Биполярный транзистор. Работа в режиме усиления. Часть 2. Транзистор в ключевом режиме pnpсхема подключения. Какая разница между PNP и NPN-транзисторами? :: SYL.ruPNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора. Конструкция прибораКонструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже. Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока ("внутрь" для транзистора PNP). PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Основные отличия двух типов биполярных транзисторовГлавным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером. Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору. Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базойДействительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер. По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий. Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттеромВ этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора. Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB. В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий. В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей. PNP-транзистор: подключение источников напряженияИсточник напряжения между базой и эмиттером (VBE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру. Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (VCE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору. Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже. На этот раз коллектор подключен к напряжению питания VCC через нагрузочный резистор, RL, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения VB, которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор RB, который снова используется для ограничения максимального тока базы. Работа PNP-транзисторного каскадаИтак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже. Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: IC = IE – IB, так как ток должен вытекать из базы. Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже. Характеристики транзистораВыходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат. Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже. Транзисторные пары в усилительных каскадахВы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов - NPN и PNP - дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют "комплементарные", или "согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде. Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=IC/IB согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений. Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор – только его отрицательную половину. Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами. Транзисторные пары в схемах управления электродвигателямиИх применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения. H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем. Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения. Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B. Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование. Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора. Определение типа транзисторовЛюбые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине. Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат: 1. Эмиттер - База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении. 2. Коллектор - База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении. 3. Эмиттер - Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении. Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов
Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру. www.syl.ru В чем различие между PNP и NPN транзистором?Существует два основных типа транзисторов – биполярные и полевые. Биполярные транзисторы изготавливаются из легированных материалов и могут быть двух типов – NPN и PNP. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы (активном, насыщении, отсечки) коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора.
Физика полупроводников в этой статье обсуждаться не будет, однако, стоит упомянуть, что биполярный транзистор состоит из трех отдельных частей, разделенных двумя p-n переходами. Транзистор PNP имеет одну N область, разделенную двумя P областями:
Транзистор NPN имеет одну P область, заключенную между двумя N областями:
Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода. Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:
В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течет от коллектора (К) к эмиттеру (Э):
А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:
Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания. PNP и NPN работают почти одинаково, но их режимы отличаются из-за полярностей. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, UБ должно быть выше, чем UК и UЭ. Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:
Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Принцип работы NPN и PNP транзисторов один и тот же. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор. elenergi.ru Транзисторы в ключевом режиме работы — КиберПедияОдним из наиболее распространенных элементов импульсных и дискретных устройств является транзисторный ключ. Электронные ключи используются для коммутации электрических сигналов. Они бывают аналоговые и цифровые. [Пояснить разницу]. В качестве ключа могут использоваться как БТ, так и ПТ. Транзисторный ключ имеет два основных состояния: разомкнутое (транзистор заперт) и замкнутое (БТ в состоянии насыщения или близком к нему, ПТ имеет минимальное сопротивление.). В активном режиме транзистор работает только в течение короткого времени перехода из одного состояния в другое. На рис. 4.13, а приведена простейшая схема цифрового ключа на БТ. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером, однако имеет совершенно другие режимы работы, чем в усилительном каскаде. В дискретных схемах обычно установлены пороговые уровни логического нуля UL (low – низкий) и логической единицы UH (high – высокий). В схеме ключа должны выполняться условия: Uвых ≥ UH при Uвх ≤ UL; Uвых ≤ UL при Uвх ≥ UH. (4.4) Статические состояния, при которых входное или выходное напряжения соответствуют условию UL < U < UH, считаются запрещенными. Требования (4.4) принято выполнять с запасом для обеспечения помехоустойчивости. При открытом состоянии ключа транзистор должен быть в состоянии насыщения, при этом оба его перехода смещены в прямом направлении. Условие насыщения имеет вид: h31ЭIб > Iкн, (4.5) где Iб – базовый ток; Iкн – коллекторный ток в режиме насыщения. Токи в выражении (4.5) определяются следующим образом: (4.6) где Uкэн – напряжение коллектор-эмиттер насыщенного транзистора. Обычно величина Uкэн не превышает десятков – сотен мВ, поэтому в (4.6) ею можно пренебречь. Степень выполнения неравенства (4.5) учитывается коэффициентом насыщения kн = h31ЭIб/Iкн. Обычно kн устанавливается равным 2 – 3 для надежного открывания ключа и обеспечения помехоустойчивости открытого состояния. Величина Rк выбирается достаточно малой, чтобы обеспечить быстрый перезаряд барьерной и паразитных емкостей при переключении, однако так, чтобы величина коллекторного тока была не слишком велика. Кроме того, необходимо учитывать величину сопротивления нагрузки Rн. Соотношение между Rк и Rн определяет уровень выходного напряжения в закрытом состоянии: Запас помехоустойчивости закрытого ключа определяется входной характеристикой транзистора. При комнатной температуре наибольшее входное напряжение кремниевого транзистора, при котором он еще остается надежно закрытым, составляет примерно 0,4 В. При необходимости повышения запаса помехоустойчивости можно выполнить базовую цепь в виде делителя напряжения (рис. 4.14, а). Более эффективным является включение последовательно с базой одного или нескольких диодов (рис. 4.14, б), при этом следует ввести дополнительный базовый резистор Rбэ >> Rб для обеспечения цепи протекания обратного тока коллектора. Применяется также подача запирающего напряжения смещения Uсм (рис. 4.14, в). Динамические свойства ключей являются существенными при высокой частоте переключения. Различают несколько временных интервалов, характеризующих работу ключа в импульсном режиме (рис. 4.15). Длительности среза tc и фронта tф выходного сигнала обычно фиксируются на уровне 10 и 90 % от максимального выходного напряжения Um. Их значения определяются в основном процессами перезаряда паразитных емкостей, складывающихся из емкостей переходов и монтажа, причем длительность фронта существенно больше, поскольку ток перезаряда при запирании транзистора ограничен величиной Rк. Время рассасывания неосновных носителей в базе tр зависит от тока базы и степени насыщения транзистора. Величина tр играет основную роль в задержке фронта. Обычно быстродействие ключей характеризуют усредненным параметром: так называемой задержкой распространения сигнала: где tзс и tзф – интервалы времени между скачком входного напряжения и моментом пересечения выходным напряжением уровня 0,5 Um соответственно на спаде и на фронте импульса. Основные методы повышения быстродействия ключей: 1. Уменьшение размеров транзисторов, что приводит к уменьшению барьерных емкостей. 2. Увеличение токов для быстрого перезаряда емкостей. 3. Использование форсирующего конденсатора в цепи базы (рис. 4.16, а). В момент отпирания транзистора в базу на короткое время подается увеличенный ток, в то же время стационарный ток базы остается неизменным. Это позволяет ускорить процесс заряда барьерных емкостей, не увеличивая степень насыщения транзистора. При спаде входного напряжения до нуля на базе формируется отрицательный выброс, что ускоряет рассасывание носителей в базе. 4. Предотвращение глубокого насыщения транзистора при помощи диода Шоттки (рис. 4.16, б). У диодов Шоттки переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Они характеризуются весьма малым накоплением заряда и низким по сравнению с обычными кремниевыми диодами прямым падением напряжения (около 0,3 В). При открывании транзистора и входе его в режим насыщения выполняется условие Uкэн < Uбэ, вследствие чего диод Шоттки открывается, и часть входного тока ответвляется в цепь коллектора, за счет чего транзистор удерживается на границе активного режима. Недостатком этого метода является увеличенное напряжение ключа в открытом состоянии (порядка 0,4 – 0,5 В). Ключи на полевых транзисторах используются для коммутации как аналоговых, так и цифровых сигналов. Аналоговые ключи на ПТ будут рассмотрены позднее – в разделе схемотехники. В простейшем цифровом ключе ПТ включен по схеме с ОИ. Чаще всего используется МОП-транзистор с индуцированным каналом (пояснить, почему). Для ключей на ПТ характерны следующие свойства: ─ малое остаточное напряжение на открытом ключе; ─ высокое сопротивление закрытого ключа; ─ малая мощность в цепи управляющего напряжения; ─ возможность коммутации электрических сигналов очень малого уровня (порядка микровольт). По быстродействию ключи на ПТ близки к ключам на БТ. ПТ как ключи характеризуются следующими показателями. Входное сопротивление(по цепи затвора) ключей на ПТ с управляющим р-п-переходом при малой частоте коммутации составляет около 108 – 109 Ом, у МОП-транзисторов – около 1012 – 1014 Ом. С повышением частоты входное сопротивлениеуменьшается вследствие влияния емкостей Сзс, Сзи. Сопротивление закрытого ключа на ПТ в области низких частот достаточно велико. Ориентировочно можно принятьсопротивление закрытого ключа на транзисторе с управляющим р-n-переходом не менее 108 Ом, на МОП-транзисторе – порядка 1010 – 1012 Ом. Типичное сопротивление канала открытого ключа на ПТ (при UЗИ = 0 у ПТ с управляющим р-n-переходом и максимально большим UЗИ у МОП-транзисторов) составляет от 20 до 200 Ом.
