Сопротивление открытого биполярного транзистора: Сопротивление открытого биполярного транзистора — Морской флот

Содержание

Сопротивление открытого биполярного транзистора - Морской флот

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры. Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во "включенном" и "выключенном". Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора – это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду.
Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN – положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда – электроны, а в PNP – дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер
Uбэ = напряжение база-эмиттер
Ic = ток коллектора
Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер.
Постоянное напряжение коллектор – база.
Постоянное напряжение эмиттер – база.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Постоянный/импульсный ток коллектора.
Коэффициент передачи по току
Максимально допустимый ток
Входное сопротивление
Рассеиваемая мощность.
Температура p-n перехода.
Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб 0 2

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V

max) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно – Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить – около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0. 6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора iс

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I

cmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи – это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0. 1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз – далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I

b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

Режим отсечки (cut off mode).

Активный режим (active mode).

Режим насыщения (saturation mode).

Инверсный ражим (reverse mode ).

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V – 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначаетсяβ, hfe или

h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β – величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий – в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше – тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость – проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar ), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Содержание

Устройство [ править | править код ]

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E ), базы («Б», англ. B ) и коллектора («К», англ. C ). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты [1] .

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы [ править | править код ]

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении [2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n [3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико [4] . Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

Режимы работы [ править | править код ]

Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
( U E , U B , U C <displaystyle U_,U_,U_> )
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа n-p-n
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа n-p-n
Режим
для типа n-p-n
U E U B U C <displaystyle U_прямоеобратноенормальный
активный режим
U_>"> U E U B > U C <displaystyle U_U_> U_>"/>прямоепрямоережим насыщения
U_ U E > U B U C <displaystyle U_>U_ U_обратноеобратноережим отсечки
U_>U_>"> U E > U B > U C <displaystyle U_>U_>U_> U_>U_>"/>обратноепрямоеинверсный
активный режим
Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
( U E , U B , U C <displaystyle U_,U_,U_> )
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа p-n-p
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа p-n-p
Режим
для типа p-n-p
U E U B U C <displaystyle U_обратноепрямоеинверсный
активный режим
U_>"> U E U B > U C <displaystyle U_U_> U_>"/>обратноеобратноережим отсечки
U_ U E > U B U C <displaystyle U_>U_ U_прямоепрямоережим насыщения
U_>U_>"> U E > U B > U C <displaystyle U_>U_>U_> U_>U_>"/>прямоеобратноенормальный
активный режим

Нормальный активный режим [ править | править код ]

Переход эмиттер-база включён в прямом направлении [2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

Инверсный активный режим [ править | править код ]

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ Режим насыщения [ править | править код ]

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки [ править | править код ]

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ [5] [6] .

Барьерный режим [ править | править код ]

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения [ править | править код ]

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

Схема включения с общей базой [ править | править код ]

  • Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α Достоинства
  • Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
  • Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

  • Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
  • Малое входное сопротивление

Схема включения с общим эмиттером [ править | править код ]

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства

  • Большой коэффициент усиления по току.
  • Большой коэффициент усиления по напряжению.
  • Наибольшее усиление мощности.
  • Можно обойтись одним источником питания.
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

  • Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором [ править | править код ]

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства

  • Большое входное сопротивление.
  • Малое выходное сопротивление.

Недостатки

  • Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры [ править | править код ]

  • Коэффициент передачи по току.
  • Входное сопротивление.
  • Выходная проводимость.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер.
  • Время включения.
  • Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
  • Обратный ток коллектора.
  • Максимально допустимый ток.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

  • коэффициент усиления по току α;
  • сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
  • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • rб — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h 11 ∍ = r δ + r ∍ 1 − α <displaystyle h_<11ackepsilon >=r_<delta >+<frac ><1-alpha >>> ;

h 12 ∍ ≈ r ∍ r κ ( 1 − α ) <displaystyle h_<12ackepsilon >approx <frac >(1-alpha )>>> ;

h 21 ∍ = β = α 1 − α <displaystyle h_<21ackepsilon >=eta =<frac <alpha ><1-alpha >>> ;

h 22 ∍ ≈ 1 r κ ( 1 − α ) <displaystyle h_<22ackepsilon >approx <frac <1>(1-alpha )>>> .

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Биполярный СВЧ-транзистор [ править | править код ]

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ [7] . Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу [8] . По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитаксиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую) [9] . По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт) [10] . Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ [10] .

