Ключові елементи на біполярних транзисторах
Біполярний транзистор вже давно використовується в імпульсних джерелах електроживлення, тому не будуть детально розглядатися особливості його роботи в ключовому режимі, а тільки необхідні для практики відомості.
Як відомо, властивості транзистора як підсилювача струму описуються наступним рівнянням:
де h 21 - коефіцієнт посилення по струму;
i б - струм бази;
i до - струм колектора.
Лінійна область роботи транзистора хороша тим, що дозволяє, регулюючи порівняно невеликий струм бази, тим не менше, керувати значним струмом навантаження, розташованої в колекторі транзистора. Максимальний струм колектора, який можна отримати в класичній схемі з колекторної навантаженням, дорівнює:
Максимального струму колектора відповідає максимальний струм бази i б max. Подальше збільшення струму бази не призведе до збільшення струму колектора, оскільки транзистор вже знаходиться в стані, прикордонному із станом насичення.
Що таке стан насичення найкраще пояснювати, представивши транзистор у вигляді двох діодів (рис.1). У ненасиченому стані діод VD 1 закритий. У стан насичення транзистор можна перевести, «піднявши» потенціал бази вище потенціалу колектора за допомогою, наприклад, додаткового джерела напруги U ДОП. У цьому випадку відбудеться відмикання діода VD 2 і транзистор перейде в стан насичення.
У принципі, прикордонний стан теж використовується в імпульсній техніці, але воно менш бажано, оскільки втрати потужності на ключовому елементі, оскільки втрати потужності на ключовому елементі більше, а значить, ККД перетворювача нижче можливої межі.
Насичення транзистора прийнято оцінювати коефіцієнтом насичення. Коефіцієнт насичення - це відношення максимального струму бази в прикордонному режимі до реального току, що подається в базу в насиченому стані. Само собою зрозуміло, що значення коефіцієнта завжди більше одиниці. Коефіцієнт насичення задається розробником імпульсного джерела, виходячи з рекомендацій з проектування. Від його величини залежать динамічні характеристики схеми.
Насичений
Рис.1. Модель біполярного транзистора в ключовому режимі
Чим сильніше буде насичений транзистор, тим менша напруга «колектор-емітер» вдається отримати, тим менше будуть теплові втрати. Однак надмірне насичення загрожує великою неприємністю - у такому стані база транзистора нагромаджує велику кількість неосновних носіїв, які затримують вимикання транзистора.
Щоб було зручно аналізувати транзистор в області насичення, замінимо його наступної еквівалентною схемою. Є ідеальний ключ, зображений на рис.2, на якому падає невелика напруга U КЕ нас. Напруга на насиченому ключі в еквівалентній схемі визначається наступним чином:
де R НАС - Активний опір насиченого ключа;
Еке - джерело ЕРС напругою 0,1 ... 0,5 В.
У довідкових даних прийнято приводити не параметри елементів еквівалентної схеми, а значення U КЕнас при заданому струмі колектора.
Рис. 2. Еквівалентна схема транзистора в режимі насичення
Рис. 3. Еквівалентна схема транзистора в режимі відсічки
Ще один режим роботи транзистора, що відноситься до ключового, носить назву режиму відсічки. Перекласти транзистор у режим відсічки можна додатком між базою і емітером зворотної напруги, тим самим «підпираючи» діод VD2. У режимі відсічення транзистор можна також замінити розімкнутим ключем, схема заміщення якого представлена на рис.3 Транзистор в режимі відсічення має близьке до нескінченного опір R ОТС і невеликий струм витоку р-n переходу i УТ. У довідкових даних для режиму відсічки наводяться зворотний струм бази i КБО і зворотний струм колектора i КЕТ.
Зворотний струм бази, стікаючи по базового ланцюга управління, може відкривати транзистор, тому рекомендується «підтягувати» базу до емітер за допомогою опору R КБО номіналом кілька сотень Ом, як показано на рис.5.
У ключовому режимі дуже важливо знати час перемикання зі стану відсічення в стан насичення і навпаки.
Розглянемо ситуацію, коли транзистор переводиться в стан насичення прямокутним імпульсом з ідеальним фронтом.
Струм колектора, проте, досягає сталого значення не відразу після подачі струму в базу-є деякий час затримки t зад, через яке з'явиться струм у колекторі.
Рис. 4. Модель біполярного транзистора в режимі відсічки
Рис. 5. Спосіб виключення мимовільного відкриття.
Потім струм колектора плавно наростає і після закінчення часу t НАР досягає сталого значення.
