Сопротивление открытого биполярного транзистора: Unsupported database type

Содержание

(PDF) RESEARCH AND THE ANALYSIS OF CHANGE OF PARAMETERS IN THE CHANNEL OF AVERAGE HIGH-VOLTAGE BIPOLAR STATIC INDUCTION TRANSISTOR

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №2 (29), 2013

15

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ

УДК 621.382

Захарова П. Р.

ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛЬНОЙ

ОБЛАСТИ БСИТ — ТРАНЗИСТОРА СРЕДНЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНОСТИ

Zakharova P. R.

RESEARCH AND THE ANALYSIS OF CHANGE OF PARAMETERS IN THE

CHANNEL OF AVERAGE HIGH-VOLTAGE BIPOLAR STATIC INDUCTION

TRANSISTOR

Пробивное напряжение и сопротивление являются определяющими

характеристиками в технологии формирования структуры силового прибора. В данной

статье проведены исследование и анализ зависимостей сопротивления канальной

области кристалла от его конструктивно-технологических и температурных

параметров для Биполярного со статической индукцией транзистора (далее БСИТ–

транзистора) средней высоковольтности.

Ключевые слова: пробивное напряжение, сопротивление канала, технология,

конструктивные параметры, кремниевая подложка

When developing a technology of power device’s structure generation the breakdown

voltage and the resistance of silicon substrate are constitutive parameters. Modern generation

methods allow to create a structure based on fragile materials which behavior directly depends

on the breakdown voltage and the resistance of chosen materials in the depth of structure. In this

paper the work on determination the crystal’s channel resistance dependence of its structural

parameters for the average high-voltage BSIT is done.

Key words: breakdown voltage, structural resistance, generation technology, structural

parameters, silicon substrate

Во второй половине 80-х годов прошлого века, когда в производстве полевых

транзисторов, включая и МОП МТ, произошел качественный прорыв, появилась

возможность технологической реализации мощных СИТ- и БСИТ-транзисторов.

Биполярный со статической индукцией транзистор (далее БСИТ) представляет собой

технологическую разновидность СИТ-транзистора с нормально-закрытым каналом, но с

более сложной геометрической формой затвора. БСИТ стали производить по новой

технологии, позволяющей изготавливать многоячеечные структуры с вертикальным

каналом. При этом сток и исток разнесены по разные стороны кристалла и каждый такой

прибор представляет собой параллельное соединение от нескольких тысяч до нескольких

сотен тысяч элементарных ячеек — транзисторных структур, создаваемых методами

полупроводниковой технологии в едином технологическом цикле на одном монолитном

кристалле.

Одними из основных параметров силового прибора является его пробивное

напряжение и сопротивление канала. Цель данной работы – показать взаимосвязь

сопротивления БСИТ от его конструктивно-технологических параметров. -n-транзистора (а), его схематическое изображение (б) и схема замещения (в) Устройство />-/г-/>-транзистора (г), его схематическое изображение (д) и схема замещения (е)

электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот­ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимос­ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа­ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в пря­мом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба пере­хода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки — в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направле­нии, а эмиттерный — в обратном Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимо­сти от приложенных к его переходам напряжений В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению E^Us,, через него протекает ток базы ц Протекание тока базы приводит к ин-жекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i^Bi», где В — коэффициент передачи тока базы. Лкбо). Выходные вольт-амперные характеристики транзи­стора приведены на рис. 4.2 а. Линейная область на этих характеристиках отмече­на штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной об­ласти. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллек­торе (в соответствии с уравнением (4.1) такой зависимости вообще нет). В-треть­их, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит

Рис. 4.2. Выходные характеристики биполярного транзистора (а) и его входная характеристика (б) оттока базь1. Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, уп­равляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В ре­зультате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзи­стора, приведенную на рис. 4.3 а.

Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент усиления кас­када, изображенного на рис. 4.3 6. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.3 в. Для этой схемы находим

откуда

«U                                                                       «

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель транзистора можно усложнить введением других параметров, которые не учитывались при составле­нии схемы, изображенной на рис. 4.3 а. Уточненная схема замещения биполярного транзистора приведена на рис. 4.4. Этой схеме замещения соответствуют уравне­ния, которые называются уравнениями транзистора в Я-параметрах

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (4.4), мож­но легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе

Рис. кбо На вольт-амперных характеристиках транзисто­ра, приведенных на рис. 4.2 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли­ния при г’8=0.

В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводит­ся обратный ток коллектор — эмиттер /„я при заданном напряжении на коллек­торе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора — режимы насыщения и от­сечки — позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S. Остальные элементы на схемах замещения, приведенных на рис. 4.5, соот­ветствуют неидеальности транзисторного ключа.

Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электрон­ных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор поперемен­но переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации. лин)

Наиболее часто инверсный режим транзистора используется в двунаправлен­ных ключах. В этом случае транзистор делается симметричным и его усиление практически не изменяется при замене коллектора и эмиттера. В таких транзисто­рах области коллектора и эмиттера имеют одинаковые свойства и геометрические размеры, поэтому любая из них может работать как эмиттер или коллектор. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны харак­теристикам в линейном режиме.

Динамические характеристики биполярного транзистора. Динамические харак­теристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время пере­ключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усили­тельного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 4.6 При включении транзистора (рис. 4.6 а) в его базу подается прямоуголь­ный импульс тока с крутым фронтоном Ток коллектора достигает установивше­гося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задер­жки ?зад> спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени /дар достигает установившегося значения /к „кл> таким образом

где 1акл — время включения транзистора.

Рис 4 б Процессы при включении транзистора (а) и выключении (б)

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, i результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным /g „ых Покг происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняе1 своего значения. Это время называется временем рассасывания ?рас. После оконча­ния процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается i течение времени ten Таким образом, время выключения транзистора равно

Следует особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на из­менение направления тока базы, транзистор в течение времени ?p„c остается вклю­ченным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно

Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают об­ратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе Однако прикла­дывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5 7В

Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запирание транзи­стора называется пассивным При пассивном запирании время рассасывания зна­чительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается Форма тока коллек­тора при подаче в базу прямоугольного импульса тока показана на рис 4 7 Из этого рисунка видно, что форма импульса тока коллектора не только изменяется за счет растягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличивается по длительности на время t^c В справочных данных обычно приводят времена вклю­

чения, спада и рассасывания Для наибо­лее быстрых транзисторов время рассасы­вания имеет значение 0,1. 0,5 мкс, однако для многих силовых транзисторов оно до­стигает 10 мкс

Динамические свойства транзистора в усилительном режиме принято характери­зовать не временем включения или вы­ключения, а его частотными характерис­тиками. Имеется много различных моде­лей транзисторов, работающих на высоких частотах, однако наиболее распростра­ненными являются модели, основанные на схеме замещения Джиаколетто и аппрок­симации зависимости коэффициента пере­дачи тока базы (или эмиттера) на высо­кой частоте.

Гис 4 / Изменение формы импульса при работе транзисторного ключа

Рассмотрим вначале схему замещения транзистора, предложенную Джиако-летто. Эта схема приведена на рис 4 8 я и представляет собой П-образную схему, в которой усилительные свойства транзистора учтены крутизной S его вольт-амперной характеристики (т е. проводимостью прямой передачи), а частотная зависимость усилительных свойств определяется учетом емкостей между базой и коллектором — Сц и базой и эмиттером — Су Достоинство этой схемы замещения заключается в том, что она с достаточной для практических расчетов точностью отражает реальное свойство транзисторов на высоких частотах Кроме того, все параметры элементов этой схемы замещения можно легко измерить или рассчи­тать

На схеме замещения (рис. ie, приведен­ному в схеме замещения рис. 4.4, однако в отличие от последнего он управляется не током базы ц, а напряжением щ,

Эта схема объясняет причины, приводящие к уменьшению усиления транзис­тора с повышением частоты Во-первых, с ростом частоты уменьшается полная

Рис 4 8 Схема замещения транзистора на высокой частоте (а) и частотная зависимость коэффициента передачи тока базы (б)

проводимость эмиттерного перехода, что приводит к увеличению тока ig и увели­чению падения напряжения на Гц Таким образом, управляющее напряжение щ, для источника тока уменьшается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается усиление транзистора

Дополнительное снижение усиления обусловлено влиянием коллекторной проводимости, которая тоже уменьшается с ростом частоты В результате ток базы еще больше увеличивается, что приводит к дополнительному снижению на­пряжения Mg,

Другим способом учета влияния частоты на усилительные свойства транзис­тора является аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты, т е. вместо постоянного значения коэффициента передачи тока базы В используется частотно-зависимый коэффициент

где ро=Д — коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, <»р — предель­ная частота коэффициента передачи тока базы

Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока базы определя­ется по формуле

На частоте со=Юр модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с ро в /2= 1,41 раза Если со>3(Вр, то частотная зависимость коэффициента переда­чи тока базы принимает вид

где (07-=Ро<Вр граничная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент передачи тока снижается до единицы

Рассмотренная частотная зависимость коэффициента передачи тока базы приведена на рис 486. Следует учесть, что помимо падения усиления с ростом частоты имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала по сравнению с входным, определяемый формулой

Поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, то сигналы с широким спект­ром частот будут дополнительно искажаться за счет фазового сдвига гармоникЛекция 5. Униполярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполярными, ил) полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которы:

регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канал;

с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока Оба на звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управле ние током канала осуществляется при помощи электрического поля

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоков (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate) Напряжен» управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором i истоком В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делят ся на две группы с управляющим ^-и-переходом и с изолированным затвором

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) приве дено на рис 5.1 а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) — на рис. 516.