Как работают транзисторы MOSFET | hardware

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока. В этом отношении мощные MOSFET по своим характеристикам приближаются к "идеальному переключателю". Основные недостатки, которые не дают MOSFET стать "идеальным", это сопротивление открытого канала RDS(on), и значительная величина положительного температурного коэффициента (чем выше температура, тем выше сопротивление открытого канала). В этом апноуте обсуждаются эти и другие основные особенности высоковольтных N-канальных мощных MOSFET, и предоставляется полезная информация по выбору транзисторов и их применению (перевод статьи [1]).

Для того, чтобы было проще понять работу полевого N-канального транзистора MOSFET, его стоит сравнить с широко распространенным биполярным кремниевым транзистором структуры NPN. Электроды у биполярного транзистора называются база, коллектор, эмиттер, а у полевого транзистора затвор, сток, исток.

База выполняет те же функции, что и затвор, коллектор соответствует стоку, а эмиттер соответствует истоку.

Давайте рассмотрим простейшую схему включения транзистора NPN:

Когда входной ключ разомкнут, то через эмиттерный переход транзистора T1 ток не течет, и канал коллектор-эмиттер имеет высокое сопротивление. Говорят, что транзистор закрыт, через его канал коллектор-эмиттер ток практически не течет. Когда замыкается входной ключ, то от батарейки B1 через резистор R1 и эмиттерный переход транзистора течет открывающий ток. Когда транзистор открыт, то его сопротивление канала коллектор-эмиттер уменьшается, и почти все напряжение батареи B2 оказывается приложенным к нагрузке R3. Т. е. когда во входной цепи течет ток (через R1), то в выходной цепи тоже течет ток (через R3), но в выходной цепи ток и напряжение (т. е. действующая мощность) в несколько раз больше. Здесь как раз и проявляются усиливающие свойства транзистора - маленькая мощность на входе позволяет управлять большой мощностью на выходе.

А так будет в этой схеме работать транзистор MOSFET:

На первый взгляд все то же самое - когда на входе есть управляющая мощность, она также появляется и на выходе (обычно усиленная во много раз). В этом смысле биполярный транзистор и MOSFET-транзистор очень похожи. Но есть два самых важных различия:

• Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор напряжением.

Примечание: отсюда, кстати и пошло название полевого транзистора: его канал управляется не током, а электрическим полем затвор-исток.

Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора мало, а входное сопротивление MOSFET-транзистора очень велико. Обратите внимание на входной ток биполярного транзистора - 0.3 мА, этот ток в основном определяется сопротивлением резистора R1. Причина проста: на входе у биполярного транзистора имеется эмиттерный переход, который по сути обыкновенный диод, смещенный в прямом направлении. Если ток через этот диод есть, то транзистор открывается, если нет, то закрывается. Открытый диод имеет малое сопротивление, и максимальное падение напряжения на нем составляет около 0.7V. Поэтому практически все напряжение B1 (если быть точным, то 3.7 - 0.7 = 3V) оказывается приложенным к резистору R1. Этот резистор играет роль ограничителя входного тока биполярного транзистора.

У полевого транзистора MOSFET в этом отношении все по-другому. Входной ток определяется главным образом сопротивлением резистора R2, поэтому входной ток очень мал. Практически все входное напряжение оказывается приложенным к R2 и к переходу затвор - исток полевого транзистора. Причина проста: затвор и исток изолированы друг от друга слоем оксида кремния, по сути это конденсатор, поэтому ток через затвор практически не течет.

По этой причине на низких частотах, когда входная емкость не шунтирует источник сигнала, полевой транзистор имеет гораздо большее усиление по мощности в сравнении с биполярным транзистором. И действительно, в нашем примере входная мощность у биполярного транзистора составляет 0.3 мА * 3.7V = 1.11 мВт, а у полевого транзистора входная мощность составит всего лишь 0.00366 мА * 3.7V = 0.0135 мВт, т. е. в 82 раза меньше! Это соотношение могло бы быть еще больше не в пользу биполярного транзистора, если увеличить сопротивление резистора R2.

