.

Один транзистор ничего не может усилить. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет затрат энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах — усилителях, телевидении, радио, связи и т.д.

Для упрощения изложения здесь будем рассматривать схемы на транзисторах n-p-n структуры. Все, что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к p-n-p транзисторам. Просто поменяйте полярность источников питания, электролитических конденсаторов и диодов, если они есть, чтобы получить рабочую схему.

Схемы включения транзисторов

Всего таких схем три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунке 2.

Рисунок 2

Но прежде чем перейти к рассмотрению этих схем, следует ознакомиться с тем, как работает транзистор в ключевом режиме. Это знакомство должно облегчить понимание. работа транзистора в режиме усиления. Ключевую схему в определенном смысле можно рассматривать как разновидность схемы с МА.

Работа транзистора в ключевом режиме

Перед изучением работы транзистора в режиме усиления сигнала стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме.

Этот режим работы транзистора рассматривался давно. В августовском номере журнала «Радио» за 1959 г. была опубликована статья Г. Лаврова «Полупроводниковый триод в ключевом режиме». Автор статьи предложил регулировать скорость коллекторного двигателя изменением длительности импульсов в обмотке управления (ОС). Сейчас этот метод регулирования называется ШИМ и используется достаточно часто. Схема из журнала того времени показана на рис. 3.

Рисунок 3

Но ключевой режим используется не только в ШИМ-системах. Часто транзистор просто что-то включает и выключает.

В этом случае реле можно использовать как нагрузку: дали сигнал на вход — реле включилось, нет — сигнал реле выключилось. Вместо реле в ключевом режиме часто используются лампочки. Обычно это делается для индикации: свет либо включен, либо выключен. Схема такого ключевого каскада показана на рисунке 4. Ключевые каскады также используются для работы со светодиодами или оптронами.

Рисунок 4

На рисунке каскад управляется обычным контактом, хотя может быть и цифровая микросхема или микроконтроллер. Автомобильная лампочка, эта используется для подсветки приборной панели в «Жигулях». Следует отметить, что для управления используется 5В, а коммутируемое коллекторное напряжение составляет 12В.

В этом нет ничего странного, так как в этой схеме напряжения не играют никакой роли, важны только токи. Поэтому лампочка может быть хоть на 220В, если транзистор рассчитан на работу при таких напряжениях. Напряжение коллекторного источника также должно соответствовать рабочему напряжению нагрузки. С помощью таких каскадов нагрузка подключается к цифровым микросхемам или микроконтроллерам.

В этой схеме ток базы управляет током коллектора, который за счет энергии источника питания в несколько десятков и даже сотен раз (в зависимости от нагрузки коллектора) превышает ток базы. Легко видеть, что происходит усиление тока. Когда транзистор находится в ключевом режиме, для расчета каскада обычно используют величину, называемую в справочниках коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала — в справочниках он обозначается буквой β. Это отношение тока коллектора, определяемого нагрузкой, к минимально возможному току базы. В виде математической формулы это выглядит так: β = Iк/Iб.

Для большинства современных транзисторов коэффициент β довольно велик, как правило, от 50 и выше, поэтому при расчете ключевого каскада его можно принять всего за 10. Даже если ток базы окажется больше чем расчетный, транзистор от этого больше не откроется, то это тоже режим ключа.

Чтобы зажечь лампочку, показанную на рисунке 3, Ib = Ik / β = 100 мА / 10 = 10 мА, это не менее. При управляющем напряжении 5 В на базовом резисторе RB за вычетом падения напряжения на участке ВЕ останется 5 В — 0,6 В = 4,4 В. Сопротивление базового резистора: 4,4В/10мА = 440 Ом. Резистор сопротивлением 430 Ом выбирается из стандартного ряда. Напряжение 0,6 В — это напряжение на переходе В — Е, и его нельзя забывать при расчетах!

Для того чтобы база транзистора не «висела в воздухе» при размыкании управляющего контакта, переход В – Е обычно шунтируется резистором Rбэ, надежно закрывающим транзистор. Этот резистор не следует забывать, хотя его почему-то нет, что может привести к ложному срабатыванию каскада от помех. Собственно, об этом резисторе знали все, но почему-то забыли, и в очередной раз наступили на «грабли».

Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы при размыкании контакта напряжение на базе не оказывалось меньше 0,6В, иначе каскад будет неуправляемым, как если бы участок В – Е просто замкнули накоротко . На практике резистор RBe устанавливается на значение примерно в десять раз больше, чем RB. Но даже при значении Rb 10К схема будет работать достаточно надежно: потенциалы базы и эмиттера будут равны, что приведет к закрытию транзистора.

Такой ключевой каскад, если он исправен, может включить лампочку в полный накал, либо совсем выключить. При этом транзистор может быть полностью открыт (состояние насыщения) или полностью закрыт (состояние отсечки). Сразу, конечно, напрашивается вывод, что между этими «пограничными» состояниями есть такое, когда лампочка светит полностью. В этом случае транзистор наполовину открыт или наполовину закрыт? Это как в задаче наполнить стакан: оптимист видит стакан наполовину полным, а пессимист считает его наполовину пустым. Такой режим работы транзистора называется усилительным или линейным.

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

Практически вся современная электронная техника состоит из микросхем, в которых «спрятаны» транзисторы. Просто выберите режим работы операционного усилителя, чтобы получить желаемое усиление или полосу пропускания. Но, несмотря на это, часто применяются каскады на дискретных («разболтанных») транзисторах, а потому понимание работы усилительного каскада просто необходимо.

Наиболее распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ). Причиной такой распространенности является, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и току. Наибольший коэффициент усиления каскада ОЭ достигается при падении половины напряжения источника питания Эпит/2 на коллекторной нагрузке. Соответственно вторая половина приходится на КЭ секцию транзистора. Это достигается настройкой каскада, о которой будет рассказано ниже. Этот режим усиления называется классом A.

При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным. В качестве недостатков можно отметить малый входной импеданс ОЭ (не более нескольких сотен Ом), а выходной — в пределах десятков кОм.

Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала β, то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый в справочниках h31e. Это обозначение произошло от представления транзистора в виде четырехвыводного устройства. Буква «е» указывает на то, что измерения производились при включенном транзисторе с общим эмиттером.

Коэффициент h31e, как правило, несколько больше β, хотя в расчетах в первом приближении можно его использовать. Во всяком случае, разброс параметров β и h31e настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты носят приблизительный характер. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.

Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя. Отсюда и большой разброс коэффициента усиления транзисторов взятых даже из одной коробки (читай одной партии). У маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а у мощных 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.

Простейшая схема включения ОЭ транзистора показана на рисунке 5. Это всего лишь небольшой кусочек с рисунка 2, показанного во второй части статьи. Эта схема называется цепью с фиксированным базовым током.

Рисунок 5

Схема предельно проста. Входной сигнал поступает на базу транзистора через разделительный конденсатор С1, и, усиливаясь, снимается с коллектора транзистора через конденсатор С2. Назначение конденсаторов — защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (вспомним только угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.

Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 обеспечивает постоянное смещение на базу. С помощью этого резистора пытаются сделать коллекторное напряжение Эпит/2. Это состояние называется рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.

Ориентировочно сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2*h31э/1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В), значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что чаще всего приходится подбирать резистор R1, иначе не получится нужное значение Эпит/2 на коллекторе.

Коллекторный резистор R2 ставится как условие задачи, так как от его величины зависит коллекторный ток и усиление каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше коэффициент усиления. Но с этим резистором нужно быть осторожным, ток коллектора должен быть меньше максимально допустимого для данного типа транзистора.

Схема очень проста, но эта простота придает ей отрицательные свойства, и за эту простоту приходится платить. Во-первых, усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — снова подобрать смещение, вывести в рабочую точку.

Во-вторых, от температуры окружающей среды, — с повышением температуры увеличивается обратный ток коллектора Ico, что приводит к увеличению тока коллектора. А где же тогда половина питающего напряжения на коллекторе Эпит/2, такая же рабочая точка? В результате транзистор еще больше нагревается, после чего выходит из строя. Чтобы избавиться от этой зависимости или хотя бы минимизировать ее, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи — ООС.