Глава 5. ТИРИСТОРЫ
Тиристор – полупроводниковый прибор, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода и два устойчивых состояния: закрытое (не пропускает ток) и открытое (низкое сопротивление, проводит ток). Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором, а триодный – тринистором. В практике чаще всего под тиристором понимают именно управляемый тиристор, т.е. различают динисторы и тиристоры. Динисторпредставляет собой двухполюсную четырехслойную p-n-p-n-структуру (рис. 5.1). Электрод, соединенный c внешней n-областью – катод, а с внешней р-областью – анод. При малых значениях внешнего напряжения при любой полярности в цепи есть по крайней мере один обратно смещенный переход, поэтому ключ разомкнут. Однако если в структуре появляется электрический ток по любой причине (их может быть несколько, еще увидим), возникает лавинообразный процесс включения прибора. При подаче напряжения между анодом (А) и катодом (К) в прямом направлении оба транзистора будут закрыты, так как базовые токи их будут отсутствовать. При увеличении напряжения до величины, при которой начинается лавинный пробой, например, коллекторного перехода транзистора VT1, во входной цепи транзистора VT2 потечет базовый ток Iк1. Под действием этого тока в коллекторной цепи транзистора VT2 потечет ток β2 Iк1, где β2 – коэффициент передачи по току транзистора VT2. Но этот ток является базовым для транзистора VT1, он усиливается в β1 раз. Тогда в выходной коллекторной цепи транзистора VT1 потечет коллекторный ток Iк1 = β1 β2 Iк1, и он весь течет в базу VT2. Процесс взаимного усиления токов продолжается до тех пор, пока оба транзистора не войдут в режим насыщения, что соответствует включению динистора. ВАХ динистора приведена на рис. 5.3. При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала изменяется незначительно (участок 1). При дальнейшем увеличении напряжения возникает лавинное размножение носителей заряда, что то вызывает дальнейший рост коллекторного тока. Этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В результате динистор открывается, падение напряжения на нем незначительно, все напряжение источника прикладывается к внешнему резистору R (см. рис. 5.1). После переключения ВАХ аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). При подаче на анод отрицательного напряжения не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток. Динистор ведет себя как обычный диод при обратном напряжении. Главный параметр динистора – напряжение включения Uвкл. Кроме того, динистор характеризуется минимально допустимым значением прямого тока, при котором прибор будет открыт. Если уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом током удержания (Iуд), начинается резкое уменьшение тока, и динистор переходит обратно в закрытое состояние, на участок 1. Показать простейший пример применения динистора в генераторе импульсов. Тиристор. В отличие от динистора у него имеется вывод от одной из баз – управляющий электрод (рис. 5.4). В двухтранзисторной эквивалентной схеме он соответствует выводу от базы VT2 (рис. 5.5). Если подключить источник управляющего напряжения между управляющим электродом (УЭ) и катодом, то появится ток управления, который при определенной величине приводит к лавинообразному нарастанию тока в ПП-структуре до тех пор, пока он не будет ограничен резистором в цепи источника питания. Произойдет включение тиристора. [Вот и вторая причина появления тока в четырехслойной структуре]. На рис. 5.4, а и 5.5 показан так называемый тиристор, управляемый по катоду, т.к. отпирающее напряжение подается между УЭ и К. Его УГО – на рис. 5.4 б. Это наиболее распространенный вариант. Возможен также вариант тиристора, управляемого по аноду, у него УЭ соединяется с областью n1, и отпирающее напряжение подается между А и У. Соответствующее УГО – на рис. 5.4, в. После того, как тиристор включился, он сам себя поддерживает в открытом состоянии за счет внутренней обратной связи, и источник управления уже оказывается ненужным. Таким образом, для включения тиристора достаточен очень короткий импульс управления. Для того, чтобы выключить тиристор, необходимо прервать ток, протекающий в его силовой цепи (или уменьшить ток до величины, меньшей тока удержания), на короткий промежуток времени, достаточный для рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника и восстановления закрытого состояния. Чтобы снова включить тиристор, необходимо снова подать в цепь управления ток. Таким образом, тиристор представляет собой бесконтактный ключ, который может быть только в двух устойчивых состояниях: выключен, либо включен. Перевести тиристор в проводящее состояние можно при наличии одновременно двух факторов: положительный потенциал анода относительно катода и подача управляющего сигнала в виде тока в цепи управляющего электрода. Если хотя бы один из этих факторов отсутствует, то тиристор будет оставаться в закрытом состоянии. Выключить тиристор по цепи управления нельзя, поэтому его называют частично управляемым вентилем. Вольт-амперная характеристика тиристора представлена на рис. 5.6. Сравнить с ВАХ динистора. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение включения. Ток управления, при котором тиристор переходит на спрямленный участок вольт-амперной характеристики (показано на рис. пунктиром) называют током включения. При изменении полярности приложенного к тиристору напряжения, эмиттерные p-n-переходы будут смещены в обратном направлении, тиристор будет закрыт, а вольт-амперная характеристика будет представлять собой обратную ветвь ВАХ обыкновенного диода. Из-за частичной управляемости обычный тиристор иногда называют однооперационным тиристором. Позже мы увидим, что существуют и двухоперационные (запираемые) тиристоры Показать в качестве простейшего примера применение тиристоров в управляемом выпрямителе. cyberpedia.su описание, режимы работы :: SYL.ruПолевые транзисторы – это активные полупроводниковые элементы, в которых управление выходным током осуществляется при помощи изменения электрического поля. В