• Падение напряжения на выходном канале у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

Для данного примера падение напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора составит примерно 0.3V, а у полевого 0.1V и даже меньше. Обычно выходное сопротивление у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

В исходном состоянии, когда на затворе относительно истока нулевое положительное напряжение, сопротивление канала определяется количеством неосновных носителей в полупроводнике, и очень велико. Когда к затвору прикладывается положительное напряжение относительно истока, то появляется проводящий ток канал сток-исток. Поэтому MOSFET иногда называют полевым транзистором с индуцированным каналом.

[Структура мощного транзистора MOSFET]

На рис. 1 показан срез структуры N-канального транзистора MOSFET компании Advanced Power Technology (APT). (Здесь рассматриваются MOSFET только N-структуры, как самые популярные.) Положительное напряжение, приложенное от вывода истока (source) к выводу затвора (gate), заставляет электроны притянуться ближе к выводу затвора в области подложки. Если напряжение исток-затвор равно или больше определенного порогового напряжения, достаточного для накапливания нужного количества электронов для достижения инверсии слоя n-типа, то сформируется проводящий канал через подложку (говорят, что канал MOSFET расширен). Электроны могут перетекать в любом направлении через канал между стоком и истоком. Положительный (или прямой) ток стока втекает в сток, в то время как электроны перемещаются от истока к стоку. Прямой ток стока будет заблокирован, как только канал будет выключен, и предоставленное напряжение сток-исток будет прикладываться в обратном направлении к p-n переходу подложка-сток. В N-канальных MOSFET только электроны формируют проводимость, здесь нет никаких не основных носителей заряда. Скорость переключения канала ограничена только длительностью перезаряда паразитных емкостей между электродами MOSFET. Поэтому переключение может быть очень быстрым, приводя к низким потерям при переключении. Этот фактор делает мощные MOSFET такими эффективными для работы на высокой частоте переключения.

Рис. 1. Срез рабочей структуры транзистора MOSFET.

RDS(on). Основные составляющие, которые входят в сопротивление открытого канала RDS(on), включают сам канал, JFET (аккумулирующий слой), область дрейфа Rdrift, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, выводы корпуса). При напряжениях приблизительно выше 150V в сопротивлении открытого канала доминирует область дрейфа. Эффект RDS(on) относительно невелик на высоковольтных транзисторах MOSFET. Если посмотреть на рис. 2, удвоение тока канала увеличивает RDS(on) только на 6%.

Рис. 2. Зависимость RDS(on) от тока через канал.

Температура, с другой стороны, сильно влияет на RDS(on). Как можно увидеть на рис. 3, сопротивление приблизительно удваивается при возрастании температуры от 25°C до 125°C. Температурный коэффициент RDS(on) определяется наклоном кривой графика рис. 3, и он всегда положителен для большинства поставщиков транзисторов MOSFET. Большой положительный температурный коэффициент RDS(on) определяется потерями на соединении I2R, которые увеличиваются с ростом температуры.

Рис. 3. Зависимость RDS(on) от температуры.

Положительный температурный коэффициент RDS(on) очень полезен, когда нужно параллельно включать транзисторы MOSFET, поскольку это обеспечивает их температурную стабильность и равномерное распределение рассеиваемой мощности между транзисторами. Этим MOSFET выгодно отличаются от традиционных биполярных транзисторов. Но это не гарантирует, что параллельно соединенные транзисторы будут равномерно распределять между собой общий ток. Это широко распространенное заблуждение [2]. То, что действительно делает MOSFET простыми для параллельного включения - это их относительно малый разброс по параметрам между отдельными экземплярами в пределах серии, в частности по параметру RDS(on), в комбинации с более безопасными свойствами канала в контексте перегрузки по току, когда благодаря положительному температурному коэффициенту RDS(on) сопротивление канала растет при повышении температуры.

Для любого заданного размера кристалла RDS(on) также увеличивается с увеличением допустимого напряжения V(BR)DSS, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость нормализированного RDS(on) от V(BR)DSS.

Кривая нормализированного RDS(on) в зависимости от V(BR)DSS для Power MOS V и Power MOS 7 MOSFET показывает, что RDS(on) растет пропорционально квадрату V(BR)DSS. Эта нелинейная зависимость между RDS(on) и V(BR)DSS является побудительным стимулом для исследования технологий с целью уменьшить потери проводимости мощных транзисторов [3].

[Внутренние и паразитные элементы]

JFET. В структуре MOSFET Вы можете представить себе встроенный JFET, как это показано на рис. 1. JFET оказывает значительное влияние на RDS(on), и является частью нормального функционирования MOSFET.