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изоли рован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокис! кремния SiOz. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвор. и имеют контакт с полупроводниковым каналом Ток утечки затвора пренебрежи мо мал даже при повышенных температурах Полупроводниковый канал може» быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими При обеденном канале элек трическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называете) индуцированньш. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называете? встроенным Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднении канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной Если кана;

имеет электронную проводимость, то он называется и-каналом Каналы с дыроч’ ной проводимостью называются ^-каналами В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов с каналом и- или ^-типов,

Рис 5 1 Устройство униполярного транзистора с изолированным затвором (а) и с управляющим р-п-переходом (б)

каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал Услов­ные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на рис. 5.2. Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный Исток и сток действуют как невыпрямляющие контак­ты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости ка­нала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу Вывод затвора обращен к электроду истока.

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К — кремний, А — арсенид галлия) Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначньш номер раз­работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На­пример, транзистор КП302А — кремниевый, полевой, малой мощности, высоко­частотный.-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом п-типа расположены в верхней половине графи­ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно­му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом /»-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица­тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики

ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным /<:нач- При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки t/отс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про­исходит при напряжении на затворе больше порогового значения t/пор. Увеличе­ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока /с нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

На рис. 5.5 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом л-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напря­жений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области:

линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере­гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряже­ния на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто­ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пен- тодов.—’-Uy, то сопротивление канала возрастает до бесконечности: 7?с—’-00. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат­воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив­ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже­нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке С/с„ нарушает | линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран­зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5… 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб­ственным сопротивлением канала.-*Uy, то сопротивление канала возрастает до бесконечности. Re-*00. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат­воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив­ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже­нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке Uy, нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран­зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5… 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб­ственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается,

что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводи­мостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать доста­точно большой ток (до 10 А и выше) Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей. Схема замещения ключа на полевом транзисторе приведена на рис. 5.6 б.

Область насыщения В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением

из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практи­чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена.тах=2&{/п, уравнение (5.8) можно записать в виде

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред­ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе U,». При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма­лого сигнала, используя (5.8), получим

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 а. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе­мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по­левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при­веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

откуда

¥w 5.тах=2&{/п, уравнение (5.8) можно записать в виде

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред­ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе U,». При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма­лого сигнала, используя (5.8), получим

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 а. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе­мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по­левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при­веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

откуда

¥w 5.’=S это крутизна полевого транзистора (или проводи­мость прямой передачи). Из схемы замещения, приведенной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изображенную на рис. 5.7 а, если поло­жить Уп=Уи=У22=0-

Отметим, что в справочниках по полевым транзисторам обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны S, вместо входной проводимости иногда приводятся ток утеч­ки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обратной передачи в боль­шинстве случаев приводится так называемая проходная емкость Сэс, т. е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных полевых транзисторов, работаю­щих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и предельное напряжение на стоке.

Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические характе­ристики полевых транзисторов по-разному описывают их поведение в ключевом и линейном (усилительном) режимах работы., выходная проводимость gem a также объемные сопротивления /•с и г,, участков канала, примыкающих к электродам стока и истока. Если пре­небречь небольшими объемными сопротивлениями контактов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замеще­ния будут иметь значения

Из выражения (5.14) следует, что с повышением частоты уменьшается входное сопротивление 1/у,х полевого транзистора и сопротивление обратной связи со стока на затвор /уг- В результате возрастает емкостной ток с затвора на канал и напряжение на затворе уменьшается. При этом снижается усиление транзистора на высокой частоте. Следует, однако, отметить, что многие из параметров схемы замещения, при­веденной на рис. 5 8 а, зависят от режима работы транзистора, т е от постоянные напряжений на его электродах Так, например, крутизна S зависит от напряжение на затворе U,u (см формулу 5 9) Для транзисторов с/»-и-переходом емкости затво­ра Сэи и Сзи являются барьерными и с увеличением обратного напряжения на затворе уменьшаются

Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на при­мере процессов включения и выключения полевого транзистора с индуциро­ванным каналом и-типа, пользуясь схемой, изображенной на рис 586.задвык. время выключения Гцых; в течение которого спадает импульс тока стока, и время ty, установления исходного

Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис.1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано «коллектор», а где обозначен коллектор написано «эмиттер». Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=1000В, тока Iмакс≈ 25А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения U

макс=1600В, Iмакс≈ 50А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=3500В тока Iмакс≈ 100А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:Uмакс=4500В, Iмакс≈ 150А, время переключения tпер.мин≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение Uвх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное U

вх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1

Тип элемента

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t=25°С

А

Iк при
t=100°С

А

Р


Вт

IRG4BC30FD

600

1,6

31

17

100

IRGBC30MD2

600

3,9

26

16

100

IRG4PC30FD

600

1,6

31

17

100

IRG4PC40FD

600

1,5

49

27

160

IRG4PC50FD

600

1,5

70

39

200

IRGPC40MD2

600

4,0

40

24

160

IRGPC50MD2

600

3,0

59

35

200

IRGPh40MD2

1200

4,5

15

9

100

IRGPh50FD2

1200

4,3

29

17

160

IRGPh50MD2

1200

4,4

31

18

160

IRGPH50FD2

1200

3,9

45

25

200

IRGPH50MD2

1200

3,9

42

23

200

OM6516SC

1000

4,0

25

125

OM6520SC

1000

4,0

25

125

 

Табл.2

Тип модуля

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t= 25°С

А

Iк при
t= 100°С

А

Р

Вт

IRGDDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGDDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGDDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGRDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGRDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGRDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGTDN200M06

600

3,0

299

119

1000

IRGTDN300M06

600

3,0

399

159

1316

Где:

  • Uкэ — Напряжение коллектор-эмиттер
  • Uкэн— Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
  • Iк — Постоянный ток коллектора
  • Р — Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

  • Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
  • Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
  • Меньшими потери в режимах импульсных токов.
  • Практически прямоугольной областью безопасной работы.
  • Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
  • Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного «насоса», показанной на рис. 3.

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания Uн. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

  • IR2125 – драйвер верхнего плеча;
  • IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
  • IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
  • IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т.д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Рис.4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Рис.5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

  1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
  2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
  3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
  4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом «Додека – ХХI», 2002.
Транзистор

как переключатель — транзисторы с биполярным переходом

Транзисторы с биполярным переходом

Идеальный переключатель характеризуется бесконечным сопротивлением в разомкнутом состоянии, равным нулю. сопротивление, когда он закрыт, и вход, с помощью которого он может быть открыт или закрыт. Транзисторы можно использовать как переключатели. Преимущества транзистора Переключатели предлагают более механические переключатели, которые не движутся или быстроизнашивающиеся детали, они легко активируются от различных электрических входов, и связанные с этим проблемы, такие как дребезг контактов и искрение, по существу устранены.Конфигурация с общим эмиттером чаще всего используется для транзисторных переключение. Коллектор и эмиттер соответствуют переключателю контакты; базовый ток эмиттера выполняет входную функцию.

Общие выходные характеристики эмиттера типичного NPN-транзистора: показано в части А рисунка ниже. Характеристики расположены в трех регионах; отсечка, активный и насыщенный. Произвольно выбранная линия нагрузки и максимально допустимая рассеиваемая мощность Кривая также показана. Области отсечки и насыщения считаются стабильные или спокойные районы работы.Транзистор считается в выключенном (непроводящем) или включенном (проводящем) состоянии, когда он работает в области отсечки или насыщения соответственно. Третий регион работы, называется активной областью, считается нестабильной (переходной) область, через которую проходит работа транзистора при переходе из выключенного в включенное состояние.

Выходные характеристики и схема переключения.

Типичная схема переключения транзисторов проиллюстрирована в части B рисунка выше.Переключатель S 1 регулирует полярность и величину базового тока. от аккумулятора В B1 или В B2 . Резисторы R B1 и R B2 являются токоограничивающие резисторы. Каждый регион работы обсуждается ниже.