обычных, биполярных, транзисторах управление происходит с помощью входного тока. Полевые транзисторы также называются униполярными, потому что в процессе прохождения электрического тока принимает участие всего один тип носителей. Существует два типа полевых транзисторов: с изолированным затвором (в свою очередь, они делятся на приборы с встроенным и с индукционным каналом) и с управляемым переходом. Описание и параметры Полевые транзисторы состоят из истока (источника носителей тока), затвора (управляющего электрода), стока (электрода, в который стекаются носители). Затвор - это вывод полевого полупроводникового прибора, к которому подведено управляющее напряжение. Исток – это электрод, который предназначен для передачи в транзистор от устройства электропитания носителей заряда. Сток – вывод прибора, через который заряд покидает транзистор. Канал полевого транзистора – это область полупроводникового прибора, в которой происходит перемещение носителей заряда. Такие каналы бывают с электронной и дырочной проводимостью. Полевые транзисторы имеют следующие основные параметры: - входное сопротивление - это отношение приращения разницы потенциалов "затвор – исток" к приращению тока в затворе; - напряжение отсечки; - внутренне (выходное) сопротивление элемента – отношение приращения разницы потенциалов "сток - исток" к приращению величины тока в истоке при заданном значении напряжения "затвор - исток"; - крутизна стокозатворной характеристики – отношение приращения величины тока в стоке к приращению разницы потенциалов "затвор - исток" при неизменном значении напряжения "сток - исток". Ключевой режим работы транзистора Ключевым считают такой режим работы полупроводникового прибора, при котором транзистор будет или полностью открыт, или полностью закрыт, промежуточные состояния отсутствуют. Мощность, выделяемая в элементе (статический режим), равна произведению протекающего через электроды "сток - исток" тока и разницы потенциалов между этими контактами. В режиме полного открытия (насыщения) полевого транзистора величина сопротивления между электродами "сток - исток" приближается к нулю. Значение мощности потерь в таком состоянии представляет собой произведение нуля на величину тока, и в результате мощность тоже равна нулю. В режиме полного закрытия прибора (режим отсечки) сопротивление между контактами "сток - исток" стремится к бесконечности. Значение мощности потерь в таком состоянии представляет собой произведение значения напряжения на нуль, в результате мощность снова равна нулю. Это в теории, а на практике, когда полупроводниковый полевой транзистор находится в полностью открытом состоянии, в приборе присутствует незначительное значение сопротивления "сток - исток". В закрытом же состоянии по электродам "сток - исток" протекают незначительные токи. В результате значение мощности потерь не равно нулю, но является ничтожно малым. В динамическом (переходном) режиме рабочая точка транзистора пересекает линейную область, значения тока в которой составляет половину максимальной величины тока стока; значение разницы потенциалов "сток - исток" также достигает половины величины максимального напряжения. Получается, что в переходном режиме транзистором выделяется значительная мощность потерь. Но длительность этого процесса намного меньше, чем длительность статического режима. Соответственно, КПД каскада полевого транзистора, находящегося в ключевом режиме, очень высок – 93/98 процентов. Приборы, которые работают в ключевом режиме, широко применяются в силовых преобразовательных устройствах, импульсных источниках, в выходных каскадах передатчиков. Проверка полевого транзистора Диагностика полевых приборов достаточно элементарна, понадобится стандартный мультиметр. Для проверки полевого транзистора N-канального типа выставляется измерительный прибор в режим прозвонки. Черным щупом касаемся подложки транзистора (стока), а красным - истока. Прибор покажет падение напряжения (около 500 мВ), значит, транзистор закрыт. После этого касаемся красным щупом затвора и снова возвращаемся на исток, теперь мультиметр покажет 0 мВ, значит, транзистор открыт. Теперь, если черным щупом коснуться затвора и снова вернуться на сток, то транзистор снова закроется. Проверка окончена, элемент исправен. Для проверки P-канального полевого прибора меняем полярность напряжения. www.syl.ru Работа транзистора в ключевом режиме, страница 22. на рассасывание накопленного заряда в базе транзистора. Первая составляющая заряда равна Соответственно вторая - где Iб – установившийся ток базы после окончания переходного процесса. Заряд, прошедший через емкость Сб равен: Qсб = Сб ∙ (Vген – Vбэнасыщ) = Q1 + Q2, отсюда найдем Сб:
Пример: для транзистора КТ3102 рассчитаем величины Rб и Сб, причем Vген = 3.5 В, Iб = 1 мА, Сбк = 7 пФ, tb = 80 нсек. Rб = (Vген – Vбэнас)/Iб = (3.5 – 0.8)/10– 3 = 2.7кОм Q1 = 7 ∙ 10 – 12 ∙ (10 – 0.7) = 65.1 ∙ 10– 12 кул. Q2 = 10 – 3 ∙ 80∙10– 9 = 80 ∙ 10 – 12 кул. Q1 + Q2 = 145 ∙ 10 – 12 кул. Этот заряд при принятых выше допущениях равен заряду на емкости Сб после окончания переходного процесса, т.е. можно записать:
Ненасыщенные ключи. В большинстве случаев задержка выключения ключа играет отрицательную роль, но на включение транзистора насыщение сказывается положительно, поэтому разработано большое количество схем, у которых сохранены положительные стороны насыщенных ключей и устранены отрицательные. Таким требованиям удовлетворяет:
Эмиттерно – связанный ключ. Такой ключ, как правило, выполняется с двумя источниками питания на основе дифференциального каскада. Режим, т.е. значения Rк1, Rк2, Rэ выбираются так, чтобы транзисторы не входили в насыщение. Для этого
Для переключения транзистора (отпирания одного из транзисторов и запирания другого), нужно подавать на вход напряжение Vген = ± 0.5В, для увеличения скорости переключения ключа это напряжение нужно увеличивать. Время переключения такого ключа близко к ta, так как работа транзисторов для этой схемы близка к режиму ОБ. Работа транзистора в лавинном режиме.