Внутренний диод на подложке (Intrinsic body diode). Переход p-n между подложкой и стоком формирует внутренний диод, так называемый body diode (см. рис. 1), или паразитный диод. Обратный ток стока не может быть блокирован, потому что подложка замкнута на исток, предоставляя мощный путь для тока через body diode. Расширение канала транзистора (при положительном напряжении на затворе относительно истока) уменьшает потери на прохождение обратного тока стока, потому что электроны проходят через канал в дополнение к электронам и неосновным носителям, проходящим через  body diode.

Наличие внутреннего диода на подложке удобно в схемах, для которых требуется путь для обратного тока стока (часто называемого как ток свободного хода), таких как схемах мостов. Для таких схем предлагаются транзисторы FREDFET, имеющие улучшенные восстановительные характеристики (FREDFET это просто торговое имя компании Advanced Power Technology, используемое для выделения серий MOSFET с дополнительными шагами в производстве, направленными на ускорение восстановления intrinsic body diode). В FREDFET нет отдельного диода; это тот же MOSFET intrinsic body diode. Для управления временем жизни неосновных носителей во внутреннем диоде применяется либо облучение электронами (наиболее часто используемый вариант) или легирование платиной, что значительно уменьшает заряд обратно смещенного перехода и время восстановления.

Побочный эффект от обработки FREDFET - повышенный ток утечки, особенно на высоких температурах. Однако, если учесть, что MOSFET имеет очень малый начальный ток утечки, то добавленный через FREDFET ток утечки остается допустимым до температур перехода ниже 150°C. В зависимости от дозы облучения FREDFET может иметь RDS(on) больше, чем у соответствующего MOSFET. Прямое напряжение для паразитного диода для FREDFET также немного больше. Заряд затвора и скорость переключения у MOSFET и FREDFET идентичны. Поэтому термин MOSFET здесь будет использоваться всегда для обоих типов MOSFET и FREDFET, если специально не оговорено что-то другое.

Скорость восстановления для паразитного диода у MOSFET или даже у FREDFET намного хуже в сравнении со скоростью быстрого дискретного диода. В приложениях, где жесткие рабочие условия с температурой порядка 125°C, потери на включение из-за восстановления из обратного смещения примерно в 5 раз выше, чем у быстрых дискретных диодов. НА это есть 2 причины:

1. Рабочая область паразитного диода совпадает с рабочей областью MOSFET или FREDFET, и рабочая область у дискретного диода для той же функции намного меньше, поэтому у дискретного диода намного меньше заряд восстановления.

2. Паразитный диод MOSFET или даже FREDFET не оптимизирован под обратное восстановление, как это сделано для дискретного диода.

Как и любой стандартный кремниевый диод, у паразитного диода заряд восстановления и время зависит от температуры, di/dt (скорости изменения тока), и величины тока. Прямое напряжение паразитного диода, VSD, уменьшается с ростом температуры по коэффициенту примерно 2.5 mV/°C.

Паразитный биполярный транзистор. Разделенная на слои структура MOSFET также формирует паразитный биполярный транзистор (BJT) структуры NPN, и его включение на является частью нормального функционирования. Если BJT откроется и войдет в насыщение, то это может вызвать самоблокировку, при которой MOSFET не может быть выключен кроме как через внешний разрыв цепи тока стока. Высокая мощность рассеивания (например, при возникновении сквозного тока в плече моста) при самоблокировке может вывести MOSFET из строя.

База паразитного BJT замкнута на исток, чтобы предотвратить самоблокировку, и потому что напряжение пробоя (breakdown voltage) было бы значительно уменьшено (для того же самого значения RDS(on)), если бы база была оставлена плавающей. Существует теоретическая возможность самоблокировки при очень большой скорости dv/dt в момент выключения. Однако для современных стандартных мощных транзисторов очень трудно создать схему, где будет достигнута такое высокое dv/dt.

Есть риск включения паразитного BJT, если внутренний диод проводит, и затем выключается с чрезмерно высоким изменением dv/dt. Мощная коммутация dv/dt вызывает высокую плотность неосновных носителей заряда (положительные носители, или дырки) в подложке, что может создать напряжение на подложке, достаточное для включения паразитного BJT. По этой причине в даташите указано ограничение пиковой коммутации (восстановление встроенного диода) dv/dt. Пиковая коммутация dv/dt для FREDFET выше в сравнении с MOSFET, потому что у FREDFET снижено время жизни неосновных носителей заряда.

