62362 (Електроніка та мікропроцесорна техніка), страница 7

І. Тема: 2 Електронні прилади

2.3 Транзистори. Тиристори

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

• Як впливає температура на роботу транзистора;

• Вплив частоти на транзистор;

• Переваги та недоліки роботи транзистора в ключовому режимі.

ІІІ. Студент повинен уміти:

• Вибирати транзистори, на які впливає температура та частота;

• Застосовувати транзистор в режимі ключа.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [2, с. 134-139].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Температурні і частотні характеристики транзисторів.

2. Транзистор у режимі ключа.

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Який має вплив температура на роботу транзистора?

2. Частотні властивості транзистора?

3. В чому суть роботи транзистора в ключовому режимі?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Транзистори. Тиристори

План:

1. Температурні і частотні характеристики транзисторів.

2. Транзистор у режимі ключа.

Література

1. Температурні і частотні характеристики транзисторів

Діапазон робочих температур транзисторів, що визначається властивостями р-п переходів, такий же, як і у напівпровідникових діодів. Особливо сильно на роботу транзисторів впливає нагрів і менш істотно - охолоджування (до - 60°С). Дослідження показують, що при нагріві від 20 до 60° З параметри площинних транзисторів змінюються таким чином: r_к падає приблизно удвічі, r_б - на 15-20%, а r_е зростає на 15-20%. Уявлення про вплив нагріву на h- параметри дають графіки мал. 7.17, а, побудовані для малопотужного площинного транзистора, включеного по схемі із загальною базою. Окрім зміни значення основних параметрів транзистора, нагрів викликає зсув вихідних характеристик і зміна їх нахилу (мал. 7.17, б), що також порушує нормальну роботу приладу.

Мал. 7.17. Вплив температури на h-параметри малопотужного площинного транзистора (а) і форму його вихідних характеристик (б)

Особливо істотний вплив на роботу транзистора при нагріві надає струм I_кбо. Наближене значення струму при нагріві можна визначити з рівності

де I_кбоt , - величина I_кбо при підвищеній температурі; I_кБон - величина I_кбо при нормальній температурі (20 °С); Δ - різниця температур при нагріві транзистора.

Для практичних розрахунків можна прийняти, що при підвищенні температури на кожні 10°С струму I_кбо зростає приблизно удвічі.

Нестабільність режиму транзистора, обумовлена струмом I_кбо дуже істотна, оскільки зворотний струм колектора в значній мірі впливає на струми емітера і колектора, а, отже, на підсилювальні властивості транзистора.

Найчастіше для роботи при підвищених температурах застосовуються кремнієві транзистори. Гранична робоча температура у цих приладів складає 125...150°С. З цією ж метою використовується і ряд нових напівпровідникових матеріалів, з яких особливий інтерес представляє карбід кремнію. Прилади, виготовлені на карбіді кремнію, зможуть нормально працювати до температур 500...600°С.

На частотні властивості транзисторів більший вплив роблять ємності р-п переходів. Із збільшенням частоти опір ємності зменшується і шунтуюча дія ємностей зростає. Тому Т-образна еквівалентна схема транзистора на високих частотах, окрім чисто активних опорів r_е, r_б і r_к, містить ємності С_е і С_к, що шунтують емітерний і колекторний переходи. Особливо шкідливий вплив на роботу транзистора надає ємність С_к оскільки на високих частотах опір ємності 1/ω₀С_К виявляється значно менше, ніж опір r_к, і колекторний перехід втрачає свої основні властивості. В даному випадку вплив ємності С_к аналогічно впливу ємності, що шунтує р-п перехід в площинному напівпровідниковому діоді.

Другою причиною погіршення роботи транзистора на високих частотах є відставання по фазі змінного струму колектора від змінного струму емітера. Це обумовлено інерційністю процесу проходження носіїв заряду через базу від емітерного переходу до колекторного, а також інерційністю процесів накопичення і всмоктування зарядів в базі.

Час прольоту носіїв через базу τ_пр у звичайних транзисторів складає приблизно 0,1 мкс. Звичайно, це час дуже мало, але на частотах порядку одиниць - десятків мегагерц стає помітним деяке зрушення фаз між змінними складовими струмів І_е і Ік. Це приводить до збільшення змінного струму бази і, як наслідок, до зниження коефіцієнта посилення по струму.

Це явище ілюструється векторними діаграмами, приведеними на мал. 7.18. Перша з них відповідає низькій частоті, на якій всі струми практично співпадають по фазі, а коефіцієнт ρ має найбільшу величину.

Мал. 7.IS. Векторні діаграми струмів транзистора на різних частотах фаз ф між цими струмами.

Оцінюючи частотні властивості транзистора, слід враховувати також, що дифузія процес хаотичний. Неосновні носії зарядів, інжектовані емітером в базу, пересуваються в ньому різними шляхами. Тому носії, бази, що одночасно увійшли до області, досягають колекторного переходу в різний час. Таким чином, закон зміни струму колектора може не відповідати закону зміни струму емітера, що приводить до спотворення підсилюваного сигналу.