Лавинный транзистор ГТ338 А, ГТ338Б Vлав.=60В макс., Vост. = 5 – 15 В. Iк макс.=1А. tвкл < 1 нсек Кроме этого, могут быть использованы некоторые обычные транзисторы в лавинном режиме: КТ312, КТ608, К Т921 (Vлав. = 60В, Iк макс.=10А, tвкл < 5 нсек) Особенности применения. 1. Большое остаточное напряжение на коллекторе приводит к большой рассеиваемой мощности на коллекторе, что ограничивает частоту повторения импульсов. 2. Транзистор входит в режим с большим накопленным зарядом в базе, поэтому при необходимости для быстрого рассасывания этого заряда приходится прибегать к специальным мерам. Полевые транзисторы в ключевом режиме. В настоящее время в качестве элементов, работающих в режиме ключа, широко используются полевые транзисторы. Они работают в преобразователях напряжения, инверторах, вторичных источниках питания, а также в формирователях импульсов наносекундного и субнаносекундного диапазона. Преимуществом полевых транзисторов является отсутствие накопления заряда, что уменьшает время выключения. Кроме того, сопротивление полевых транзисторов в открытом состоянии растет с увеличение температуры, поэтому в отличие от биполярных транзисторов их можно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Управление полевыми транзисторами существенно проще, чем биполярными, так как сопротивление утечки затвора велико и при включении и выключении транзистора нужно только зарядить емкость затвора. В отличие от биполярных транзисторов у полевых полностью отсутствует вторичный тепловой пробой – повреждение коллекторного перехода в результате локального перегрева перехода из-за концентрации тока в этом месте. В настоящее время промышленность выпускает обширный ряд полевых транзисторов различного назначения. В большинстве своем это транзисторы для работы в ключевом режиме для импульсных источников питания. Пример 1. N-канальный полевой транзистор IXFN120N20: ток стока – 120А, напряжение стока – 200В, сопротивление открытого канала 17 мОм, время включения – 250 нсек, мощность рассеяния на стоке – 600 ватт.
Пример 2 N-канальный полевой транзистор IRF440: ток стока – 8А, напряжение стока – 500В, сопротивление открытого канала 0.85 Ом, мощность рассеяния на стоке – 125 ватт. На рисунке показана зависимость заряда затвора транзистора IRF440 от напряжения между затвором и истоком. Горизонтальный участок характеристики на графике объясняется реакцией емкости затвор – сток при включении транзистора. Эта емкость быстро уменьшается при увеличении напряжения на стоке выше 10-20 В и поэтому компонента заряда, обусловленная этим эффектом слабо изменяется при напряжении стока от 100В до 400В IGBT – транзисторы(Isolated Gate Bipolar Transistor)
Структура представляет из себя комбинацию биполярных и полевых транзисторов, эквивалентная схема которой показана на рисунке. Особенностью работы выходного p-n-p транзистора является то, что он не насыщается в открытом состоянии, поэтому время включения и выключения транзистора примерно равны. Ниже приведены ориентировочные параметры IGBT – транзисторов.
