Напрямки використання транзисторів

3.Напрямки використання транзисторів .

Особливості характеристик транзисторів відкривають широкі можливості їх використання в різних напрямках електроніки. Вцілому транзистори використовуються в двох основних режимах: в режимі ключа і в активному режимі. Розглянемо особливості використання транзисторів в кожному з них.

3.1.Робота біполярного транзистора в режимі ключа.

Ключові режими транзистора знаходять широке використання як в інформаційній, так і в енергетичній електроніці. На базі транзисторних ключів працюють пристрої цифрової схемотехніки, імпульсні генератори, високочастотні пристрої енергетичної електроніки. Але не зважаючи на

                    а).                                                                б).

                                             Рис.3.1.

різноманітне використання, особливості роботи ключа скрізь проявляються однаково.

Схема найпростішого біполярного ключа приведена на рис.3.1,а), а рис.3.1,б) пояснює особливості його роботи. Лінія навантаження ключа (пряма I_КМ,Е_К) будується, виходячи з режимів холостого ходу (точка Е_к) та короткого замикання (точка I_КМ) і описується рівнянням прямої лінії:

U_К= Е_К-I_КR_К.

Для ключового режиму характерними є дві точки на лінії навантаження – А і В. Точка А характеризується тим, що струм бази визначається величиною зворотного струму колекторного переходу I_К0, тобто I_Б = -I_К0. При U_ВХ = 0 закритий стан ключа забезпечується умовою:

I_К0·R_Б < U_ЕБ = 0.6В,

при якій напруга на колекторі близька до Е_к.

Точка В характеризує другий режим роботи, при якому транзистор відкритий, а базовий струм може перевищувати I_Б4. Характерною для даного режиму являється залишкова напруга U_КБ0, яка для всіх задач використання повинна бути мінімальною. Для схем, призначених для передачі інформації U_КБ0 визначає рівень логічного нуля, а для пристроїв енергетичної електроніки – це допоміжні витрати потужності на відкритому ключі. Щоб забезпечити мінімальне значення U_КБ0 при коливаннях напруги живлення, при зменшених струмах бази, а також при зміні величини навантаження реальна величина у відкритому стані задається в декілька разів більшою, ніж I_Б4, тобто I_EБ > I_Б4.

Такий режим роботи називається режимом насичення і характеризується коефіцієнтом насичення N. Реальна величина коефіцієнта N=1.5-3, а в імпульсних схемах може досягати і більших величин. Значне перевищення струму бази над I_Б4, який називається граничним, I_{Б4 =} I_БГ, забезпечує стабільність

                                                     колекторного струму при незмінному

                     Рис.3.2.                 навантаженні і мінімальну величину U_KE0.

Наявність режиму насичення фізично проявляється в тому, що в базі накопичується об’ємний збитковий заряд, який підтримує транзистор у відкритому стані. Наявність такого заряду приводить до затримки закриванння транзистора, коли припиняється подача струму в область бази. Величина затримки визначається часом, який необхідний для того, щоб збитковий заряд основних носіїв області бази знизився до рівня, при якому величина заряду бази буде відповідати струму бази I_Б4= I_БГ. Наявність такого часу приводить до затримок у закриванні транзистора, що вцілому суттєво зменшує швидкодію ключів на біполярних транзисторах. До того ж, у вказаному інтервалі часу ключ стає некерованим, що ускладнює взаємодію декількох ключів, які  повинні працювати узгодженно в одній схемі. Спрощена діаграма роботи транзистора при наявності режиму насичення приведена на рис.3.2. При подачі ідеального імпульсу базового струму колекторний струм і_К зростає в інтервалі часу включення t₀-t₁ до максимального значення I_КН. Колекторна напруга в цьому інтервалі часу зменшується до U_KE0.

При закриванні транзистора на протязі часу t₂-t₃ після зняття базового сигналу транзистор не реагує на зміну I_Б, а з моменту t₃-t₄ відбувається процес спаду струму до I_К0, тобто має місце реальна затримка в закриванні. Для транзисторів, що працюють в системах передачі інформації інтервал часу t_p приводить до затримки в передачі сигналу, яка визначається формулою:

t₃ = (t_Ф+t_C)/2 +t_P.

Інша проблема, що має місце з-за наявності t_P з’являється при послідовному з’єднанні транзисторів і протифазному керуванні ними. (Рис.3.3.). Якщо, наприклад, в приведеній схемі струм на базу VT2 подається в протифазі зі струмом, що подається на VT1, то з-за наявності часу t_p після відкривання VT2 в послідовно з’єднаних транзисторах створюються умови протікання струму через обидва транзистора. Цей струм нічим не обмежується і може вивести з ладу обидва транзистори. Попередити таке явище досить складно, бо величина t_p залежить від коефіцієнта N, а він, в свою чергу, від навантаження. Тому керування транзисторами в таких схемах суттєво ускладнюється.

В сучасних технологіях для побудови швидкодіючих ключів на біполярних транзисторах використовують ненасичений режим ключа, який забезпечується в транзисторах Шоткі. При одночасному зменшенні