[На что влияет температура]

Скорость переключения. Температура практически не влияет на скорость переключения и потери, потому что (паразитные) емкости мало зависят от температуры. Однако ток обратного восстановления в диоде увеличивается с температурой, так что температурные эффекты внешнего диода (это может быть дискретный диод, или внутренний диод в MOSFET или FREDFET) влияют на потери включения мощных схем.

Пороговое напряжение, или напряжение отсечки (Threshold voltage). Напряжение отсечки затвора, обозначаемое как VGS(th), является важным стандартным параметром. Оно говорит, насколько много миллиампер через сток будет течь при пороговом напряжении на затворе, когда транзистор в основном выключен, но находится на пороге включения. У напряжения отсечки есть отрицательный температурный коэффициент; это означает, что напряжение отсечки уменьшается с ростом температуры. Температурный коэффициент влияет на время задержки включения и выключения, и следовательно влияет на выбор "мертвого времени" в мостовых схемах.

Переходная характеристика (Transfer characteristic). На рис. 5 показана переходная характеристика MOSFET-транзистора APT50M75B2LL.

Рис. 5. Пример переходной характеристики MOSFET.

Переходная характеристика зависит как от температуры, так и от тока стока. На рис. 5 при токе ниже 100 A напряжение затвор-исток имеет отрицательный температурный коэффициент (при заданном токе стока уменьшается напряжение затвор-исток при повышении температуры). При токе выше 100 A температурный коэффициент становится положительным. Температурный коэффициент напряжения затвор-исток и ток стока в том месте, где коэффициент меняет знак, важен для проектирования работы схем в линейном режиме [4].

Напряжение пробоя (Breakdown voltage). Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, этот будет обсуждаться в секции Walkthrough.

Устойчивость к перегрузке по току (Short circuit capability). Возможность противостояния коротким замыканиям не всегда встречается в даташите. Причина понятна - MOSFET стандартной мощности не подходят для устойчивой работы в режиме перегрузки по току в сравнению с IGBT или другими транзисторами, работающими с высокой плотностью тока. Само собой разумеется, что MOSFET и FREDFET (в некотором смысле) устойчивы к перегрузке по току.

[Обзор параметров даташита. Максимальные предельные значения]

Назначение даташитов, предоставляемых APT, состоит в предоставлении соответствующей информации, которая полезна и удобна для выбора подходящего устройства в конкретном приложении. Предоставляются графики, чтобы можно было экстраполировать от одного набора рабочих условий к другому. Следует отметить, что графики предоставляют типичную производительность, но не минимумы или максимумы. Производительность также зависит кое в чем от схемы; различные тестовые схемы приведут к отличающимся результатам.

VDSS, напряжение сток-исток. Это оценка максимального напряжения сток-исток не вызывая лавинного пробоя (avalanche breakdown) с затвором, замкнутым на исток при температуре 25°C. В зависимости от температуры напряжение лавинного пробоя могло бы быть фактически меньше, чем параметр VDSS. См. описание V(BR)DSS в разделе "Статические электрические характеристики".

VGS, напряжение затвор-исток. Это предельное напряжение между выводами затвора и истока. Назначение этого параметра - предотвратить повреждение изолирующего оксидного слоя затвора (например, от статического электричества). Фактическая устойчивость оксидной пленки затвора намного выше, чем заявленный параметр VGS, но он варьируется в зависимости от производственных процессов, так что если укладываться в предел VGS, то это гарантирует надежную работу приложения.

ID, непрерывный ток стока. ID определяет максимальный уровень продолжающегося постоянного тока, когда транзистор выходит из строя при максимальной температуре перехода TJ(max), для случая 25°C, и иногда для более высокой температуры. Он основан на термосопротивлении между корпусом и переходом RӨJC, и для случая температуры TC может быть вычислен по формуле:

Это выражение просто говорит о том, какая максимальная мощность может рассеиваться

при максимальной генерируемой теплоте из-за потерь в соединении I2D X RDS(on)@TJ(max), где RDS(on)@TJ (max) сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Отсюда можно вывести ID:

Обратите внимание, что в ID не входят никакие потери на переключение, и случай с температурой 25°C на практике встречается редко. По этой причине в приложениях, где MOSFET часто переключается, фактический коммутируемый ток обычно меньше половины ID @ TC = 25°C; обычно между 1/4 до 1/3.

