Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Параметры и корпуса биполярных транзисторов

Параметры и корпуса биполярных транзисторов

Как и все электрические и электронные компоненты, транзисторы имеют ограничения по напряжению и току, при которых они могут работать без повреждений. Поскольку транзисторы более сложны, чем некоторые другие компоненты, они, как правило, имеют больше видов параметров. Ниже приведено подробное описание некоторых типовых параметров транзисторов.

Рассеиваемая мощность: когда транзистор проводит ток между коллектором и эмиттером, между этими двумя выводами на нем также падает и напряжение. В любой момент времени мощность, рассеиваемая транзистором, равна произведению тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. Как и резисторы, транзисторы рассчитаны на то, сколько ватт каждый из них может рассеивать спокойно, не получая при этом повреждений. Высокая температура – смертельный враг всех полупроводниковых приборов, а биполярные транзисторы, как правило, более подвержены термическому повреждению, чем большинство из них. Значения мощности всегда связаны с температурой окружающей среды. Когда транзисторы должны использоваться в более жарких условиях (>25°C), значения рассеиваемой ими мощности должны быть уменьшены, чтобы избежать сокращения срока службы.

Обратные напряжения: как и диоды, биполярные транзисторы рассчитаны на максимально допустимые напряжения обратного смещения на их PN переходах. Эти параметры включают в себя значения напряжений для перехода эмиттер-база VЭБ, для перехода коллектор-база VКБ, а также напряжение между коллектором и эмиттером VКЭ.

VЭБ, максимальное обратное напряжение между эмиттером и базой, для некоторых слаботочных транзисторов составляет примерно 7 В. Некоторые разработчики схем используют дискретные биполярные транзисторы в качестве стабилизировано на 7 В последовательно с токоограничивающим резистором. Транзисторные входы аналоговых интегральных микросхем также имеют параметр VЭБ, если превышение которого приведет к повреждению, если использование стабилитронов на входах недопустимо.

Параметр максимального напряжения коллектор-эмиттер VКЭ может считаться максимальным напряжением, которое транзистор может выдержать в режиме полной отсечки (ток базы равен нулю). Этот параметр имеет особое значение при использовании биполярного транзистора в качестве ключа. Типовое значение для слаботочного транзистора составляет от 60 до 80 В. Для силовых транзисторов этот параметр может составлять до 1000 В, например, у транзистора горизонтального отклонения в дисплее на электронно-лучевой трубке.

Ток коллектора: Максимальное значение тока коллектора IК, указываемое производителем в амперах. Типовые значения для слаботочных транзисторов составляют от 10 до 100 мА, для силовых транзисторов – десятки ампер. Имейте в виду, что это максимальное число предполагает состояние насыщения (минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером). Если транзистор не находится в режиме насыщения, и между коллектором и эмиттером падает существенное напряжение, то значение максимальной рассеиваемой мощности будет превышено до достижения максимального значения тока коллектора. Это просто нужно иметь в виду при разработке транзисторных схем!

Напряжения насыщения: В идеале транзистор в режиме насыщения действует как замкнутый ключ с контактами на коллекторе и эмиттере, при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером равно нулю при максимальном токе коллектора. В реальности этого никогда не бывает. Производители указывают максимальное падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения и между коллектором и эмиттером, и между базой и эмиттером (прямое падение напряжения на этом PN переходе). Напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения, как правило, составляет 0,3 вольта или менее, но это значение, конечно, зависит от конкретного типа транзисторов. Низковольтные транзисторы (с низким VКЭ) показывают более низкие напряжения насыщения. Напряжение насыщения также снижается при увеличении тока базы.

Прямое падение напряжения база-эмиттер, VБЭ, совпадает с аналогичным параметром у диода, ≅ 0,7 В, что не должно удивлять.