Область отсечения

Область отсечки включает область ниже нулевого тока базы. кривая ( I B = 0). В идеале без начального базовый ток, ток коллектора будет нулевым; коллекторский потенциал будет равно напряжению АКБ В CC .Однако в точке X на Линия нагрузки (вид A на рисунке выше), небольшой ток коллектора измеряется. Это ток коллектора обратного смещения для общего эмиттера. конфигурация. Напряжение коллектора В CE обозначается значком вертикальная проекция из точки X на ось напряжения коллектора. Этот значение равно разнице между напряжением аккумуляторной батареи (В данном случае 12 вольт) и падение напряжения, создаваемое коллектором обратного смещения. ток через резистор нагрузки R L .Нормальные условия покоя для транзисторного ключа в этом области требуют, чтобы переход эмиттер-база и переход коллектор-база должно быть обратным смещением.

С переключателем S 1 (см. Вид B на рисунке выше) в Положение OFF, переход эмиттер-база обратно смещен батареей В B2 через резистор R B2 . Переход коллектор-база обратно смещен батареей В CC через нагрузочный резистор R L ; транзистор в выключенном состоянии (отсечка) состояние.Схема, как выключатель, разомкнута .

Активная область

Активная линейная область — единственная область, обеспечивающая нормальное усиление усилителя. В линейной области переход коллектор-база обратный. смещен, а переход эмиттер-база смещен в прямом направлении. Переходный ответ выходной сигнал в основном определяется характеристиками транзистора в этой области. В схемах переключения эта область представляет собой переходный регион.

Работа переключателя S 1 (вид B на рисунке выше) на Положение ВКЛ устанавливает прямое смещение от батареи В B1 , через резистор R B1 , на переходе эмиттер-база.Базовый ток I B и ток коллектора I C становятся преходящими по своему характеру, перемещаясь из точки X на грузовой марке в точку Y; здесь ток коллектора достигает насыщения. Сигнал быстро проходит через эту область. В коммутационных схемах эта область имеет значение только для проектирования. соображения.

Область насыщенности

В области насыщенности (вид А на рисунке выше) увеличение базы ток не вызывает заметного увеличения тока коллектора Я С .В точке Y на линии нагрузки транзистор в области насыщения. Ток коллектора I C (измеренный по горизонтальной проекции из точки Y) максимально, а коллектор напряжение В CE (измерено по вертикальной проекции из точки Y) как минимум. Это значение напряжения коллектора называется напряжение насыщения ( В CE (SAT) ), и является важным характеристика транзистора. Обычно это доли вольта.Глубокого насыщения обычно избегают из-за его влияния на переходная характеристика транзистора.

Рабочая точка Y соответствует замкнутому переключателю. В идеале сопротивление и напряжение от коллектора до эмиттера будет равно нулю. Для того, чтобы низкое сопротивление может быть достигнута, необходимо, чтобы точка Y лежала ниже колена характеристические кривые (в области насыщения). Достаточный базовый ток должны быть поставлены, чтобы гарантировать, что эта точка будет достигнута. Также важно что обе точки включения и выключения находятся в области ниже максимальное расчетное рассеивание во избежание разрушения транзистора.

При расчете I B , необходимого для достижения точки Y, необходимо знать текущий коэффициент усиления ( h FE ). Зная ч FE дает I Bmin , поскольку I Bmin = I C / h FE . В целом I B делается в два-три раза больше, чем I Bmin чтобы учесть изменения в h FE в зависимости от температуры.

Максимальное номинальное напряжение коллектора никогда не должно превышаться, так как при выходе из строя транзистора может произойти нагревание. Индуктивные нагрузки могут вызывать опасные скачки напряжения. Это может быть их можно избежать, подключив к индуктивности диод для поглощения переходных процессов.

Характеристики переходного процесса

Когда переключатель S 1 (вид B на рисунке выше) работает в последовательность от ВЫКЛ к ВКЛ, а затем обратно к ВЫКЛ, результирующий импульс входного тока I B аналогичен который показан на виде A рисунка ниже.Тогда схема характеризуется сильносигнальная или нелинейная работа транзистора. В режиме большого сигнала прямоугольный входной сигнал управляет транзистором от отсечки до насыщения и обратно к отсечке. Искаженный импульс выходного тока I C (вид B на рисунке ниже) результаты, потому что транзистор не может ответить мгновенно к изменению уровня сигнала. Отклик транзистора во время нарастания и спада называется переходной характеристикой схема.Характеристики выходного импульса в основном определяются переменным током. характеристики транзистора.

Характеристики импульса тока.

Время нарастания ( t r ), также называемое временем нарастания или время включения, это время, необходимое для увеличения переднего фронта импульса по амплитуде от 10 до 90 процентов от максимального значения. Нелинейный характеристики транзистора, внешней цепи и накопителя энергии эффекты способствуют времени.Носители переходят от эмиттера к коллектору терпят столкновения и разбегаются и не достигают коллектора на то же время. Перегрузка транзистора приводит к уменьшению время нарастания. Тем не менее, овердрайв обычно сохраняется. к небольшому значению, так как время выключения (время хранения плюс время спада, см. ниже).

Время импульса ( t p ) или время длительности — это длина времени, когда импульс остается на максимальном или близком к нему значении. Длительность импульса отсчитывается от точки на переднем фронте, где амплитуда импульса достигла 90 процентов от максимального значение до точки на заднем фронте, где амплитуда упал до 90 процентов от максимального значения.

Когда входной ток, I B , отключен, выходной ток, I C , не сразу падает до нуля, а остается почти на его максимальное значение в течение некоторого времени, прежде чем упасть до нуля. Этот период называется временем хранения ( t s ) или временем задержки насыщения. Время хранения определяется тем, что введенные неосновные носители находятся в базовой области транзистора в момент отключения входного тока.Эти перевозчикам требуется определенное время для сбора. Длина времени хранения в основном регулируется степенью насыщения в который транзистор управляется, и время, проведенное в насыщении. Для высокоскоростного переключения время хранения является нежелательным условием. Меньшинства Хранение носителя можно избежать, переключив транзистор из выключенного состояния в точку в активной области. Зажим коллектора предотвращает работа транзистора в области насыщения.

В время спада (время затухания) t f импульса, амплитуда падает с 90 до 10 процентов от максимального значения.Время падения импульса в основном определяется теми же факторами, которые определяют его время нарастания. Время падения можно немного сократить за счет применения обратный ток в конце входного импульса.

Поваренная книга по биполярным транзисторам

— Часть 1


Биполярный транзистор является наиболее важным «активным» схемным элементом, используемым в современной электронике, и он составляет основу большинства линейных и цифровых ИС, операционных усилителей и т. Д. В дискретной форме он может функционировать либо как цифровой переключатель, либо как как линейный усилитель и доступен во многих формах низкой, средней и высокой мощности.В этом вступительном эпизоде ​​основное внимание уделяется базовой теории транзисторов, их характеристикам и конфигурациям схем. Остальные семь частей серии представят широкий спектр практических схем применения биполярных транзисторов.

ОСНОВЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Биполярный транзистор (впервые изобретен в 1948 году) представляет собой трехконтактное (база, эмиттер и коллектор) устройство усиления тока, в котором небольшой входной ток может управлять величиной гораздо большего выходного тока. Термин «биполярный» означает, что устройство изготовлено из полупроводниковых материалов, в которых проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных (основных и неосновных) носителей заряда.

Обычный транзистор сделан из трехслойного полупроводникового материала n-типа и p-типа, с базовым или «управляющим» выводом, подключенным к центральному слою, а выводы коллектора и эмиттера подключены к внешним слоям. Если он использует многослойную конструкцию n-p-n, как на рис. 1 (a) , он известен как npn-транзистор и использует стандартный символ на рис. 1 (b) .

РИСУНОК 1. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) npn-транзистора.


Если он использует структуру p-n-p, как на рис. 2 (a) , он известен как транзистор pnp и использует символ на рис. 2 (b) .

РИСУНОК 2. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) pnp-транзистора.


При использовании для транзисторов npn и pnp требуется источник питания соответствующей полярности, как показано на , рис. 3, .

РИСУНОК 3. Подключения полярности к (a) npn-транзисторам и (b) pnp-транзисторам.


Устройству npn требуется источник питания, который делает коллектор положительным по отношению к эмиттеру — его выходной или выходной ток сигнала (I c ) течет от коллектора к эмиттеру, а его амплитуда регулируется входным «управляющим» током ( I b ), который течет от базы к эмиттеру через внешний токоограничивающий резистор (R b ) и положительное напряжение смещения. Транзистору pnp требуется отрицательное питание — ток его основного вывода течет от эмиттера к коллектору и управляется входным током эмиттер-база, который течет до отрицательного напряжения смещения.

