Гл2_06 (Старые лекции), страница 3

Скоро мы более подробно изучим транзисторныеоптопары DA1 и DA2. Как только сигнал Вкл0 переводится вычислительным ядром в низкий уровень, загорается светодиод микросхемы DA1 и освещается база-эмиттерный переход ее фототранзистора, который открывается. При этом эмиттерный ток фототранзисторапоступает в базу транзистора VT1 и открывает его. Резистор R1 ограничивает ток фотодиода. Его расчета мы коснемся при рассмотрении оптопар, резистор R2 ограничиваеттемновой ток фототранзистора.

Резистор R3 предназначен для отвода остатков темновоготока и надежного закрытия транзистора VT1 при отсутствии сигнала включения. При токефототранзистора менее 3 мА ключевой транзистор открываться не будет (почему?).Если ток через ключевой транзистор превысит 5А, падение напряжения на резисторе R5 достигнет 1,5 В. Это специальный проволочный резистор с нелинейным положительным ТКС.

За счет выделяемой на нем мощности (какой?) он нагреется и его сопротивление практически удвоится. Как только конденсатор С1 зарядится до напряжения более 2 вольт, в светодиоде оптопары DA2 сформируется достаточный для его зажиганияток. Откроется фототранзистор этой оптопары и при токе через него более 5 мА на резисторе R6 сформируется сигнал логической единицы «Перегрузка». Сигнал логическойРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им.

Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru64единицы обычно соответствует напряжению более 2,4В (см. Дискретные логические элементы САУ). Этот сигнал поступит на вычислительное ядро и вызовет подпрограмму обслуживания прерывания ситуации, когда ток на ключевом транзисторе превысил 5А. Делопрограммиста описать соответствующую реакцию: выключить ли ключ, подать звуковойсигнал или еще что-то. Здесь уже все зависит от того, каким техпроцессом и элементомуправляет ключ.

Кроме подачи сигнала вычислительному ядру, резистор R5 просто ограничит коллекторный ток ключевого транзистора, не допуская, точнее, снижая вероятностьвыхода его из стоя из-за локального перегрева кристалла транзистора. Также общий нагрев кристалла снижается за счет, что транзистор закреплен на радиаторе.Видите, как много мер принято для стабилизации теплового равновесия.

Преждевсего, это говорит о важности и актуальности этой проблемы.Г. Полевые транзисторыПолевые или униполярные транзисторы – это приборы, управляемые напряжением,а не током, в отличие от биполярных транзисторов. Хотя, строго говоря, и биполярныйтранзистор также управляется напряжением база – эмиттер, ток базы просто необходимдля отвода рекомбинировавших в области базы зарядов.Мы здесь подробнее познакомимся с работой наиболее часто применяемых в САУМОП транзисторов (металл-окисел-полупроводник или MOS – metal-oxide-silicon). Этитранзисторы, также, как и биполярные, широко используются в качестве силовых ключей,аналоговых коммутаторов, кроме того, эти транзисторы в настоящее время являются основным элементом интегральной схемотехники для обработки информации в цифровом идискретном представлении.Тем, кто хочет подробнее ознакомится с различными типами полевых транзисторовможно рекомендовать повторить курс «Физические основы электроники» или обратитьсяк прекрасной книге [2].истокзатворизоляторnподложкастокnpсзссззиииканала)б)в)г)Рис.

2.9.На рисунке 2.9 показана топологическая схема и схемотехнические обозначения nМОП транзистора. На кремниевой подложке р-типа сформированы две области, сток и исток. В силовых транзисторах исток соединен с подложкой. Для этого металлическая пленка, служащая выводом с истока, контактирует и с р+ областью. Отвод от стока такого контакта не имеет. Сток имеет больший потенциал, чем исток. У других МОП транзисторовподложка часто никуда не подсоединена и сток с истоком практически неразличимы и могут подключаться к напряжению любой полярности. Затвор отделен от подложки слоемоксида кремния толщиной в доли микрометра. При подаче на затвор напряжения в несколько вольт электроны из области подложки концентрируются под затвором и образуютканал проводимости между стоком и истоком.

Транзистор начинает проводить ток. Приснятии напряжения ток прекращается.По физике своей работы полевой транзистор проще биполярного, но получилосьтак, что практически они были созданы и нашли широкое применение на два - три десятилетия позже. Причина в высочайших требованиях к чистоте поверхности и параметрамслоя оксида кремния, отделяющего затвор от канала в подложке. И сейчас, когда технология производства МОП транзисторов насчитывает уже несколько десятилетий, по технологическому разбросу параметров МОП транзисторы заметно отстают от биполярных.Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им.

Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru65Если исток не соединен с подложкой, транзистор обозначают, как показано на рис.2.9, б). При этом подложка р-типа за счет обратного тока диодов, образующихся междустоком и подложкой и истоком и подложкой приобретает потенциал, примерно на 0,5вольта меньше минимального из потенциалов стока или истока. Принято в таких приборах c n-каналом меньший потенциал присоединять к стоку.Если исток и подложка имеют контакт внутри прибора (рис.2.9, в), то между стоком и истоком образуется диод, р-область которого соединена с истоком.

Чтобы подчеркнуть это, иногда прибор на схемах рисуют, как на рис. 2.9 г).На малых частотах работы этот диод не оказывает отрицательного влияния. Болеетого, он шунтирует отрицательные выбросы при коммутации нагрузки, т.е. не требуетсяподключение внешнего диода.

Однако на частотах переключения порядка 100 кГц и вышеиз-за него возникают заметные динамические потери. Однако эти потери обычно меньше,чем у биполярного транзистора.МОП транзистор ведет себя, как управляемое потенциалом переменное сопротивление. У маломощных элементов, используемых в качестве коммутаторов аналоговыхсигналов, сопротивление канала во включенном состоянии составляет около Ro = 100 Ом.При выборе коммутатора нужно всегда оценивать, допустимы для Вас такие потери илинет и для коммутации целесообразно использовать релейные решения, несмотря на то, чтоэто дороже и гораздо габаритнее и весомее.Что самое важное, ТКС канала положителен, поэтому тепловое равновесие внутриприбора устойчиво!У мощных ключевых транзисторов сопротивление в открытом состоянии может составлять уже доли Ома.

Статический коэффициент полезного действия равен:I2RRHηK = 2 C H 2=I C RH + I C RO RH + ROЗдесь к.п.д. стремится к единице при высокоомных нагрузках, биполярные же припрочих равных условиях выгоднее, как было показано ранее, при высоковольтных. Обычно, ключ подбирается под известную нагрузку, сопротивление нагрузки и напряжение еепитания бывают определены. Поэтому, можно просто определить статический КПД длябиполярного и полевого транзисторов и выбрать выгодный Вам вариант.Схема типового ключа на МОП транзисторе представлена на рис. 2.10.

Здесь вычислительное ядро ВЯ также, как и на рис. 2.8 гальванически развязано от объекта управления и имеет питание +UВЯ. Если на выводе присутствует логическая единица (U>2.4B),ток через светодиод оптопары DA1 не идет и база+ Uнфототранзистора не освещена. Резистор R2 ограничивает темновой ток фототранзистора, поэтому наRнVD1 затворе VT1 уровень напряжения близок к нулю иR1+ U вяDA1транзистор закрыт. Напряжение на затворе определяется произведением остаточного темнового тока (порядка 0.1 мА) на значение сопротивления R3.

В тожеВкл0VT1время, при Вкл0=0, протекающий по R3 ток долженсоздаватьнапряжение на затворе, достаточное дляR2R3надежного открытия ключа и не перегрузить фототранзистор (обычно 10…20 мА). Видно, что схемаполучилась заметно проще, чем на рис. 2.8 и надежРис. 2.10.нее из-за устойчивости теплового равновесия. Былибы еще полевые транзисторы с малым сопротивлением в открытом состоянии подешевле.Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э.

Баумана, V_Ryabov@mail.ru66Д. IGBT транзисторыВ большинстве случаев биполярные транзисторы оказываются более выгодными нетолько экономически, но и энергетически. Редко, когда мощные нагрузки питают напряжением меньше 24 В, обычно это100 и более вольт, значит КПД дешевого биполярного ключагарантированно 0,99 и более. Одна беда – тепловое равновесие. В конце 80-х годов прошлого века были созданы IGBT транзисторы (Isolated Gate Bipolar Transistor) – биполярныетранзисторы с изолированным затвором, совместившие в себе независимое от тока нагрузкипадение напряжения биполярного транзистора и простоту управления и устойчивое тепловое равновесие полевого. По своим частотным свойствам IGBT транзисторы близки к биполярным и имеют допустимые динамические потери при частотах переключения до 50…100кГц.

IGBT транзистор – трехвыводнойприбор, имеющий вывод затвора, эмитктера и коллектора. В основе IGBT – составной биполярный транзистор, базоккквый ток которого формируется МОПззззтранзистором. Управление подается наэего затвор.