Коэффициент бета: Отношение тока коллектора к току базы, β является основным параметром, характеризующим усилительную способность биполярного транзистора. При расчетах схем β обычно постоянной величиной, но, к сожалению, на практике это далеко не так. Таким образом, производители предоставляют набор показателей β (или "hfe") для определенного транзистора в широком диапазоне рабочих условий, обычно в виде максимальных/минимальных/типовых значений. Вы можете удивиться, увидев, насколько большие отклонения β можно ожидать при нормальных рабочих условия. В спецификации на один популярный слаботочный транзистор, 2N3903, указывается, что коэффициент β может быть в диапазоне от 15 до 150 в зависимости от величины тока коллектора. Как правило, β будет самым высоким при средних токах коллектора и уменьшается для очень низких и очень высоких токах коллектора. hfe – это усиление по переменному току малых сигналов; hFE – это усиление по переменному току больших сигналов или усиление по постоянному току.

Читайте так же:
Тв антенна на стекло

Коэффициент альфа: Отношение тока коллектора к току эмиттера, α=IК/IЭ. α может быть получен из β, так как α=β/(β+1).

Биполярные транзисторы поставляются в самых разных физических корпусах. Тип корпуса в первую очередь зависит от требуемой рассеиваемой мощности транзистора, так же как и для резисторов: чем больше максимальная рассеиваемая мощность, тем устройство должно быть больше по размеру, чтобы оставаться холодным. На рисунке ниже показано несколько стандартных типов корпусов для трехвыводных полупроводниковых устройств, любой из которых может использоваться для размещения биполярного транзистора. Существует много других полупроводниковых устройств, отличных от биполярных транзисторов, которые тоже имеют три вывода. Следует отметить, что выводы пластиковых транзисторов могут различаться при одном типе корпуса, например, TO-92 на рисунке ниже. Без определения маркировки устройства или проведения электрических тестов невозможно определить назначения выводов у трехвыводного полупроводникового устройства.

Корпуса транзисторов, размеры в мм Корпуса транзисторов, размеры в мм

Небольшие пластиковые транзисторные корпуса, такие как TO-92, могут рассеивать единицы сотен милливатт. Металлические корпуса, TO-18 и TO-39, могут рассеивать больше мощности, несколько сотен милливатт. Пластиковые корпуса мощных транзисторов, такие как TO-220 и TO-247, рассеивают более 100 ватт, приближаясь к рассеиванию полностью металлического TO-3. Параметры рассеивания, приведенные на рисунке выше, являются максимальными, когда-либо виденными автором у высокомощных устройств. Большинство силовых транзисторов рассчитано на половину или меньше указанной мощности. Для оценки фактических значений смотрите технические описания на конкретные устройства. Полупроводниковый кристалл в пластиковых корпусах TO-220 и TO-247 установлен на теплопроводной металлической пластине, которая переносит тепло от задней части корпуса к металлическому радиатору (не показан). Перед установкой транзистора на радиатор на металл наносится тонкий слой теплопроводящей пасты. Поскольку металлические пластины в корпусах TO-220 и TO-247 и корпус TO-3 соединены с коллектором, иногда необходимо электрически изолировать их от заземленного радиатора с помощью вставки из слюды или полимерной шайбы. Параметры в технических описаниях для мощных корпусов действительны только при установке на радиатор. Без радиатора TO-220 в свободном пространстве безопасно рассеивает примерно 1 ватт.

Максимальные значения рассеиваемой мощности из технических описаний на практике достичь трудно. Значение максимальной рассеиваемой мощности основано том, что радиатор поддерживает температуру корпуса транзистора не более, чем 25°C. Но при воздушном охлаждении радиатора это сложно. Допустимая рассеиваемая мощность уменьшается при повышении температуры. Многие технические описания предоставляют графики зависимости рассеиваемой мощности от температуры.

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

shadow

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Читайте так же:
Чтобы топор не слетал с топорища

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

  1. отсечка;
  2. активный режим;
  3. насыщение;
  4. барьерный режим.
1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.

В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике, когда БТ играет роль ключа в замкнутом положении.

Читайте так же:
Съемник стопорных колец гост
4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Схемы включения биполярного транзистора

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Работа транзистора в ключевом режиме

Работа транзистора в ключевом режимеДля упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Входная характеристика транзистора

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в (n)-(p)-(n)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).

Рис. 1.3. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector