Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

эффициент усиления по току для типовых транзисторов составляет около 100. Этот параметр не очень стабилен, он зависит от температуры транзистора, напряжения между коллектором и эмиттером U_КЭ. У супербетта–транзисторов коэффициент усиления по току может состав-лять около 1000, еще больше он у составных транзисторов или транзисторов Дарлингтона, которые мы рассмотрим в далее.

В системах управления транзисторы, как отдельные компоненты, используют в ос-новном в ключах, которые бывают или полностью закрыты, или полностью открыты, т.е., в состоянии насыщения. На рис.2.4 показан типовой ключ на биполярном транзисторе, вклю-

чающий некоторую индуктивную нагрузку R_Н, например, катушку электромагнитного клапана.

Вычислительное ядро формирует ток базы I_Б ключа, при этом фронт сигнала в типовых случаях длится менее микросекун-ды. Транзистор переходит в активный режим, его коллекторный ток I_K растет пропорционально току базы. Падение напряжения на нагрузке возрастает пропорционально току коллектора и напряже-ние на коллекторе падает. На транзисторе в момент переключения рассеивается мощность , которую называют динамическими поте-рями. Далее наступает момент, когда напряжение на коллекторе U_К становится меньше напряжения на базе. Это и есть состояние насыщения 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 ключе-вых транзисторов и токах в несколько ампер это напряжение больше.

Статический коэффициент полезного действия ключа равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке к суммарной мощности выделяемой в ключе и нагрузке:

η_K =

I_К (U_H −U_К )

=

I _К (U_H − U _К )

=

U_H −U_К

.

I _К iU _К + I _К (U_H −U_К )

I_К iU_H

U_H

При напряжении на нагрузке в 24 В, КПД ключа на биполярном транзисторе в состоя-нии насыщения реально составляет величину более 96%. При увеличении напряжения пита-ния нагрузки КПД еще более возрастает. У ключа на биполярном транзисторе три основных недостатка:

Большие токи базы.

Заметные динамические потери при переключениях.

Неустойчивое тепловое равновесие.

Обсудим их. Коэффициент усиления по току h₂₁ , как говорилось ранее, существенно зависит от тока коллектора и у силовых транзисторов в состоянии насыщения или близком к нему составляет уже величину порядка 5…20. Для повышения коэффициента усиления по току были разработаны транзисторы Дарлингтона.

Транзистор Дарлингтона представляет из себя прибор, в котором сформированы два биполярных транзистора, включенных по схеме эмиттерного повторителя (рис.2.5). На принципиальных схемах такие приборы изображают как обычные биполярные транзисторы.

Дарлингтона.

Рис.2.5. Схема транзистора

46

Коэффициент усиления по току для такой схемы будет равен произведению коэффи-циентов усиления отдельных транзисторов и составит уже в активном режиме до 10000 и бо-лее 100 в режиме насыщения. Резистор R_Б обычно встроен в схему и необходим для обеспе-чения линейности схемы в режиме малых токов. При этом базовый ток, открывающий вто-рой транзистор поступает на него, минуя первый. У недорогого отечественного транзистора

КТ829, выполненного по схеме Дарлингтона и рассчитанного на предель-ный ток в 10А, базовый ток в режиме насыщения составляет около 20 мА.

Д ля ключа, просто включающего или отключающего какой либо привод, динамические потери несущественны. Они становятся заметными при переключениях на частотах в несколько десятков килогерц . Для уменьшения этих потерь следует применять более высокочастотные тран-зисторы, быстрее переходящие в режим насыщения. Здесь неоспоримое преимущество получают полевые транзисторы, работающие на носителях заряда одного типа, особенно n, поскольку у них отсутствуют потери вре-мени на рекомбинацию носителей.

Рассмотрим причины неустойчивости теплового равновесия.

Уравнение Эберса-Молла связывает коллекторный ток с напряжением на переходе база-эмиттер UБЭ и описывает работу транзистора в достаточно широком диапазоне напряжений, токов и температур:

I _К = I_НАС i exp(^UБЭ ) −1 ,

^UT

здесь I_НАС – ток насыщения (обратный ток) эмиттерного перехода, U_T =KT/q – энергетиче-ский 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 перехо-

да, поэтому: I_К = I_НАС iexp(^UБЭ ).

U_T

Казалось бы, согласно уравнению Эберса-Молла, ток коллектора должен убывать с повышением температуры, причем экспоненциально, однако это не так. Ток коллектора при постоянном напряжении U_БЭ растет пропорционально температуре. Или, при постоянном коллекторном токе, напряжение на переходе база-эмиттер U_БЭ падает практически линейно, приблизительно на 200 мВ на каждые сто градусов. Это происходит, потому что ток насы-щения I_НАС круто возрастает с повышением температуры, настолько круто, что компенсирует уменьшение экспоненциального члена exp(U_БЭ·q/KT). Это явление приводит к неустойчиво-сти теплового равновесия биполярного транзистора. При повышении температуры в какой либо зоне эмиттерного перехода биполярного транзистора локально возрастает 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 параллельно несколько биполярных транзисторов, хотя полевые транзисторы можно включать парал-лельно, о чем пойдет речь позже.