Iкэ макс = 10 – 1200А Частотные свойства: Т вкл/выкл = 100 – 500 нсек Iкоммутации = Iкэ макс/2, при частоте коммутации F= 10 кГц Iкоммутации = Iкэ макс/5, при частоте Fкоммутации = 100 кГц vunivere.ru Биполярный транзистор. Работа в режиме усиления. Часть 2В прошлой статье мы с вами хотели с помощью одного только транзистора и резистора усилить произвольный синусоидальный сигнал и тупо подали напряжение синусоиды в несколько Вольт, в надежде что на выходе получим усиленную синусоиду, но жестоко обломались. Но как-то ведь строят усилительные каскады с помощью транзистора? В этой статье мы как раз рассмотрим и даже посчитаем небольшой каскад, а также соберем его в реале и испытаем на практике. Если вы читали прошлую статью, то помните, что транзистор в режиме усиления работает только в активном режиме. А этот активный режим находится между режимами отсечки и насыщения: Следовательно, выходной усиленный сигнал должен находиться в области активного режима, иначе он будет искажаться. Именно в этой области происходит усиление сигнала Далее вспоминаем нехитрую формулу, она нам еще пригодится
Коэффициент бета — это коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Ну и что все это значит? А значит это то, что в любом транзисторе в активном режиме ток коллектора в β (бета) раз больше, чем ток базы. Задав крохотную силу тока через базу, мы в бета раз можем увеличить силу тока в цепи коллектора. А что будет, если на базу мы подадим переменный сигнал напряжения? Следовательно, в цепи базы переменный сигнал будет либо увеличивать, либо уменьшать силу тока, протекающую через базу, а переменная сила тока через базу в свою очередь будет «тащить» за собой силу тока в цепи коллектора, который будет в бета раз больше, чем базовый ток. А если, как я уже писал, вставить резистор в цепь коллектора, то можно будет с него снимать переменное напряжение. Ну разве не замечательно? А откуда возьмется напряжение на резисторе? Дело в том, что резистор и переход коллектор-эмиттер обладают сопротивлением . Самый прикол в том, что переход коллектор-эмиттер — это управляемое сопротивление, зависящее от тока базы. Получаем простой делитель напряжения 😉 Но для того, чтобы усиливать переменный сигнал правильно, есть одно НО… И это «НО» заключается еще в одном резисторе. Двухрезисторная схема смещения (схема с заземленным эмиттером) Я хочу усилить синусоидальный сигнал, поэтому подаю его на базу. На выходе хочу уже получить усиленную копию. Для того, чтобы получить красивую усиленную копию, надо чтобы эта усиленная копия не выходила за границы режима отсечки и насыщения и желательно, чтобы она располагалась посередине активной области. То есть надо этот сигнал сместить в середину: А для этого надо к транзистору добавить некоторые радиоэлементы, чтобы получилась схема смещения. Итак, давайте рассмотрим самую простую схему смещения и на ее примере разберемся, что к чему Что здесь имеем? Uпит — напряжение питания. На Uвх подаем переменный сигнал, на Uвых получаем усиленную копию. Или более понятно: Итак, давайте рассмотрим назначение радиоэлементов в этой схеме. Транзистор используется для усиления. Я думаю, вы это уже поняли 🙂 Резистор R2 служит для того, чтобы у нас получился делитель напряжения и потом можно будет снять с резистора это напряжение. Конденсаторы С1 и С2 у нас пропуска ют переменный ток, а постоянный не пропускают. А нам постоянный ток на входе и на выходе не нужен. Мы ведь хотим усиливать переменный ток, не так ли? И самый главный радиоэлемент в этой схеме считается резистор R1, который как раз и задает режим работы усилителя. Зачем он здесь нужен? Во-первых, чтобы отпереть транзистор. Вывести его из режима отсечки в активный режим. А для этого, как вы помните, достаточно подать напряжение более, чем падение напряжения на переходе база — эмиттер, которое для кремниевых транзисторов составляет 0,6-0,7 Вольт. Поэтому, Uпит должно быть больше, чем падение напряжения на переходе база-эмиттер. Во-вторых, задать базовый ток, так как через цепь +Uпит —-> R1—-> база —-> эмиттер —-> земля потечет ток, сила тока которого будет зависеть от того, какой резистор мы туда воткнем. В-третьих, задавая нужный базовый ток этим резистором, мы выбираем режим работы нашего усилителя. Сейчас нас интересует режим, при котором сигнал будет «болтаться» между режимами отсечки и насыщения примерно в середине активного режима. Как этого добиться? Для удобства пусть у нас R1 называется RБ (базовый резистор), а R2 назовем Rк (коллекторный резистор): Так как мы хотим получить усиленную копию сигнала в активном (линейном) режиме транзистора, следовательно, нам надо добиться