де t ВКЛ - час включення транзистора.
При виключенні транзистора на його базу подається негативна напруга, в результаті чого струм бази змінює свій напрямок і стає рівним i бВИК. Поки відбувається розсмоктування не основних носіїв заряду в базі, струм не змінює свого значення. Цей час називається часом розсмоктування t РАС. Після закінчення процесу розсмоктування відбувається спад струму бази, який триває протягом часу t СП.
Протягом часу t РАС транзистор залишається відкритим і колекторний струм не змінює свого значення. Спад струму колектора починається одночасно зі спадом струму бази, і закінчуються вони майже одночасно. Час розсмоктування сильно залежить від ступеня насичення транзистора. Мінімальний час вимикання виходить при прикордонний режим насичення. Для прискорення розсмоктування в базу іноді подають зворотний закриває струм. Однак прикладати до бази велике зворотне напруга небезпечно, оскільки може статися пробій переходу «база-емітер». Максимальна зворотна напруга на базі вказується в довідниках і звичайно не перевищує 5 ... 6 В.
Якщо до бази транзистора в процесі замикання не прикладати зворотна напруга, а просто замикати базу на емітер, таке замикання носить назву пасивного. Звичайно, при пасивному запиранні час розсмоктування збільшується, але з цим миряться, оскільки цей режим не вимагає для своєї реалізації додаткових елементів, а тому широко використовується в імпульсній силовий схемотехніці.
У довідкових даних зазвичай призводять часи включення, спаду і розсмоктування в прикордонному режимі при пасивному запиранні. Для найбільш швидких силових транзисторів час розсмоктування становить 0,1 ... 0,5 мкс.
Комутаційні процеси в транзисторі визначають динамічні втрати при його перемиканні. Занадто великі активні втрати можуть перегріти транзистор, і він проб'ється. Тому дуже важливо вміти прогнозувати тепловий режим транзистора. Ми докладно розберемо розрахунок теплового режиму роботи транзисторів далі, а зараз покажемо, як можна визначити комутаційні параметри транзистора, знаючи граничну частоту його праці та коефіцієнт насичення:
де .
Дані формули відносяться до режиму пасивного замикання.
У потужних імпульсних джерелах живлення, в ключових ланцюгах буває необхідно мати струми, що непосильні для одиночних транзисторів, широко використовується паралельне включення транзисторів. У цьому випадку загальний струм розподіляється між окремими транзисторами. Особливість біполярних транзисторів, про яку треба знати навіть радіоаматорові, це неможливість безпосереднього паралельного з'єднання їх електродів. Необхідно обов'язково включати в еміттерние ланцюга транзисторів невеликі резистори, вирівнюючі струми. Навіщо це робиться, розберемо на прикладі. Припустимо, що ми маємо паралельне з'єднання двох транзисторів - VT 1 і VT 2. Еквівалентна схема цього з'єднання показана на рис.6.
Рис.6 - Схема паралельного включення транзисторів
Хай один транзистор має мінімально можливий параметр Е min = 0,1 В, а другий - максимально можливий Е max = 0,5 В. Опору транзисторів у відкритому стані вважаємо приблизно однаковими. Напруга U КЕ зазвичай не дуже відрізняється від напруги Е в стані насичення. Тоді струм через VT2 буде приблизно в 5 разів більше, ніж струм через транзистор VT1. Іншими словами, потужність, що розсіюється на VT2, буде в 25 разів більше, ніж потужність, що розсіюється на VT1. Ключ може миттєво вийти з ладу, якщо ми планували розподілити струми між ключами рівномірно.
Щоб уникнути теплового пробою через розбалансу струмів, необхідне введення токовиравнівающіх резисторів, показаних на рис.7. Розрахуємо їх номінали, виходячи з таких положень:
• значення U КЕнас довідника представляють собою граничні значення для даного типу транзистора, тому вважаємо, що нам попалися «найкращий» і «найгірший» транзистори;
• опору R НАС всіх транзисторів приблизно рівні.
Переваги такого методу симетрування струмів транзисторів очевидні: нам не потрібно підбирати в кожний емітер свій резистор, а взяти однаковий номінал:
Слід зазначити, що на вирівнюючих резисторах розсіюється додаткова потужність, яка знижує ККД джерела. Проте з цим доводиться миритися, обирати «менше з двох зол».
Існують і більш складні методи симетрування струмів, що використовують як вирівнюючих елементів спеціальні согласующие трансформатори, що включаються в емітери сусідніх пар транзисторів. Цей спосіб, на думку його винахідників, більш ефективний з точки зору ККД, але через складність розрахунку залишається за рамками даної допомоги.