неустойчивостью теплового равновесия биполярного транзистора конечно борются,

частности, в транзисторную структуру включают резистивные участки с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), поэтому рекомендуется в качестве ключей для коммутации нагрузки следует применять биполярные транзисторы, рекомендо-ванные для этих целей. Кроме того, устойчивость теплового равновесия повышают, приме-няя радиаторы для охлаждения транзистора. Последовательно с нагрузкой рекомендуется также включать низкоомный резистор с сопротивлением порядка 0,3 Ома и высоким поло-жительным ТКС.

=1, 986i10⁻⁴ T , т.е. разность напряжений будет пропорциональ-

47

Если взять два идентичных транзистора, сформированных на одном кристалле и запи-тать их в десять раз различающимся коллекторным током, то согласно уравнению Эберса-Молла для разности напряжений на переходах база-эмиттер получим:

_{U БЭ 2} − _{U БЭ1} = _T ^ln10iK q

на абсолютной температуре. На этом эффекте строят недорогие полупроводниковые датчики температуры, выходной сигнал которых при 27ºС (300К) равен 3В и имеет крутизну 10мВ/К.

Полевые или униполярные транзисторы – это приборы, управляемые напряжени-

ем, а не током, в отличие от биполярных транзисторов. Хотя, строго говоря, и биполярный транзистор также управляется напряжением база – эмиттер, ток базы просто необходим для отвода рекомбинировавших в области базы зарядов.

Мы здесь подробнее познакомимся с работой наиболее часто применяемых в САУ МОП транзисторов (металл-окисел-полупроводник или MOS – Metal-Oxide-Silicon). Эти транзисторы, также, как и биполярные , широко используются в качестве силовых ключей, аналоговых коммутаторов, кроме того, эти транзисторы в настоящее время являются основ-ным элементом интегральной схемотехники для обработки цифровой информации.

Тем, кто хочет подробнее ознакомится с различными типами полевых транзисторов можно рекомендовать обратиться к прекрасной книге [1].

На рис.2.6 показана топологическая схема и схемотехнические обозначения n-МОП транзистора.

Рис.2.6. Топология (а) и схемотехнические обозначения n-МОП транзистора.

На кремниевой подложке р-типа сформированы две области, сток и исток. В силовых транзисторах исток соединен с подложкой. Для этого металлическая пленка, служащая вы-водом с истока, контактирует и с р+ областью. Сток имеет больший потенциал, чем исток.

У других МОП транзисторов подложка часто никуда не подсоединена и сток с исто-ком практически неразличимы и могут подключаться к напряжению любой полярности. За-твор отделен от подложки слоем оксида кремния толщиной в доли микрометра. При подаче на затвор напряжения в несколько вольт электроны из области подложки концентрируются под затвором и образуют канал проводимости между стоком и истоком. Транзистор начинает проводить ток. При снятии напряжения ток прекращается.

Если исток не соединен с подложкой, транзистор обозначают, как показано на рис. 2.6, б). При этом подложка р-типа за счет обратного тока диодов, образующихся между сто-ком и подложкой и истоком и подложкой приобретает потенциал, примерно на 0,5 вольта 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.2.6, в), то между стоком и истоком образуется диод , р-область которого соединена с истоком. Чтобы подчеркнуть это, иногда прибор на схемах рисуют, как на показано на рис. 2.6, г).

На малых частотах работы этот диод не оказывает отрицательного влияния. Более то-го, он шунтирует отрицательные выбросы при коммутации нагрузки, т.е. не требуется под-ключение внешнего диода. Однако на частотах переключения порядка 100 кГц и выше из-за него возникают заметные динамические потери. Но они обычно меньше, чем у биполярного транзистора.

Рис.2.8. Устройство и схемотехническое обозна-чение IGBT транзистора.

48

МОП транзистор ведет себя, как управляемое потенциалом переменное сопротивле-ние. У маломощных элементов, используемых в качестве коммутаторов аналоговых сигна-лов, сопротивление канала во включенном состоянии составляет около Ro = 100 Ом . При выборе коммутатора нужно всегда оценивать, допустимы для Вас такие потери или нет и для коммутации целесообразно использовать релейные решения, несмотря на то, что это дороже, гораздо габаритнее и весомее. Что самое важное, ТКС канала положителен, поэтому тепло-вое равновесие внутри прибора устойчиво!

У мощных ключевых транзисторов сопротивление в открытом состоянии может со-ставлять уже доли Ома. Статический коэффициент полезного действия равен:

η_K =

I ² R

=

Характеристики

Список файлов книги