В первые годы использования биполярных транзисторов большинство транзисторов были изготовлены из германиевых полупроводниковых материалов. У таких устройств было много практических недостатков: они были хрупкими, чрезмерно чувствительными к температуре, имели электронные шумы и очень низкую мощность передачи. Германиевые транзисторы уже устарели. Практически все современные биполярные транзисторы изготовлены из кремниевых полупроводниковых материалов. Такие устройства надежны, обладают хорошими показателями мощности, не слишком чувствительны к температуре и генерируют незначительный электронный шум.

Сегодня доступно очень большое количество превосходных типов кремниевых биполярных транзисторов. На рис. 4 перечислены основные характеристики двух типичных маломощных типов общего назначения — 2N3904 (npn) и 2N3906 (pnp), каждый из которых размещен в пластиковом корпусе TO-92 и имеет штифт на нижней стороне. соединения показаны на схеме.

РИСУНОК 4. Общие характеристики и схема маломощных кремниевых транзисторов 2N3904 и 2N3906.


Обратите внимание, что при чтении списка Рис. 4 , что V CEO (max) — это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером, когда база разомкнута, и V CBO (max) — максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и базой при разомкнутой цепи эмиттера. I C (макс.) — это максимальный средний ток, который может протекать через вывод коллектора устройства, а P T (макс.) — максимальная средняя мощность, которую устройство может рассеять без использования внешний радиатор, при нормальной комнатной температуре.

Одним из наиболее важных параметров транзистора является его коэффициент передачи прямого тока, или h fe — это коэффициент усиления по току или отношение выходного / входного тока устройства (обычно от 100 до 300 в двух перечисленных устройствах). Наконец, цифра f T показывает доступное произведение коэффициента усиления / ширины полосы частот устройства, т. Е. Если транзистор используется в конфигурации обратной связи по напряжению, которая обеспечивает усиление по напряжению x100, ширина полосы составляет 1/100 от f T цифра, но если коэффициент усиления по напряжению уменьшается до x10, полоса пропускания увеличивается до f T /10 и т. Д.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Чтобы получить максимальное значение от транзистора, пользователь должен понимать как его статические (постоянный ток), так и динамические (переменный ток) характеристики. На рисунке 5 показаны статические эквивалентные схемы npn- и pnp-транзисторов.

РИСУНОК 5. Статические эквивалентные схемы npn- и pnp-транзисторов.


Стабилитрон неизбежно формируется каждым из np- или pn-переходов транзистора, и, таким образом, транзистор (в статических терминах) равен паре обратно соединенных стабилитронов, подключенных между выводами коллектора и эмиттера, с выводом базы. подключены к их «общей» точке.В большинстве маломощных транзисторов общего назначения переход база-эмиттер имеет типичное значение стабилитрона в диапазоне от 5 В до 10 В — типичное значение стабилитрона перехода база-коллектор находится в диапазоне от 20 В до 100 В.

Таким образом, переход база-эмиттер транзистора действует как обычный диод при прямом смещении и как стабилитрон при обратном смещении. В кремниевых транзисторах смещенный в прямом направлении переход пропускает небольшой ток, пока напряжение смещения не возрастет примерно до 600 мВ, но при превышении этого значения ток быстро увеличивается.При прямом смещении фиксированным током прямое напряжение перехода имеет тепловой коэффициент около -2 мВ / 0 C. Когда транзистор используется с разомкнутой цепью эмиттера, переход база-коллектор действует так же. описан, но имеет большее значение стабилитрона. Если транзистор используется с разомкнутой базой, путь коллектор-эмиттер действует как стабилитрон, включенный последовательно с обычным диодом.

Динамические характеристики транзистора можно понять с помощью , рис. 6, , на котором показаны типичные характеристики прямого перехода маломощного кремниевого npn-транзистора с номинальным значением h fe (коэффициент усиления по току), равным 100.

РИСУНОК 6. Типичные передаточные характеристики маломощных npn-транзисторов со значением h fe , равным 100 номиналу.


Таким образом, когда ток базы (I b ) равен нулю, транзистор пропускает только небольшой ток утечки. Когда напряжение коллектора превышает несколько сотен милливольт, ток коллектора почти прямо пропорционален токам базы и мало зависит от значения напряжения коллектора. Таким образом, устройство можно использовать в качестве генератора постоянного тока, подавая фиксированный ток смещения в базу, или можно использовать как линейный усилитель, наложив входной сигнал на номинальный входной ток.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Транзистор может использоваться во множестве различных конфигураций основных схем, и оставшаяся часть этого вступительного эпизода представляет собой краткое изложение наиболее важных из них. Обратите внимание, что хотя все схемы показаны с использованием транзисторов типа npn, их можно использовать с типами pnp, просто изменив полярность схемы и т. Д.

ДИОД И ЦЕПИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Переход база-эмиттер или база-коллектор кремниевого транзистора может использоваться как простой диод или выпрямитель, или как стабилитрон, используя его с соответствующей полярностью. Рисунок 7 показывает два альтернативных способа использования npn-транзистора в качестве простого диодного зажима, который преобразует прямоугольный входной сигнал, связанный по переменному току, в прямоугольный выходной сигнал, который колеблется между нулем и положительным значением напряжения, т. Е. Который «фиксирует» выходной сигнал. к нулевой контрольной точке либо через внутреннюю базу-эмиттер транзистора, либо через «диодный» переход база-коллектор.

РИСУНОК 7. Схема ограничивающего диода, использующая npn-транзистор в качестве диода.


На рисунке 8 показан npn-транзистор, используемый в качестве стабилитрона, который преобразует нерегулируемое напряжение питания в стабилизированный выходной сигнал с фиксированным значением с типичным значением в диапазоне от 5 В до 10 В, в зависимости от конкретного транзистора. Для этого приложения подходит только переход база-эмиттер транзистора с обратным смещением. Если используется переход база-коллектор с обратным смещением, значение стабилитрона обычно возрастает до диапазона 30–100 В, и транзистор может самоуничтожиться (из-за перегрева) при довольно низких уровнях тока стабилитрона.

РИСУНОК 8. Транзистор, используемый в качестве стабилитрона.


На рисунке 9 показан транзистор, используемый в качестве простого электронного переключателя или цифрового инвертора. Его основание приводится в действие (через R b ) цифровым входом, имеющим либо нулевое напряжение, либо положительное значение, а нагрузка R L подключается между коллектором и положительной шиной питания. Когда входное напряжение равно нулю, транзистор отключен и через нагрузку протекает нулевой ток, поэтому между коллектором и эмиттером появляется полное напряжение питания.Когда на входе высокий уровень, транзисторный ключ полностью включен (насыщен), и в нагрузке протекает максимальный ток, и между коллектором и эмиттером вырабатывается всего несколько сотен милливольт. Таким образом, выходное напряжение представляет собой инвертированную форму входного сигнала.

РИСУНОК 9. Транзисторный переключатель или цифровой инвертор.


Базовая схема Figure 9 предназначена для использования в качестве простого цифрового переключателя или инвертора, управляющего чисто резистивной нагрузкой.Его можно использовать в качестве электронного переключателя, который приводит в действие катушку реле или другую высокоиндуктивную нагрузку (например, двигатель постоянного тока), подключив его, как показано на рис. , рис. 10, , в котором диоды D1 и D2 защищают транзистор от высокоточного переключателя. — индуцированные обратные ЭДС от индуктивной нагрузки в момент отключения питания.

РИСУНОК 10. Транзисторный переключатель (цифровой инвертор), управляющий катушкой реле (или другой индуктивной нагрузкой).


ЦЕПИ ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Транзистор можно использовать в качестве линейного усилителя тока или напряжения, подав соответствующий ток смещения на его базу, а затем подав входной сигнал между соответствующей парой клемм.В этом случае транзистор может использоваться в любом из трех основных режимов работы, каждый из которых обеспечивает уникальный набор характеристик. Эти три режима известны как «общий эмиттер» (, рисунок 11, ), «общая база» (, рисунок 12, ) и «общий коллектор» (, рисунки 13 и 14, ).

В схеме с общим эмиттером (которая показана в очень простой форме на рисунке , рисунок 11, ) резистивная нагрузка R L подключена между коллектором транзистора и положительной линией питания, а ток смещения подается в базу через резистор R b , значение которого выбирается для установки коллектора на значение половины напряжения покоя (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала).Входной сигнал подается между базой транзистора и эмиттером через конденсатор C, а выходной сигнал (который инвертирован по фазе относительно входа) принимается между коллектором и эмиттером. Эта схема дает среднее входное сопротивление и довольно высокий общий коэффициент усиления по напряжению.

РИСУНОК 11. Линейный усилитель с общим эмиттером.