того, чтобы через базу протекала такая сила тока, чтобы напряжение на коллекторе (в узле, куда цепляется конденсатор С2) было ровненько половинка от Uпит. Не забываем, что у нас входной сигнал, подаваемый на базу, может принимать как положительные значения, так и отрицательные. Следовательно, напряжение на коллекторе будет принимать меньшее или большее значение. А чтобы уже усиливаемый сигнал не доходил до режима отсечки или насыщения, мы его как раз и будем держать в серединке 😉 Берем рыжий советский транзистор КТ315Б и рассчитаем вот такую схемку при напряжении питания в 9 Вольт Для того, чтобы рассчитать схему, надо действовать с конца, то есть с выхода схемы. Для получения усиленной копии сигнала, нам надо, чтобы напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания, то есть получаем Uк = 9 В/2 = 4,5 Вольт. Это значит, что на Rк падает напряжение в 4,5 Вольт и на транзисторе между выводами коллектора и эмиттера тоже падает 4,5 Вольт. Для маломощных усилительных каскадов в основном ток коллектора Iк берут в 1 миллиАмпер, это значит, что ток потечет по цепи +9 В —> Rк —-> коллектор—> эмиттер—->земля и если его замерить в этой цепи, то получим 1мА. Долго не думая, находим, чему равняется Rк . Вспоминаем дядюшку Ома и получаем, что Rк = Uк /Iк =4,5 В/1 мА=4,5 КилоОм. Берем ближайший из ряда, то есть на 4,7 КилоОм. Следующим шагом нам надо приблизительно узнать коэффициент бета. В этом нам может помочь простой мультиметр с функцией замера HFE (β) либо RLC-транзистор метр. В моем случае на RLC-транзистор-метре получилось что-то около 142. Высчитываем ток базы. Так как мы знаем, что
Из этой формулы находим IБ. Получается, что IБ = Iк / β = 1мА/142 = 7 микроАмпер. Следующим делом находим сопротивление базового резистора: RБ =Uпит / IБ = 9 В/7мкА=1,28 МегаОм Следующим шагом вставляем ближе к номиналу этот резистор из ближайшего ряда и замеряем силу тока по цепи +9 В —> Rк —-> коллектор—> эмиттер—->земля с помощью миллиАмперметра. Скорее всего вы не получите на миллиАмперметре значение в 1мА, поэтому надо будет подгонять значение RБ либо с помощью потенциометра либо магазина сопротивления, чтобы амперметр показал нам 1 мА на табло. В моем случае RБ я подобрал номиналом в 1 МегаОм. Ну теперь дело за малым. Конденсаторы С1 и С2 используются для того, чтобы пропускать и снимать только переменное напряжение, так как мы с вами знаем, что конденсатор постоянный ток через себя не пропускает. Для усиления звуковых частот (от 20 и до 20 000 Герц) , а также частот более 20 000 Гц вполне подойдут конденсаторы в 10 мкФ. Вот фото моего псевдосилителя, амперметр показывает ток в 1,04 миллиАмпер. Теперь подаю на вход конденсатора С1 слабый синусоидальный сигнал. У нас получается интересная штука. После того, как я настроил каскад, на базе имеется постоянное напряжение. Если добавить к этому напряжению еще напряжение, ток базы увеличится, что приведет к увеличению коллекторного тока. Если же уменьшить, то наоборот у нас ток базы уменьшится и следовательно, коллекторный ток тоже уменьшится. Переменный сигнал, подаваемый на базу уменьшается и увеличивается поочередно, следовательно, получается типа что-то этого: А вот и осциллограммы, которые у меня получились. Красный сигнал — это входной, который мы подаем на С1 , а желтый — выходной, который снимаем с С2. Частота сигнала и его цена деления показаны в нижнем левом уголке скрина с осцила.
Ну вот! Более менее похоже на правду!
Если вы заметили своим наблюдательным глазом, есть одно НО… Фаза усиленного сигнала противоположна фазе исходного сигнала. Если еще помните алгебру, то можно сказать, что фаза усиленного сигнала и фаза исходного различаются на 180 градусов. То есть получается, что усилитель по схеме с ОЭ (Общим Эмиттером) инвертирует фазу сигнала. Давайте увеличим амплитуду исходного сигнала:
Как мы видим, усиленный сигнал исказился. В дело вступили так называемые нелинейные искажения, потому что наш усиленный сигнал добрался до области отсечки (верхний уровень желтого графика) и до области насыщения (нижний уровень желтого графика). Вы ведь не забыли, что сигнал инвертированный? В режиме отсечки, как мы видим, синусоида закруглилась, а в режиме насыщения она не могла стать более 9 Вольт, то есть больше, чем Uпит, поэтому ее резко срезало. Давайте усилим треугольный сигнал
Получились чуток «пухловатые» горки. Как мы видим, данный тип усилителя обладает плохой линейностью. Это значит, что он не пропорционально увеличивает исходный сигнал. Это уже не есть гуд. Давайте усилим прямоугольный сигнал
Вроде бы нормально. Даже если добавить амплитуду, то сигнал остается по форме таким же.