Необхідно відзначити, що із збільшенням частоти коефіцієнт ρ зменшується значно сильніше, ніж α. Коефіцієнт α знижується лише унаслідок впливу ємності Ск, а на величину ρ впливає, окрім цього, ще і зрушення фаз між Ік і Іе. Отже, схема із загальною базою має кращі частотні властивості, чим схема із загальним емітером.

Для визначення коефіцієнтів посилення потоку на частоті f можуть бути використані формули:

Для розширення частотного діапазону транзисторів необхідно збільшувати швидкість переміщення неосновних носіїв зарядів через базу, зменшувати товщину шару бази і колекторну ємність. При виконанні цих умов транзистори (наприклад, дрейфові) можуть успішно працювати на частотах близько десятків і сотень мегагерц.

2. Транзистор у режимі ключа

Найважливішими елементами сучасних схем автоматики і електронних обчислювальних машин є пристрої релейного типу. Головна особливість їх полягає в тому, що під впливом вхідного сигналу режим роботи таких пристроїв різко (стрибкоподібно) міняється. Це дозволяє здійснювати перемикання, або комутацію, різних електричних ланцюгів схеми.

Перемикаючі пристрої релейного типу володіють двома стійкими положеннями, які можуть розглядатися як положення «включено» і «вимкнено». По аналогії з двійковим численням в математиці, в якому існує тільки два дискретні значення «0» і «1», такі пристрої часто називаються також двійковими елементами.

Транзистор є одним з найбільш поширених елементів безконтактних перемикаючих пристроїв. Режим роботи транзистора в перемикаючому пристрої зазвичай називають ключовим. Цей режим характерний тим, що транзистор в процесі роботи періодично переходить з відкритого стану (режиму насичення) в замкнуте (режим відсічки) і навпаки, що відповідає двом стійким станам перемикаючого пристрою.

На мал. 7.19 зображена проста схема ключа на транзисторі рпр, включеному по схемі із загальним емітером.

Замикання транзистора (режим відсічки) спостерігається у тому випадку, коли обидва р-п переходи (емітерний і колекторний) закриті. Для цього достатньо, щоб зворотна напруга на цих переходах була близька до нуля (близько 0,05...0,1 В). З схеми мал. 7.19 видно, що для замикання транзистора типу рпр потрібно подати на його вхід таку напругу, щоб потенціал бази був вищий за потенціал емітера, тобто щоб напруга між базою і емітером задовольняла нерівність U_БЕ≥0 (для транзисторів типу npn ознака цієї нерівності буде зворотною).

Напруга на колекторі замкнутого транзистора рівна

де I_кБо- зворотний струм колектора.

У замкнутому стані транзистор може знаходитися необмежено довго. Вивести його з цього стійкого стану можна тільки за рахунок зовнішніх дій, наприклад шляхом подачі на вхід транзистора типу рпр запускаючого імпульсу негативної полярності.

Мал. 7.19. Ключова схема на транзисторі

Другим стійким станом є режим насичення відкритого транзистора.

Мал. 7.20. Графічне пояснення роботи транзистора в ключовому режимі: І - режим відсічки; // - активний режим; /// - режим насичення

Насичення наступає у тому випадку, коли обидва р-п переходи транзистора відкриті.

На мал. 7.20, а приведені вихідні статичні характеристики транзистора із загальним емітером. У сімействі цих характеристик проведена пряма навантаження АВ, що виражає залежність струму колектора від напруги на колекторі. Величина струму колектора визначається головним чином величиною струму бази: чим більше струм бази (вхідний струм), тим більше струм колектора. При деякому значенні струму бази колекторний струм досягає максимальної величини І_кмах. Така величина колекторного струму відповідає робочій точці А на мал. 7.20, а. При подальшому збільшенні струму бази струм колектора практично залишається незмінним. Тому струм отримав назву струму насичення і позначається І_кнас. Величина струму насичення відкритого транзистора може бути знайдена по формулі

Струму насичення колектора відповідає величина струму насичення бази

де β - коефіцієнт посилення транзистора по струму.

З мал. 7.20, а видно, що в області насичення (поблизу точки А) напруги між колектором і емітером, як і напруги між будь-якими іншими виводами транзистора, близькі до нуля.

На мал. 7.20, б показана залежність струму колектора від струму бази . З цього малюнка видно, що характеристика має злами на межах області замикання (відсічки) і насичення. Це сприяє чіткішій роботі перемикаючого пристрою. Слідує, проте, мати на увазі, що під час переходу транзистора з одного стійкого стану в інше можливі перехідні процеси, що спотворюють форму імпульсних струмів і напруги в ланцюгах транзистора. На мал. 7.21 приведені тимчасові діаграми, що ілюструють характер зміни колекторного струму під впливом імпульсного вхідного сигналу прямокутної форми.

Мал. 7.21. До пояснення перехідних процесів при роботі транзистора в режимі ключа

Якість транзисторного ключа визначається швидкістю перемикання, тобто часом його переходу з одного стану в інше. Чим вище частотні властивості транзистора, тим вище його швидкодія і тим краще він працює в ключовому режимі.