В схеме с общей базой в Рис. 12 база смещена через R b и развязана по переменному току (или заземлена по переменному току) через конденсатор C b .Входной сигнал эффективно применяется между эмиттером и базой через C1, а усиленный, но не инвертированный выходной сигнал эффективно берется между коллектором и базой. Эта схема отличается хорошим коэффициентом усиления по напряжению, почти единичным коэффициентом усиления по току и очень низким входным сопротивлением.

РИСУНОК 12. Линейный усилитель с общей базой.


В цепи общего коллектора постоянного тока на рис. 13 коллектор закорочен на низкоомную положительную шину питания и, таким образом, фактически находится на уровне импеданса «виртуальной земли».Входной сигнал подается между базой и землей (виртуальный коллектор), а неинвертированный выход берется между эмиттером и землей (виртуальный коллектор). Эта схема дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению, а ее выход «следует» за входным сигналом. Таким образом, он известен как повторитель постоянного напряжения (или эмиттерный повторитель) и имеет очень высокий входной импеданс (равный произведению значений R L и h fe ).

РИСУНОК 13. Линейный усилитель постоянного тока с общим коллектором или повторитель напряжения.


Обратите внимание, что приведенная выше схема может быть модифицирована для использования переменного тока, просто смещая транзистор на половину напряжения питания и соединяя входной сигнал с базой по переменному току, как показано в базовой схеме на рис. R1-R2 обеспечивает смещение половинного напряжения питания.

РИСУНОК 14. Усилитель с общим коллектором переменного тока или повторитель напряжения.


Диаграмма на рис. 15 суммирует характеристики трех основных конфигураций усилителя.Таким образом, усилитель с общим коллектором дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению и высокий входной импеданс, в то время как усилители с общим эмиттером и общей базой дают высокие значения усиления по напряжению, но имеют значения входного сопротивления от среднего до низкого.

РИСУНОК 15. Сравнительные характеристики трех основных схемных конфигураций.


ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Рисунок 16 показывает — в базовой форме — как пару усилителей основного типа Рисунок 11 можно соединить вместе, чтобы образовать «дифференциальный» усилитель или «длиннохвостую пару», которая выдает пропорциональный выходной сигнал. на разницу между двумя входными сигналами.В этом случае Q1 и Q2 используют общий эмиттерный резистор («хвост»), а схема смещена (через R1-R2 и R3-R4), так что два транзистора пропускают идентичные токи коллектора (таким образом, обеспечивая нулевую разницу между токами коллектора). два напряжения коллектора) в условиях покоя с нулевым входом.

РИСУНОК 16. Дифференциальный усилитель или длиннохвостая пара.


Если в приведенной выше схеме возрастающее входное напряжение подается только на вход одного транзистора, это приводит к падению выходного напряжения этого транзистора и (в результате действия связи эмиттера) вызывает выходное напряжение другого транзистора. транзистор поднимается на аналогичную величину, что дает большое дифференциальное выходное напряжение между двумя коллекторами.С другой стороны, если на входы обоих транзисторов подаются идентичные сигналы, оба коллектора будут перемещаться на одинаковые величины, и, таким образом, схема будет производить нулевой дифференциальный выходной сигнал. Таким образом, схема выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными сигналами.

ДАРЛИНГТОНСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Входное сопротивление схемы эмиттерного повторителя Рис. 13 равно произведению значений R L и значений h fe транзистора — если требуется сверхвысокий входной импеданс, его можно получить, заменив одиночный транзистор на пара транзисторов, подключенных по схеме «Дарлингтон» или «Супер-Альфа», как показано на Рис. 17 .Здесь эмиттерный ток входного транзистора подается непосредственно на базу выходного транзистора, и пара действует как один транзистор с общим значением h fe , равным произведению двух отдельных значений hfe, т. Е. Если каждое из них транзистор имеет значение h fe , равное 100, пара действует как одиночный транзистор с h fe , равным 10 000, а полная схема имеет входное сопротивление 10 000 x R L .

РИСУНОК 17. Эмиттерный повторитель Дарлингтона или Супер-Альфа постоянного тока.


ЦЕПИ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Мультивибратор — это, по сути, цифровая схема с двумя состояниями, которая может переключаться из состояния с высоким выходом в состояние с низким уровнем выхода или наоборот, с помощью триггерного сигнала, который может быть получен от внешнего источника или с помощью автоматического или срабатывающий механизм синхронизации. Транзисторы могут использоваться в четырех основных типах схем мультивибратора, как показано на рисунках 18-21 .

Схема Рис. 18 Схема представляет собой простой бистабильный мультивибратор с перекрестной связью, запускаемый вручную, в котором базовое смещение каждого транзистора происходит от коллектора другого, так что один транзистор автоматически отключается при включении другого. , и наоборот.

РИСУНОК 18. Бистабильный мультивибратор с ручным запуском.


Таким образом, выходной сигнал может быть понижен путем кратковременного отключения Q2 через S2, таким образом закорачивая путь Q2 база-эмиттер. Когда Q2 отключает привод базы питания R2-R4 на базу Q1, схема автоматически блокируется в этом состоянии до тех пор, пока Q1 не будет аналогичным образом отключен через S1, после чего выход снова блокируется в высоком состоянии и так до бесконечности.

На рис. 19 в базовой форме показан моностабильный мультивибратор или схема генератора однократных импульсов.Его выход (от коллектора Q1) обычно низкий, так как Q1 обычно смещается через R5, но переключается на высокий в течение заданного периода (определяемого значениями компонентов C1-R5), если Q1 на короткое время выключается мгновенным закрытием кнопки « Пуск »переключатель S1.

РИСУНОК 19. Моностабильный мультивибратор с ручным запуском.


Фактический период времени моностабильности начинается при отпускании кнопочного переключателя «Пуск» и имеет период (P) приблизительно 0.7 x C1 x R5, где P выражено в мкСм, C в мкФ, а R в килом.

На рисунке 20 показан нестабильный мультивибратор или автономный генератор прямоугольной волны, в котором периоды включения и выключения прямоугольной волны определяются значениями компонентов C1-R4 и C2-R3. По сути, эта схема действует как пара перекрестно связанных моностабильных схем, которые последовательно автоматически запускают друг друга. Если периоды синхронизации C1-R4 и C2-R3 идентичны, схема генерирует автономный прямоугольный выходной сигнал.Если два периода синхронизации не идентичны, схема генерирует асимметричный выходной сигнал.

РИСУНОК 20. Нестабильный мультивибратор или автономный прямоугольный генератор.


Наконец, На рисунке 21 показан базовый триггер Шмитта или схема преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный. Действие схемы здесь таково, что Q2 внезапно переключается из состояния «включено» в состояние «выключено» или наоборот, когда база Q1 поднимается выше или ниже заранее определенных уровней «триггерного» напряжения.

РИСУНОК 21. Триггер Шмитта или преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.


Если на вход схемы подается синусоидальный сигнал разумной амплитуды, схема, таким образом, генерирует выходной сигнал в виде симпатической прямоугольной волны. NV


5. БЮТ-транзисторы — документация elec2210 1.0

5.1. Цели

Этот эксперимент предназначен для ознакомления с реальными характеристиками транзисторов с биполярным переходом (BJT) и некоторыми из их приложений.В частности,

  1. Мы будем измерять принудительный базовый ток и вынужденное напряжение база-эмиттер Характеристики IC-VCE

  2. Мы построим схему инвертора на биполярном транзисторе, чтобы лучше понять концепции насыщения по напряжению и току

  3. Мы научимся использовать биполярный транзистор для включения большого тока с малым напряжением или током

  4. Мы научимся проводить измерения кривой передачи напряжения (VTC), что является важным методом для проектирования широкого спектра аналоговых и цифровых схем, включая усилители и логические вентили

  5. Мы получим больше опыта с макетной системой ELVIS II +

  6. Мы продолжим развивать профессиональные лабораторные навыки и навыки письменного общения

5.4. Введение

Подробное описание BJT можно найти в главе 5 учебника ELEC 2210, Microelectronics Circuit Design от R.C. Jaeger.

Аббревиатура BJT расшифровывается как Bipolar Junction Transistor. BJT можно рассматривать как устройство, контролирующее выходной ток, ток коллектора, как правило, с входным током или напряжением. Приведенные здесь эксперименты призваны помочь вам понять фундаментальные вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзисторов в реальных условиях, а также ключевые концепции использования биполярных транзисторов в усилителях и переключателях.

Мы будем использовать 2N3904, npn BJT общего назначения с максимальным рабочим током 200 мА и максимальной рассеиваемой мощностью 625 мВт.

Клеммы C, B и E показаны на рисунке 1.

Рисунок 1: Клеммы BJT.

Выходные характеристики BJT с Fo = 25 и VA = 8 показаны на рисунке 2.

Рисунок 2: Выходные характеристики NPN.