На рис. 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Рисунок 6

Казалось бы, делитель напряжения Rb-k, Rb-e обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такой каскад имеет все недостатки схемы фиксированного тока. Таким образом, показанная схема является лишь вариантом схемы фиксированного тока, изображенной на рисунке 5.

Схемы с термостабилизацией

Несколько лучше обстоит дело в случае применения схем, представленных на рисунке 7.

Рисунок 7

В коллекторно-стабилизированной схеме резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. При этом при повышении температуры обратный ток увеличивается, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1. Транзистор начинает закрываться, ток коллектора снижается до допустимого значения, положение рабочей точки восстанавливается.

Очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению усиления каскада, но это не имеет значения. Недостающее усиление обычно добавляют за счет увеличения числа каскадов усиления. Но такая система защиты окружающей среды позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.

Схема каскада с эмиттерной стабилизацией несколько сложнее. Усилительные свойства таких каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем в коллекторно-стабилизированной схеме. И еще одно неоспоримое преимущество — при замене транзистора не придется заново выбирать режимы работы каскада.

Эмиттерный резистор R4, обеспечивающий стабилизацию температуры, также снижает коэффициент усиления каскада. Это для постоянного тока. Чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Се, который для переменного тока имеет незначительное сопротивление. Его значение определяется частотным диапазоном усилителя. Если эти частоты лежат в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.

Чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, нужно рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема с общим коллектором (ОК) показана на рисунке 8. Эта схема является срезом рисунка 2, из второй части статьи, где показаны все три схемы включения транзисторов.

Рисунок 8

Каскад нагружен эмиттерным резистором R2, входной сигнал подается через конденсатор С1, а выходной снимается через конденсатор С2. Тут можно спросить, а почему эта схема называется ОК? Действительно, если вспомнить схему ОЭ, то там хорошо видно, что эмиттер подключен к общему проводу схемы, относительно которого подается входной сигнал и снимается выходной.

В схеме ОК коллектор просто подключается к источнику питания, и на первый взгляд кажется, что он не имеет никакого отношения к входному и выходному сигналу. Но на самом деле источник ЭДС (аккумулятор питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, один и тот же контакт.

Более подробно работу схемы ОК можно увидеть на рисунке 9.

Рисунок 9

Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода bi-e находится в пределах 0,5. ..0,7 V, так что можно взять в среднем 0,6 В, если не ставить целью проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного напряжения на величину Uб-э, а именно те самые 0,6В. В отличие от ОЭ схемы, эта схема не инвертирует входной сигнал, а просто повторяет его, и даже уменьшает на 0,6В. Эта схема также называется эмиттерным повторителем. Зачем нужна такая схема, в чем ее польза?

Цепь ОК усиливает сигнал тока в h31e раз, что свидетельствует о том, что входное сопротивление схемы в h31e раз больше, чем сопротивление эмиттерной цепи. Другими словами, не опасаясь спалить транзистор, можно подавать напряжение прямо на базу (без ограничительного резистора). Просто возьмите базовый контакт и подключите его к шине питания +U.

Высокий входной импеданс позволяет подключить источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексный импеданс), например, пьезоэлектрический звукосниматель. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «посадит» сигнал звукоснимателя — «радио не заиграет».

Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. При этом параметры транзистора вообще не играют никакой роли. Про такие схемы говорят, что они охвачены стопроцентной обратной связью по напряжению.

Как показано на рисунке 9, ток в эмиттерной нагрузке (он же эмиттерный ток) In = Ik + Ib. Учитывая, что ток базы Ib пренебрежимо мал по сравнению с током коллектора Ik, можно считать, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк. Ток в нагрузке составит (Uвх — Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Ube известно и всегда равно 0,6В.

Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх — Uбэ)/Rн зависит только от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно менять в широких пределах, однако особо усердствовать не нужно. Ведь если вместо Rн поставить гвоздь — сотый, то ни один транзистор не выдержит!

Схема OK позволяет довольно легко измерить статический коэффициент передачи тока h31e.