Рис.7. Вирівнювання силових струмів за допомогою додаткових резисторів
Перерахуємо причини виходу з ладу біполярних транзисторів. Як показує практика, дуже важливо визначитися з максимально допустимими напругами і струмами, максимальної розсіюваною потужністю і допустимою температурою корпусу вже на стадії розрахунку імпульсного джерела живлення. Довідкові параметри на граничні режими роботи транзистора обумовлені розвитком в цих граничних режимах різних жидів пробою:
• струмового (по перевищенню t kmax);
• лавинного (по перевищенню U ке max);
• по потужності (досягнення максимальної температури переходу).
Існують два види пробою - первинний і вторинний. Первинний пробою володіє оборотністю, тобто після його виникнення та подальшого усунення причини пробою працездатність транзистора відновлюється. Вторинний пробою розвивається через деякий час після розвитку первинного пробою. Це лавиноподібний процес, що характеризується швидким і некерованим наростанням струму колектора (вплинути на нього за допомогою струму бази вже не можна). Після завершення вторинного пробою, що супроводжується піротехнічними ефектами, транзистор можна сміливо відправляти в сміттєве відро.
Вторинний пробою відсутня в польових транзисторах, які не втрачають своїх керуючих властивостей аж до досягнення граничних режимів і пробою їх керованих переходів. Тобто польові транзистори не втрачають керуючих властивостей.
Біполярні транзистори нині використовуються в імпульсній силовий техніці дедалі рідше і рідше. Їх місце активно займають польові транзистори MOSFET і комбіновані транзистори IGBT, що мають у цій галузі електроніки безсумнівні переваги
Велика спокуса для розробника імпульсної техніки полягає у використанні в силових ланцюгах складеного Дарлінгтоновского транзистора. Більшість одиночних силових транзисторів мають коефіцієнт посилення по струму порядку 10 ... 20. Якщо, скажімо, в силовому ланцюзі необхідно отримати струм 10 А, треба подавати до бази струм не менше 0,5 ... 1 А. Чи то справа складовою транзистор. У цьому випадку можна обійтися і десятками міліампер. Схема управління джерелом значно спрощується, підвищується її ККД, надійність. Але при паралельному з'єднанні складових транзисторів КТ834А були пораховані за всіма вищенаведеними правилами вирівнюючі резистори, проте при включенні схеми відбувався вкрай нерівномірний прогрів корпусів. Виявилося, що в даному випадку користуватися наведеною вище методикою для розрахунку вирівнюючих резисторів не можна.
Більш тонкий розрахунок, заснований на аналізі розкиду коефіцієнтів підсилення по струму, показав, що величини вирівнюючих резисторів для складених транзисторів складають десятки Ом, що, звичайно, неприйнятно для потужної схеми.
Причина такого сумного висновку криється в наступному. Повернемося до моделі транзистора, що складається з двох діодів. Транзистор VT 1 ми легко можемо перевести у стан насичення, задавши потенціал його бази, як належить, вище потенціалу колектора. У той же час потенціал бази VT 2 не може стати вище потенціалу колектора. Відкриваючись, транзистор VT1 тільки «підтягує» базу VT2 до колектора. Отже, колекторний перехід не відкривається, і транзистору VT2 неможливо перейти в стан насичення. Тому потрібно дуже акуратно ставитися до розробки керуючих ланцюгів силових біполярних транзисторів.
Раніше, коли мова йшла про великих потужностях, що вимагаються від імпульсних джерел, у розробника не було вибору, що йому застосовувати в якості ключових елементів, і він пускався на різні хитрощі, щоб використовувати біполярні транзистори. Тепер же з'явилася потужна альтернатива у вигляді силових польових приладів.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Мальков М.Н., Світенко В.М. Пристрої функціональної електроніки та электрорадиоэлементы.Консп. лекцій, частина I. - Харків: ХІРЕ, - 2002. - 140с.
2. Волго В.А. Деталі й вузли радіоелектронної апаратури, Ізд.2-е, перероб. і доп. М.: "Енергія", 2007.-656с.
3. Дротяні резистори. Під ред. М. Т. Железнова, Л. Г. Шіршева .- М.: Енергія.2000.-240с.
Довідник конструктора-приладобудівників. В. Л. Соломаха та ін-М: Висш.шк, 2008.-271с.
Бєлінський Б.Т., гондол В.П. та ін Практичний посібник з навчального конструювання РЕА. - К: Вища шк., 2002 - 494с.