Для каждой кривой передняя активная область — это область справа от колена, т.е.е., почти плоская часть. Область слева от колена — это область насыщения. Для коммутационных приложений BJT больше всего похож на замкнутый переключатель, когда он находится в области насыщения, где VCE невелик. Это больше всего похоже на разомкнутый переключатель, когда он находится в отключенном состоянии с iC = 0.

BJT часто используется в качестве переключателя с управлением по току, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: NPN, используемый в качестве переключателя.

Для большинства коммутационных приложений BJT работает в области насыщения, когда он проводит ток.В этой области падение напряжения на выводах коллектор-эмиттер BJT невелико. Величина тока нагрузки в этом случае определяется значением VCC и характеристиками нагрузки и практически не зависит от входного тока или характеристик BJT.

5,6. Лабораторное упражнение

Состоит из четырех частей. Перед тем, как переходить к следующей, попросите вашу GTA подписаться на каждой части.

5.6.1. Характеристики принудительного выхода IB

  1. Включите базу ELVIS и питание макетной платы.

  2. Откройте средство запуска инструментов ELVIS через Пуск> Программы> National Instruments> NI

    ELVISmx для NI ELVIS и NI myDAQ> NI ELVISmx Instrument Launcher

    Рисунок 6: Расположение пусковой установки.

  3. Откройте мягкую переднюю панель 3-проводного анализатора напряжения.

  4. Тщательно измерьте выходные характеристики принудительного IB транзистора 2N3904 NPN следующим образом.Установите шаг Vc на 0,05 В и установите количество кривых на 5, как показано на рисунке 7. Подключите коллектор к клемме DUT + (контакт 29 на нижней левой клеммной колодке), подключите эмиттер к клемме DUT- и подключите база к клемме BASE, показанная на рисунке 7. Если смотреть на плоскую сторону транзистора, можно увидеть, что выводы эмиттера, базы и коллектора слева направо, как показано на рисунке 1.

    Рисунок 7: Настройки измерителя кривой для 2N3904 bjt.

    Рисунок 8: Расположение клемм 3-проводного анализатора.

  5. Нажмите «Выполнить». Трассировщик кривой должен медленно рисовать график.

  6. Щелкните журнал, чтобы сохранить данные для последующего анализа. Также сохраните снимок экрана. Используя Excel или Matlab, постройте график как функцию VCE для IB = 30 мкА. Определите область насыщения и переместите активные области на свой снимок экрана.

5.6.2. Характеристики принудительного вывода VBE

Теперь мы измерим, как IC изменяется с VCE для принудительных напряжений база-эмиттер.Аналоговые выходы будут использоваться для установки напряжения базы и коллектора, а ток коллектора измеряется мультиметром ELVIS. Поскольку аналоговые выходы имеют очень малую допустимую нагрузку по току, будут использоваться два неинвертирующих ОУ с единичным усилением.

  1. Соберите схему, показанную на рисунке 9. Требуется только один операционный усилитель RC4558; на каждой микросхеме по два усилителя. Подключите неинвертирующие входы к аналоговым выходам ELVIS (контакты 31 и 32), как показано.

    Рисунок 9: Схема для измерения характеристик принудительного Vbe.

    На рис. 10 показан контур операционного усилителя 4558 с помеченными контактами.

    Рисунок 10: Распиновка 4558.

  2. Загрузите программу LabVIEW здесь .

  3. Используйте следующие настройки, как показано на рисунке 11.

    Рисунок 11: Настройки измерителя кривой для 2N3904 bjt.

  4. Сохраните снимок экрана и определите области прямой активности и насыщения.

5.6.3. Характеристики переключения транзисторов NPN

Широко используемый метод для понимания работы схемы — это развертка входного или источника напряжения, и наблюдайте, как реагирует интересующее выходное напряжение. При моделировании схемы это делается с помощью развертки постоянного напряжения. анализ. Результатом является кривая передачи напряжения (VTC). VTC полезны при анализе широкого спектра аналоговых и цифровых схем.

Здесь мы будем использовать аналоговый выход AO0 для обеспечения программируемого входного напряжения, и использовать AI0 для экспериментального измерения выходного напряжения схемы переключения транзистора NPN.Схема здесь, по сути, представляет собой инвертор BJT, который также может использоваться как усилитель. когда точка смещения установлена ​​в область, где выходное напряжение изменяется быстрее всего с входным напряжением.

  1. Постройте схему, показанную на рисунке 12. Клемма + 5V — это нижний контакт на нижней левой клеммной колодке.

    Рис. 12. Схема переключения транзистора NPN.

  2. Подключите AO0 к входу, AI0 + к коллектору, который является выходом, а AI0- к земле.

  3. Загрузите программу LabVIEW здесь .

  4. Измените количество шагов на 60 или 100. Нажмите «Выполнить». Вы должны увидеть график, подобный изображенному на рисунке 13. Сохраните снимок экрана.

    Рисунок 13: Схема переключения BJT VTC.

  5. Подключите AI0 + и AI0- через резистор нагрузки коллектора. Повторно запустите программу. Сохраните снимок экрана. Щелкните правой кнопкой мыши график и экспортируйте данные для последующего анализа.

  6. Подключите AI0 + и AI0- через резистор последовательно с базой. Повторно запустите программу и сохраните снимок экрана. Эти данные можно использовать позже для расчета базового тока.

  7. Подключите AI0 + и AI0- через базу и эмиттер. Повторно запустите программу и сохраните снимок экрана.

При необходимости можно изменить шаг развертки.

Что делать в лабораторном отчете?

Обсудите, при каком Vin выходное напряжение начинает заметно падать? Как это сравнить с 0.7V, напряжение включения Si PN перехода? Напомним, что переход база-эмиттер по сути является PN-переходом, только ток электронов переносится на коллектор.

Определите 3 отдельные области работы (отсечка, прямая активная, обратная активная или насыщенная) на кривой Vout-Vin.

График IC и IB в зависимости от Vin. Объясните, как соотношение IC / IB изменяется в зависимости от Vin.

5.6.4. Транзистор как переключатель

Здесь мы используем транзистор в качестве переключателя для включения и выключения нагрузки, которая может быть светодиодом, вентилятором или динамиком.Низкое входное напряжение или ток отключает ток коллектора. Транзистор включается при высоком входном напряжении или базовом токе. Способность транзистора усиливать естественный ток позволяет нам включать и выключать гораздо больший ток, используя источник, который имеет ограниченные возможности управления током, например выход цифрового чипа. Здесь мы имитируем вывод цифрового чипа с помощью цифрового записывающего устройства.

Транзисторы

можно использовать в качестве переключателей, когда мы хотим подключить нагрузку к интегральной схеме, которую микросхема не может управлять.Здесь транзистор используется как электронное реле. Другой способ представить это — то, что транзистор используется для усиления ограниченного выходного тока микросхемы для питания гораздо большей нагрузки. В этой лабораторной работе для управления вентилятором будет использоваться транзистор NPN. Сам транзистор будет управляться цифровым записывающим устройством ELVIS, которое обычно не может питать вентилятор.

  1. Постройте схему, показанную на рисунке 14. Контакты цифровых входов / выходов находятся на верхней правой клеммной колодке. Используйте DIO 0 (контакт 1).Чтобы использовать мультиметр для измерения тока, необходимо использовать разъемы COM и A, а не разъем V -> | -, который использовался ранее. Также учтите, что амперметр необходимо подключать последовательно со схемой.

    Рисунок 14: Схема подключения для демонстрации BJT в качестве переключателя.

  2. Откройте цифровой мультиметр, выберите DC Current и нажмите Run, как показано на рисунке 15.

    Рисунок 15: Цифровой мультиметр.

  3. Откройте Digital Writer, нажмите «Выполнить» и переключите младший значащий бит (правый переключатель).

    Рисунок 16: Цифровое записывающее устройство.

  4. Измерьте и запишите в таблицу значения VCE, VBE, VBC, IB и IC, когда светодиод горит и когда он не горит. Чтобы определить IB, измерьте падение напряжения на RB с помощью цифрового мультиметра Fluke или ELVIS и используйте закон Ома для расчета тока базы. Если используется бортовой вольтметр, необходимо отключить измеритель тока от коллектора. Можете ли вы подтвердить, что BJT находится в режиме насыщения, когда светодиод включен, и в режиме отсечки, когда светодиод выключен? (Подсказка: при насыщении оба перехода должны быть смещены вперед.В отсечке оба перехода должны иметь обратное смещение.)

  5. Замените Rb резистором номиналом 1. Заменить светодиод и резистор 330 Ом на вентилятор и повторить. Соблюдайте полярность вентилятора (черный провод должен быть подключен к коллектору BJT, красный — к цифровому мультиметру). Измерьте и запишите VCE, VBE, VBC, IB и IC, когда вентилятор включен и когда он выключен. Транзистор все еще насыщается при включенном вентиляторе?

