Гл2_06 (1031609), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для p-n-pэтранзистора диоды будут включены противоположно и на коллектор следуетРис. 2.5. подавать отрицательное напряжение, все остальное остается справедливым.Управляемый ток коллектора IK связан с управляющим током базы IБ соотношением: I К = h21 i I Б , здесь h21 – коэффициент усиления транзистора по току. Коэффициент усиления по току для типовых транзисторов составляет около 100. Этот параметр неРябов Владимир Тимофеевич.
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru61очень стабилен, он зависит от температуры транзистора, напряжения между коллектороми эмиттером UКЭ.У супербетта–транзисторов коэффициент усиления по току может составлять около1000, еще больше он у составных транзисторов или транзисторов Дарлингтона, которыемы рассмотрим в следующем разделе.Уравнение Эберса-Молла связывает коллекторный ток с напряжением на переходебаза-эмиттер UБЭ и описывает работу транзистора в достаточно широком диапазоне напряжений, токов и температур:⎛⎞UI К = I НАС i⎜ exp( БЭ ) − 1 ⎟ ,UT⎝⎠здесь IНАС – ток насыщения (обратный ток) эмиттерного перехода, UT =KT/q – энергетический барьер для носителей заряда: K – постоянная Больцмана (К=1,38*10 -23 Дж/Кельвин),Т - абсолютная температура в Кельвинах, q – заряд электрона (q = 1,6*10 -19Кл).Реально коллекторный ток существенно больше тока насыщения эмиттерного пеUI К = I НАС iexp( БЭ ).рехода, поэтому:UTКазалось бы, согласно уравнению Эберса-Молла ток коллектора должен убывать сповышением температуры, причем экспоненциально, однако это не так.
Ток коллекторапри постоянном напряжении UБЭ растет пропорционально температуре. Или, при постоянном коллекторном токе, напряжение на переходе база-эмиттер UБЭ падает практическилинейно, приблизительно на 200 мВ на каждые сто градусов. Это происходит, потому чтоток насыщения IНАС круто возрастает с повышением температуры, настолько круто, чтокомпенсирует уменьшение экспоненциального члена exp(UБЭ·q/KT). Это явление приводитк неустойчивости теплового равновесия биполярного транзистора.
При повышении температуры в какой либо зоне эмиттерного перехода биполярного транзистора локальновозрастает плотность протекающего тока в этой зоне, что приводит к еще большему разогреву рассматриваемого участка и может вызвать выход транзистора из строя.По этой причине, для повышения управляемого тока нельзя включать параллельнонесколько биполярных транзисторов, хотя полевые транзисторы можно включать параллельно, о чем пойдет речь позже.С неустойчивостью теплового равновесия биполярного транзистора конечно борются, в частности, в транзисторную структуру включают резистивные участки с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), поэтому рекомендуется вкачестве ключей для коммутации нагрузки следует применять биполярные транзисторы,рекомендованные для этих целей.Если взять два идентичных транзистора, сформированных на одном кристалле изапитать их в десять раз различающимся коллекторным током, то согласно уравнениюЭберса-Молла для разности напряжений на переходах база-эмиттер получим:ln10i KU БЭ 2 − U БЭ1 = T= 1, 986i10−4 T , т.е.
разность напряжений будет пропорциоqнальна абсолютной температуре. На этом эффекте строят недорогие полупроводниковыедатчики температуры, выходной сигнал которых при 27ºС (300К) равен 3В и имеет крутизну 10мВ/К.Различают три состояния транзистора:1) полностью закрыт (коллекторный ток менее микроампера);2) находится в активном режиме, когда ток коллектора пропорционален току базы;3) полностью открыт, или находится в режиме насыщения.Рябов Владимир Тимофеевич.
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru62В системах управления транзисторы, как отдельныекомпоненты используют в основном в ключах, поэтому намбудет интересен режим насыщения. На рис. 2.6. показан типоRнвой ключ на биполярном транзисторе, включающий некотоVD1рую индуктивную нагрузку Rн, например, катушку вакуумногоUкклапана с электромагнитным приводом.
Ток базы Iб управляетVТ2ключом и должен задаваться вычислительным ядром САУ.I б UбVD2ОтДиоды VD1 и VD2 защищают ключ от индуктивных выбросоввычислинапряжения при включении и выключении нагрузки. При потельногоядравышении тока базы, повышается напряжение на базаэмиттерном переходе Uб и, согласно уравнению Эберса-МоллаРис. 2.6.растет ток коллектора. При этом растет и падение напряженияна нагрузке и наступает момент, когда напряжение на коллекторе Uк, равное разности питающего напряжения и падения напряжения на нагрузке, становится меньше напряженияна базе. Это и есть состояние насыщения открытого биполярного транзистора.