Прямоугольные сигналы усиливать, передавать, обрабатывать намного проще, поэтому цифровая электроника шагнула далеко вперед. Данный тип усилителя, работает в классе «А» , то есть в режиме линейного усилителя. Это означает, что мы полностью усиливаем форму сигнала, который подаем на вход такого усилителя. Есть также усилители B,C,D класса и другие. В этих усилителях усиливается не вся форма сигнала, а остатки сигнала срезаются в области отсечки. В чем минус этой схемы? В этой схеме рабочий режим зависит от коэффициента бета. Это не есть гуд. «Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра бета» Хорвиц и Хилл «Искусство схемотехники» Дело в том, что коэффициент бета «гуляет» в зависимости от температуры. Следовательно, наш график будет смещен, что приведет к нелинейным искажениям, так как он будет ближе находится или к области насыщения, либо к области отсечки. Что хочу сказать по этой схеме? Схема — какашечка. Она годится только для усиления сигналов с малой амплитудой. Этот пример я показал, чтобы вам было понятнее, что и как происходит в простой усилительной схеме на транзисторе. Собирать ее не стоит, потому что в этой статье она показана, чтобы вы понимали процесс усиления. На практике лучше ее не использовать. В следующей статье мы разберем и рассчитаем качественный усилитель, который не боится коэффициента бета, а также проверим этот усилитель в деле. Продолжение——-> <——-Предыдущая статья
www.ruselectronic.com pnp транзистор в ключевом режиме В разделе Техника на вопрос Правильно ли я понял принцип работы биполярных транзисторов в ключевом режиме? заданный автором Иля лучший ответ это Схемы неверны. Ни одна. Транзисторы мгновенно выйдут из строя.Вам нужен операционный усилитель, а не транзистор. Ответ от 2 ответа[гуру]Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Правильно ли я понял принцип работы биполярных транзисторов в ключевом режиме? Ответ от Андрей[гуру]неправильно ты понял. КНИГИ ЧИТАЙ! Ответ от Ѐоман Сергеевич[гуру]"токоограничивающие резисторы отбросил намеренно чтобы не рисовать лишнего" Нормально... ты этим демонстрируешь полное непонимание не только работы транзистора, но даже что такое схема вообще.Но если даже не придираться... я вообще ниче не понял! Ответ от Ёергей Гаврилов[гуру]Должны быть резисторы в базе.Коэффициенты усиления в ключевом режиме ни при чем.Из пояснений не понял ни фига. Ответ от Dgabber[гуру]Транзистор начинает открываться при напряжении база-эмиттер около 0,7 вольта кремниевый и 0,3 вольта германиевый. Так как вы указали на схемах (без резисторов в цепи базы) транзисторы выйдут из строя из-за большого тока базы, а вообще. что касается полярности, то всё верно. Ответ от AlexandEr Alex[гуру]1. Открывается положительным импульсом.2. Открывается отрицательным импульсом.3. Открывается положительным импульсом, коэффициенты перемежаются как и у составного транзистора. На LED 1 синфазный сигнал, т. е. положительный фронт входного сигнала соответствует положительному фронту выходного. Фазоинверсный сигнал на эмиттере Q3. Ответ от Виктор носков[гуру]1.при чем тут ацп ?2. pnp и прп равноценны. Не надо их ругать.Где тут отрицательные положительные сигналы.Где тут ключевание.И пр. и пр. Ответ от 2 ответа[гуру]Привет! Вот еще темы с нужными ответами:
Ответить на вопрос:Предыдущий вопрос Следующий вопрос 22oa.ru | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
, 
Ключ с нелинейной обратной связью.
Д – германиевый диод или диод Шоттки. При включении транзистора уменьшается напряжение на его коллекторе , но когда напряжение коллектор – база транзистора достигает ~0.35 В для германиевых диодов и ~0.45 В для диодов Шоттки, диоды отпирается, сохраняя коллекторный переход запертым. При этом излишки тока Iб сбрасываются в нагрузку. Эта схема используется для малых токов Iк нас, в интегральных схемах ТТЛШ, где диод Шоттки встраивается параллельно коллекторному переходу каждого транзистора. Такие транзисторы называются транзисторами Шоттки. Этот прием позволяет уменьшить ток потребления схемы при одинаковом или даже более высоком быстродействии. При повышенных тока переключения может использоваться более сложная схема. Здесь напряжение коллектора фиксируется на более высоком уровне, что позволяет работать при больших токах коллектора без насыщения транзистора. 
. 
Воспользовавшись формулами для зависимости тока p-n перехода от напряжения, можно получить зависимость токов транзисторов Т1 и Т2 от напряжения Vген. 
При увеличении напряжения на коллекторе транзистора напряженность его коллекторного перехода возрастает и при некоторой его величине на длине свободного пробега в кристаллической решетке коллекторного перехода носители приобретают энергию достаточную для ионизации атомов решетки. В результате число носителей возрастает и ток коллектора лавинообразно увеличивается, т.е. возникает лавинный процесс. Высокочастотные свойства транзистора также возрастают (от единиц мегагерц до сотен мегагерц. Лавинные транзисторы получили распространение в схемах формирователей импульсов с фронтом длительностью от долей до единиц наносекунд. Чаще в лавинном режиме используются обычные транзисторы, у которых лавинных режим более четко выделен, или транзисторы, специально созданные для работы в таком режиме.
Пример:
IGBT – транзисторы – это специализированные сложные полупроводниковые структуры, предназначенные для работы в ключевых регуляторах мощности. Выпускается широкая номенклатура IGBT – транзисторов для работы при различных напряжениях (до 1200 В) и переключаемых токах (до 1000А). 
Vкэ макс = 500 – 1200В