% PDF-1.6 % 777 0 объект > эндобдж 801 0 объект > поток 2009-05-12T19: 06: 46Z2009-05-12T19: 18: 05-05: 002009-05-12T19: 18: 05-05: 00application / pdfuuid: 80d138dc-3664-4a1e-990b-c84fc62304cauuid: 536e1dcc-c7c9- 4f8e-91dd-8b4adc96b9be конечный поток эндобдж 797 0 объект > / Кодировка >>>>> эндобдж 778 0 объект > эндобдж 779 0 объект > эндобдж 1 0 объект > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 25 0 объект > эндобдж 31 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 43 0 объект > эндобдж 49 0 объект > эндобдж 55 0 объект > эндобдж 61 0 объект > эндобдж 67 0 объект > эндобдж 73 0 объект > эндобдж 79 0 объект > эндобдж 85 0 объект > эндобдж 91 0 объект > эндобдж 97 0 объект > эндобдж 103 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 115 0 объект > эндобдж 121 0 объект > эндобдж 127 0 объект > эндобдж 133 0 объект > эндобдж 139 0 объект > эндобдж 145 0 объект > эндобдж 151 0 объект > эндобдж 157 0 объект > эндобдж 163 0 объект > эндобдж 169 0 объект > эндобдж 175 0 объект > эндобдж 181 0 объект > эндобдж 187 0 объект > эндобдж 193 0 объект > эндобдж 199 0 объект > эндобдж 205 0 объект > эндобдж 211 0 объект > эндобдж 217 0 объект > эндобдж 223 0 объект > эндобдж 229 0 объект > эндобдж 235 0 объект > эндобдж 241 0 объект > эндобдж 247 0 объект > эндобдж 253 0 объект > эндобдж 259 0 объект > эндобдж 265 0 объект > эндобдж 271 0 объект > эндобдж 277 0 объект > эндобдж 283 0 объект > эндобдж 289 0 объект > эндобдж 295 0 объект > эндобдж 301 0 объект > эндобдж 307 0 объект > эндобдж 313 0 объект > эндобдж 319 0 объект > эндобдж 325 0 объект > эндобдж 331 0 объект > эндобдж 337 0 объект > эндобдж 343 0 объект > эндобдж 349 0 объект > эндобдж 355 0 объект > эндобдж 361 0 объект > эндобдж 367 0 объект > эндобдж 373 0 объект > эндобдж 379 0 объект > эндобдж 385 0 объект > эндобдж 391 0 объект > эндобдж 397 0 объект > эндобдж 403 0 объект > эндобдж 409 0 объект > эндобдж 415 0 объект > эндобдж 421 0 объект > эндобдж 427 0 объект > эндобдж 433 0 объект > эндобдж 439 0 объект > эндобдж 445 0 объект > эндобдж 451 0 объект > эндобдж 457 0 объект > эндобдж 463 0 объект > эндобдж 469 0 объект > эндобдж 475 0 объект > эндобдж 481 0 объект > эндобдж 487 0 объект > эндобдж 493 0 объект > эндобдж 499 0 объект > эндобдж 505 0 объект > эндобдж 511 0 объект > эндобдж 517 0 объект > эндобдж 523 0 объект > эндобдж 529 0 объект > эндобдж 535 0 объект > эндобдж 541 0 объект > эндобдж 547 0 объект > эндобдж 553 0 объект > эндобдж 559 0 объект > эндобдж 565 0 объект > эндобдж 571 0 объект > эндобдж 577 0 объект > эндобдж 583 0 объект > эндобдж 589 0 объект > эндобдж 595 0 объект > эндобдж 601 0 объект > эндобдж 607 0 объект > эндобдж 613 0 объект > эндобдж 619 0 объект > эндобдж 625 0 объект > эндобдж 631 0 объект > эндобдж 637 0 объект > эндобдж 643 0 объект > эндобдж 649 0 объект > эндобдж 655 0 объект > эндобдж 661 0 объект > эндобдж 667 0 объект > эндобдж 673 0 объект > эндобдж 679 0 объект > эндобдж 685 0 объект > эндобдж 691 0 объект > эндобдж 697 0 объект > эндобдж 703 0 объект > эндобдж 709 0 объект > эндобдж 715 0 объект > эндобдж 721 0 объект > эндобдж 727 0 объект > эндобдж 733 0 объект > эндобдж 739 0 объект > эндобдж 745 0 объект > эндобдж 751 0 объект > эндобдж 757 0 объект > эндобдж 759 0 объект > поток xZn / ϸ nX˕8 & `K6w% ҡ (|» Oy ޟ KwWwO $> dwUW: us 1 + # $ *% A} 1x; D’y18 WQZWRh] o ߉ˢ Т ^ & a ~ O? E

В чем разница между PNP и NPN?

Что такое транзисторы PNP и NPN?

PNP и NPN — это транзисторы с биполярным переходом (BJT).БЮТ изготовлены из легированных материалов и допускают усиление тока. Его можно настроить как PNP и NPN. Транзисторы PNP и NPN обеспечивают возможность усиления или переключения.

В чем разница между PNP и NPN?

Легко запомнить, что NPN означает «отрицательно-положительно-отрицательный», а PNP означает положительно-отрицательно-положительные транзисторы. Давайте подробнее рассмотрим, как работают транзисторы NPN и PNP.

Транзистор NPN включается, когда от базы транзистора к эмиттеру подается достаточный ток.Таким образом, база транзистора NPN должна быть подключена к положительному напряжению, а эмиттер — к отрицательному напряжению, чтобы ток протек в базу. Когда от базы к эмиттеру течет достаточно тока, транзистор включает направление тока от коллектора к эмиттеру, а не от базы транзистора к эмиттеру. Транзистор PNP работает наоборот. В транзисторе PNP ток обычно течет от эмиттера транзистора к базе, и когда от эмиттера к базе течет достаточно тока, транзистор включает ток, направляя ток от эмиттера к коллектору.

Вкратце, транзистору NPN требуется положительный ток от базы к эмиттеру, а PNP требует отрицательного тока к базе, но ток должен течь от базы к земле.

— базовый терминал; E — вывод эмиттера; C — вывод коллектора

Вот ссылка на видео ниже, которая может объяснить как работают транзисторы NPN и PNP подробнее:

PNP и NPN транзисторный выходной сигнал и нагрузка резистор

Различные оптические, индуктивные, емкостные и др.датчики имеют выходной сигнал с именами PNP NO, PNP NC, NPN NO, NPN NC, все эти сигналы представляют собой просто переключатель ВКЛ / ВЫКЛ, но вместо сухого контакта у нас установлен выходной транзистор. Транзистор имеет выходную полярность (в отличие от сухого контакта). Как понимать эти выходы:

PNP — (транзистор PNP) NO — нормально открытый, это означает, что на выходе нет напряжения, пока датчик не сработал (см. Рисунок, выходной разъем датчика PNP — № 4). При срабатывании датчика на разъеме № 2 будет +24 В.4. Этот сигнал +24 В может быть подключен непосредственно к ПЛК или для любых других функций, таких как срабатывание реле, срабатывание сигнализации. Обычно ограничение тока в датчиках приближения составляет до 200 мА, поэтому на всех схемах показано, что выход подключается через резистор, на самом деле этот резистор встроен в ваш ПЛК, это может быть катушка вашего реле или индикаторная лампа. . Если мы подключим выход напрямую к GND (минусовой провод), мы получим короткое замыкание, что означает, что ток будет расти и достигнет максимального тока источника питания.Таким образом, если у нас есть, например, источник питания 5A, короткое замыкание превысит предел тока датчика, и он будет поврежден.

Если у нас есть датчик NPN NC, это означает, что наш датчик оснащен транзистором NPN на выходе, а датчик нормально закрыт — это означает, что у нас есть выходной сигнал в высоком состоянии, в то время как датчик не срабатывает. Вместо заземления мы используем положительный кабель.


Неисправности транзисторов

Почему выходят из строя транзисторы?

Все полупроводниковые приборы чрезвычайно надежны.При условии, что они эксплуатируются правильно, у них нет никаких причин для отказа; но, конечно, они терпят неудачу, и это может происходить по разным причинам.

Производственные ошибки

Производственные неисправности случаются (очень редко), обычно в новом оборудовании. Если в новом транзисторе есть неисправность, она часто проявляется в первые несколько часов использования. Если он будет работать правильно в течение этого периода, то велика вероятность, что он будет работать и дальше. Большая часть производственных дефектов может быть обнаружена с помощью «испытаний на выдержку» нового оборудования.Это запускает его на испытательном стенде в течение нескольких часов, чтобы убедиться в отсутствии ранних сбоев. Предметы, прошедшие эти испытания, можно с уверенностью использовать в регулярных целях.

