Электроника в вопросах и ответах - Хабловски И.. Страница 29

Зачем транзисторы иногда размещают на радиаторах?

Рабочая температура транзистора имеет ограниченное значение, обычно зависящее от температуры коллекторного перехода.

Для кремниевых транзисторов максимальная температура перехода лежит в интервале 150–200 °C. Температура перехода зависит от выделяемой в транзисторе мощности, температуры окружающей среды и эффективности излучения тепловой энергии транзистором и платой, на которой он закреплен. Увеличение полезной мощности, полученной на выходе транзистора, вызывает увеличение рассеиваемой мощности. Рассеиваемая мощность не может превышать допустимую для полупроводникового элемента. Однако допустимую мощность можно повысить, увеличив излучение тепловой энергии.

Для этого транзистор часто размещают на металлическом элементе с как можно большей поверхностью, увеличиваемой путем создания ребер. Подобные элементы, отбирающие тепловую энергию от транзистора и излучающие ее в окружающую среду, называются радиаторами. Применение радиатора позволяет получить от данного транзистора большую мощность, чем при работе без радиатора.

Какие существуют области работы транзистора?

Существуют три такие области, зависящие от смещения переходов. При работе транзистора как усилителя малых сигналов эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это — активная область работы (рис. 4.37), в которой транзистор приближенно можно считать линейным активным элементом и пользоваться параметрами, приводимыми в справочниках.

Область, в которой как эмиттерный, так и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, называют областью отсечки. В этой области ток коллектора минимален (I_к = I_к0), а напряжение на коллекторе максимально.

Областью насыщения называется область, в которой эмиттерный и коллекторный переходы смещены в проводящем направлении. Коллекторный ток достигает насыщения, напряжение на коллекторе имеет очень малое значение. В этой области входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ очень мало, благодаря чему достигается большое постоянство амплитуды выходного колебания, не зависящее от изменения входного сигнала.

Рис. 4.37. Области работы транзистора:

_{1 — область насыщения; 2 — активная область; 3 — область отсечки}

Как работает транзистор в режиме переключения?

Транзистор, работающий при малых сигналах, остается все время в активной области. Если сигнал достаточно велик, мгновенная рабочая точка транзистора может проходить через три области: отсечки, активную и насыщения. Тогда говорят, что транзистор работает в режиме переключения. Подобные условия работы наблюдаются очень часто в схемах импульсной техники (см. гл. 10) и схемах цифровой техники (см. гл. 12).

При работе с импульсным сигналом важным практическим вопросом в большинстве случаев является определение скорости, с которой может нарастать выходной ток, когда ко входу подводится сигнал с большой крутизной. Скорость зависит от источника управляющего сигнала (амплитуды и внутреннего сопротивления), цепи между источником и транзистором, управляющей цепи, а также от свойств самого транзистора и выбора его рабочей точки.

С точки зрения свойств транзистора можно показать, что скорость нарастания фронтов выходного сигнала будет тем большей, чем больше предельные частоты транзистора и чем меньше постоянные времени r_б'бС_б'к и r_э'бС_э'б. В случае работы при больших сигналах дополнительное влияние оказывают явления, происходящие в полупроводнике при переходе из состояния насыщения в состояние отсечки и обратно.

Работа транзистора в режиме переключения представлена на рис. 4.38.

Рис. 4.38. Работа транзистора в режиме переключения: схема (а) и формы импульса входного напряжения (б), тока базы (в), напряжения эмиттер — база (г), тока коллектора (д), напряжения коллектор — эмиттер (е)

На транзистор, находящийся первоначально в состоянии отсечки, подается управляющий прямоугольный импульс большой амплитуды, который вызывает переход в состояние насыщения перехода эмиттер — база. Ток коллектора нарастает с задержкой, зависящей не только от параметров транзистора, но и от степени управления (глубины насыщения). Крутизна выходного импульса будет тем большей, чем больше возбуждение, т. е. чем больше токи базы. Однако при этом происходит расширение импульса, поскольку выходной импульс еще «длится», несмотря на исчезновение входного импульса. Процесс обусловлен наличием в базе в состоянии насыщения высокой концентрации неосновных носителей, тогда как изменение смещения перехода коллектор — база при переключении из состояния насыщения в активную область требует небольшой концентрации этих носителей.

На это требуется некоторое время, зависящее, в частности, от глубины насыщения и длительности входного сигнала, а также от свойств транзисторов. В справочниках по транзисторам приводятся некоторые данные, определяющие время включения и выключения.

Время включения является суммой времени задержки t_з и времени нарастания t_н, а время выключения — суммой времени накопления (рассасывания) t_р и времени среза t_с. Время включения и выключения связано и с другими параметрами транзистора. Например, чем частота f_т больше, тем эти времена меньше. Рост емкости С_22б увеличивает время включения и выключении. Работа при большом токе коллектора увеличивает время нарастания и спада, но сокращает время накопления. Возрастание тока базы вызывает уменьшение времени включения, но увеличение времени выключения. Работа при малом токе базы, обеспечивающем работу вне области насыщения, связана также с малым коэффициентом передачи транзистора по току.

С точки зрения управления транзистора различают управление током, напряжением и зарядное управление.

Что такое управление транзистора током, напряжением и зарядом?

Управлением транзистора по току называется управление входной цепью от источника с большим внутренним сопротивлением по сравнению с входным сопротивлением транзистора, а управлением по напряжению — от источника с малым внутренним сопротивлением. При управлении по току и напряжению скачкообразное изменение тока базы не вызывает мгновенного изменения тока коллекторе.

Наибольшую крутизну выходного колебания, т. е. наименьшее гремя фронта, можно получить при управлении зарядом (рис. 4.39).

Оно состоит во введении инжекции в базу требуемого заряда сразу, целиком, а не на принципе постепенного накопления этого заряда, как, например, это имеет место в случае управления при постоянном токе базы. Это осуществляется, в частности, путем использования цепи с ускоряющим конденсатором (иначе — компенсационным); импульс, связанный с наличием емкости во входной цепи, вводит в базовую область такой заряд в начальный момент, что ток коллектора очень быстро достигает своего установившегося значения.

Рис. 4.39. Управление транзистора зарядом: схема (а) и формы изменения управляющего напряжения (б), тока базы (в) и тока коллектора (г)

Как обозначаются транзисторы?

Существуют различные обозначения, которые зависят от страны и изготовителя. В иностранкой литературе чаще всего встречаются буквенно-цифровые обозначения с двумя либо тремя буквами в начале. Наиболее распространена система обозначений, в которой первая буква обозначает тип полупроводника: А — германий; В — кремний. Вторая буква обозначает тип элемента: С — транзистор маломощный низкочастотный; D — транзистор мощный низкочастотный; F — транзистор маломощный высокочастотный; L — транзистор мощный высокочастотный; S — транзистор для переключающих схем; U — транзистор мощный для переключающих схем. Определение «маломощный» обычно соответствует мощности P_мах <= 0,3 Вт; определение «низкочастотный» обозначает, что для данного транзистора граничная частота f_т <= 3 МГц (или f_т <= 2,5 МГц). Третья буква обозначает применение транзистора, указанное изготовителем.