В состоянии насыщения увеличение базового тока перестает увеличивать коллекторный ток. Напряжение на коллекторе составляет доли вольта. Так, у транзистора КТ3102 оно при коллекторном токе в 10 мА составляет всего 75 мВ и менее. Конечно, для силовых ключевыхтранзисторов и токах в несколько ампер это напряжение больше и может приближаться кодному вольту, но все равно, статические потери мощности на ключе, равные PK ≅ I К iU Кневелики. Статический коэффициент полезного действия ключа равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке к суммарной мощности выделяемой в ключе и нагрузке:I К (U H − U К )I (U − U К ) U H − U К= К H=.ηK =I К iU К + I К (U H − U К )I К iU HUHИз формулы видно, что к.п.д. ключа стремится к единице при повышении напряжения на нагрузке.
При напряжении на нагрузке в 24 В в состоянии насыщения КПД ключана биполярном транзисторе реально составляет величину более 96%.У ключа на биполярном транзисторе три основных недостатка:1. Большие токи базы.2. Неустойчивое тепловое равновесие.3. Заметные динамические потери при переключениях.Коэффициент усиления по току h21, как говорилось ранее, существенно зависит оттока коллектора и у силовых транзисторов в состоянии насыщения или близком к немусоставляет уже величину порядка 10…30.
Т. е. для обеспечения тока в нагрузке в 10А понадобятся базовые токи, приближающиеся к амперу. Для повышения коэффициента усиления по току были разработаны транзисторы Дарлингтона.+ UнВ. Транзистор ДарлингтонаТранзистор Дарлингтона представляет из себя прибор, в котором сформированы двабиполярных транзистора, включенных по схеме эмиттерного повторителя (рис. 2.7). На принципиальных схемах такие приборы изображают как обычные биполярные транзисторы.Коэффициент усиления по току для такой схемы будет равен произбведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов и состаквит уже в активном режиме до 10000 и более 100 в режиме насыщения. Резистор Rб обычно встроен в схему и необходим для обеспечеRбэния линейности схемы в режиме малых токов. При этом базовый ток,открывающий второй транзистор поступает на него, минуя первый.Рис.
2.7.Для ключевых транзисторов это несущественно.Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru63У очень недорогого отечественного транзистора КТ829, выполненного по схеме Дарлингтона и рассчитанных на предельный ток в 10А, базовый ток в режиме насыщения составляет около 20 мА.Динамические потери при переключениях на высоких частотах в несколько десятков килогерц становятся заметными при широтно-импульсном регулировании. Для ключа,просто включающего или отключающего клапан эти потери несущественны.
Для уменьшения динамических потерь следует применять более высокочастотные транзисторы.Здесь неоспоримое преимущество получают полевые транзисторы, работающие на носителях заряда одного типа, особенно n, поскольку у них отсутствуют потери времени на рекомбинацию носителей.Устойчивость теплового равновесия повышают, применяя радиаторы для охлаждения транзистора. Рекомендуется включать низкоомный резистор с сопротивлением порядка 0,3 Ома и высоким положительным ТКС последовательно с нагрузкой.Принципиальная электрическая схема ключа на транзисторе Дарлингтона типаКТ829Г приведена на рис.
2.8.+ U вяDA2С1R1DA1 R4R5Rн+ UнПерегрузкаVT1Вкл0R2R3R6Рис. 2.8.ОбозначениеDA1DA2VT1C1R1R2R3R4R5R6RнТип, номиналАОТ 128 БАОТ 101 АСКТ 829 Г0,15 мкФ360 Ом470 кОм200 Ом68 ОмРезистор проволочный 0,3 Ом470 ОмСопротивление нагрузкиТакие ключи применялись в отечественном контроллере «Орион 3», которые выпускались, тогда еще в СССР, в конце 80-х годов. Но основные технические решения, заложенные в схему, до сих пор не потеряли своей актуальности.Управляемая нагрузка представлена здесь резистором Rн, на который подано питание +Uн.
Если нагрузка носит индуктивный характер, ее следует зашунтировать защитными диодами, как мы делали ранее. Кстати, защитный диод VD2 (рис. 2.6), включенный параллельно транзистору на землю здесь не обязателен, поскольку транзистор КТ 829 Г,примененный в качестве ключевого, не боится отрицательного выброса напряжения наколлекторе.В схеме реализован принцип гальванической развязки питания и сигналов вычислительного ядра и объекта управления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