Возраст компонента

Нет реальной причины, по которой транзисторы должны стареть. Срез кремния возрастом 10 лет должен быть таким же, как ломтик годовалого возраста. Однако старые системы, содержащие транзисторы, действительно начинают доставлять больше проблем. Причина этого в том, что другие компоненты, такие как резисторы, могут изменять свои значения с возрастом, особенно если они подвергаются воздействию нагрева, вызванного протеканием тока.В конечном итоге это может привести к тому, что транзистор будет работать за пределами своих нормальных параметров, например, работать при температуре выше допустимой. Именно тогда транзисторы могут выйти из строя. В таких обстоятельствах целесообразно исследовать причины неисправного транзистора, а не просто его заменять. После замены всегда проверяйте напряжение на клеммах транзистора, чтобы убедиться в отсутствии отклонений от нормы.

Внешние причины

Иногда внешние причины могут повредить или даже разрушить транзисторы.Неправильное обращение с полевыми транзисторами может привести к повреждению электростатическим разрядом. Иногда это приводит к тому, что транзистор (или печатная плата) не работает при установке в систему. Это может быть связано с тем, что очень тонкие изолирующие слои внутри устройства полностью вышли из строя из-за высокого напряжения статического электричества, небрежно приложенного к клеммам. Что еще хуже, иногда такие разряды не вызывают немедленного разрушения устройства, но повреждают изоляцию до такой степени, что через какое-то время (часы или годы) устройство выходит из строя.

В оборудовании с питанием от сети (сети) время от времени могут возникать очень короткоживущие импульсы высокого напряжения, вызванные такими событиями, как удары молнии (даже на некотором расстоянии от места повреждения) могут повредить полупроводники. Также скачки напряжения, вызванные локально такими событиями, как индукционное оборудование, такое как запуск или остановка двигателей. Большинство цепей с питанием от сети (и даже некоторые маломощные), подверженные такому повреждению, имеют встроенную защиту, предотвращающую повреждение. В большинстве случаев эта защита работает хорошо, но редко бывает эффективна на 100%.

Схемотехника

Многие неисправности, особенно в оборудовании, производимом для домашнего пользователя, можно найти, обратившись к базам данных повторяющихся неисправностей, опубликованным в технических журналах в Интернете. Причина, по которой возникают эти повторяющиеся неисправности, в основном зависит от конструкции. Товары для дома созданы для того, чтобы их производить по выгодной цене и какое-то время обеспечивать бесперебойную работу. Производители могут производить продукты, соответствующие тщательно разработанным стратегиям. Некоторые неисправности возникают из-за того, что изделие превышает «расчетный срок службы», в то время как другие возникают преждевременно.Разработка электронного продукта для определенного периода жизни в условиях, которые будут очень изменчивыми (например, в наших домах) и над которыми дизайнеры не могут повлиять, — это не точная наука. Однако возникающие неисправности обычно следуют определенной схеме, и тщательная запись предыдущих неисправностей может быть хорошим индикатором будущих неисправностей. Эти сбои могут повлиять на транзисторы так же легко, как и на любой другой компонент.

Мощность и надежность

При рассмотрении единицы неисправного оборудования всегда помните, что надежность любого компонента пропорциональна мощности, которую он рассеивает.Другими словами, «Если обычно становится жарко, то обычно выходит из строя». Такое правило предполагает, что вышедший из строя транзистор с большей вероятностью находится в выходных каскадах схемы, чем в каскадах низкого напряжения и мощности, которые ему предшествуют. Любая схема, в которой используется либо высокое напряжение, либо большой ток, либо и то, и другое, создает гораздо большую нагрузку на полупроводники, чем схемы с низким напряжением и низким током. Хотя устройства, используемые в этих схемах, спроектированы так, чтобы выдерживать такое использование, они справляются с этим хуже, чем устройства, которые относительно легко работают в условиях низкого энергопотребления.Основные проблемные зоны — это блоки питания и выходные каскады. Когда вы сталкиваетесь с неисправной схемой и очень мало информации о ней, быстрая проверка полупроводников на этих этапах может сэкономить много работы.

Неисправности полупроводников

Когда диод или транзистор выходит из строя, обычно происходит одно из двух:

• Переход (или переходы) замыкается накоротко (его сопротивление становится очень низким или нулевым).

• Соединение (или соединения) размыкается (его сопротивление становится очень большим или бесконечным).

Конечно, этот список можно было бы расширить, включив в него те соединения, которые могут стать негерметичными (немного низкое сопротивление), хотя это случается редко. На практике за этим состоянием обычно довольно скоро следует полное короткое замыкание.

Из вышесказанного следует, что диоды и транзисторы могут быть проверены простым измерением сопротивления, в большинстве случаев это так. Набор тестов сопротивления может с большой степенью уверенности показать, исправен ли полупроводник или неисправен. Конечно, могут возникнуть и другие неисправности, и проводятся другие испытания, но они будут обсуждаться после всех важных испытаний на сопротивление.

Начало страницы.>

% PDF-1.2 % 1269 0 объект > эндобдж xref 1269 125 0000000016 00000 н. 0000002875 00000 н. 0000003052 00000 н. 0000003193 00000 п. 0000006435 00000 н. 0000006597 00000 н. 0000006666 00000 н. 0000006766 00000 н. 0000006922 00000 н. 0000007088 00000 н. 0000007263 00000 н. 0000007391 00000 н. 0000007583 00000 н. 0000007694 00000 п. 0000007810 00000 п. 0000007939 00000 п. 0000008062 00000 н. 0000008192 00000 н. 0000008319 00000 н. 0000008456 00000 п. 0000008602 00000 н. 0000008755 00000 н. 0000008902 00000 н. 0000009052 00000 н. 0000009199 00000 н. 0000009348 00000 п. 0000009497 00000 н. 0000009643 00000 п. 0000009788 00000 н. 0000009930 00000 н. 0000010072 00000 п. 0000010215 00000 п. 0000010352 00000 п. 0000010490 00000 п. 0000010628 00000 п. 0000010769 00000 п. 0000010906 00000 п. 0000011044 00000 п. 0000011184 00000 п. 0000011322 00000 п. 0000011489 00000 п. 0000011643 00000 п. 0000011758 00000 п. 0000011899 00000 п. 0000012092 00000 п. 0000012225 00000 п. 0000012358 00000 п. 0000012486 00000 п. 0000012617 00000 п. 0000012756 00000 п. 0000012894 00000 п. 0000013028 00000 п. 0000013161 00000 п. 0000013288 00000 п. 0000013421 00000 п. 0000013568 00000 п. 0000013703 00000 п. 0000013858 00000 п. 0000014007 00000 п. 0000014157 00000 п. 0000014305 00000 п. 0000014451 00000 п. 0000014578 00000 п. 0000014741 00000 п. 0000014933 00000 п. 0000015073 00000 п. 0000015189 00000 п. 0000015357 00000 п. 0000015462 00000 п. 0000015632 00000 п. 0000015811 00000 п. 0000015929 00000 п. 0000016056 00000 п. 0000016255 00000 п. 0000016379 00000 п. 0000016504 00000 п. 0000016680 00000 п. 0000016798 00000 п. 0000016932 00000 п. 0000017091 00000 п. 0000017257 00000 п. 0000017420 00000 п. 0000017610 00000 п. 0000017720 00000 п. 0000017838 00000 п. 0000017987 00000 п. 0000018128 00000 п. 0000018281 00000 п. 0000018414 00000 п. 0000018546 00000 п. 0000018701 00000 п. 0000018839 00000 п. 0000018972 00000 п. 0000019091 00000 п. 0000019236 00000 п. 0000019380 00000 п. 0000019521 00000 п. 0000019655 00000 п. 0000019798 00000 п. 0000019932 00000 п. 0000020068 00000 н. 0000020191 00000 п. 0000020347 00000 п. 0000020499 00000 п. 0000020673 00000 п. 0000020839 00000 п. 0000020996 00000 н. 0000021121 00000 п. 0000021275 00000 п. 0000021392 00000 п. 0000021542 00000 п. 0000022709 00000 п. 0000024036 00000 п. 0000024237 00000 п. 0000024824 00000 п. 0000025035 00000 п. 0000026211 00000 п. 0000027383 00000 п. 0000027594 00000 п. 0000028007 00000 п. 0000029686 00000 п. 0000029834 00000 п. 0000030819 00000 п. 0000003236 00000 н. 0000006411 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 1270 0 объект > >> эндобдж 1271 0 объект Ų ܲ k «Qd}) / U (гд! ^ J ׇ +) / P -60 >> эндобдж 1272 0 объект > эндобдж 1392 0 объект > ручей 7 $ & -_- IED0 [wY9dI3҈ & Bj & aX> TL # eldbrd `矺 c1hajOn + mb>% M0mp-H9Q (pr

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.