Зависимость ID от TC. Этот график просто отражает формулу 2 для диапазона температур. Здесь также не учтены потери на переключение. На рис. 6 приведен пример такого графика. Обратите внимание, что в некоторых случаях выводы корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый продолжительный ток (переключаемый ток может быть больше): 100 A для корпусов TO-247 и TO-264, 75 A для TO-220 и 220 A для SOT-227.

Рис. 6. Максимальный ток стока в зависимости от температуры.

IDM, импульсный ток стока. Этот параметр показывает, какой импульс тока может выдержать устройство. Этот ток может значительно превышать максимально допустимый постоянный ток. Назначение этого параметра IDM состоит в том, чтобы удержать рабочий омический регион в пределе выходных характеристик. Посмотрите на рис. 7:

Рис. 7. Выходная характеристика MOSFET.

На этом графике есть максимальный ток стока для соответствующего напряжения затвор-исток, когда транзистор MOSFET открыт. Если рабочая точка при данном напряжении затвор-исток переходит выше омического региона "колена" рис. 7, то любое дальнейшее увеличение тока через сток приведет к значительному увеличению напряжения сток-исток (транзистор переходит из режима насыщения в линейный режим) и последующей потере проводимости. Если мощность рассеивания станет слишком велика, и это будет продолжаться довольно долго, то устройство может выйти из строя. Параметр IDM нужен для того, чтобы установить рабочую точку ниже "колена" для типичных применений транзистора в ключевом режиме.

Нужно ограничить плотность тока, чтобы предотвратить опасный нагрев, что иначе может привести к необратимому перегоранию MOSFET.

Чтобы избежать проблем с превышением тока через соединительные провода иногда применяют плавкие предохранители. В случае перегрузки по току выгорят именно они вместо транзистора.

Относительно температурных ограничений на IDM, рост температуры зависит от длительности импульса тока, интервала времени между импульсами, интенсивности рассеивания тепла, сопротивления открытого канала RDS(on), а также и от формы и амплитуды импульса тока. Если просто удержаться в пределах IDM, то это еще не означает, что температура перехода не будет превышена. См. обсуждение переходного теплового сопротивления в разделе "Температурные и механические характеристики", чтобы узнать способ оценки температуры перехода во время импульса тока.

PD, общая мощность рассеивания. Этот параметр определяет максимальную мощность, которую может рассеивать устройство, и он основан на максимально допустимой температуре перехода и термосопротивлении RӨJC для случая температуры 25°C.

Линейный коэффициент снижения мощности это просто инверсия RӨJC.

TJ, TSTG: рабочий и складской диапазон температур перехода. Этот параметр ограничивает допустимую температуру кристалла устройства во время работы и во время хранения. Установленные пределы гарантируют, что будут соблюдены гарантийные эксплуатационные сроки устройства. Работа в пределах этого диапазона может значительно увеличить срок службы.

EAS, лавинная энергия одиночного импульса. Если импульс напряжения (возникающий обычно из-за утечки и случайной индуктивности) не превышает напряжение пробоя, то не будет лавинного пробоя устройства, так что нет необходимости рассеивать энергию пробоя. Параметр максимальной лавинной энергии оценивает устройство в плане рассеивания мощности режима лавинного пробоя при переходных процессах с повышенным напряжением.

Все устройства, которые оценены по лавинной энергии, имеют параметр EAS. Лавинная энергия связана с параметром разблокированного индуктивного переключения (unclamped inductive switching, UIS). EAS показывает, сколько лавинной энергии устройство может поглотить. Условия для схемы тестирования Вы можете найти в документации по ссылкам, и EAS вычисляется по формуле:

Здесь L величина индуктивности, из которой поступает импульс тока iD, случайно поступающий в на закрытый переход транзистора через сток при тесте. Индуцируемое напряжение превышает напряжение пробоя MOSFET, что вызывает лавинный пробой. Лавинный пробой позволяет импульсу тока от индуктивности течь через MOSFET, даже если он закрыт. Энергия, запасенная в индуктивности, аналогична энергии, сохраненной в утечке и/или случайной индуктивности, и она должна быть рассеяна в MOSFET.

Когда транзисторы MOSFET соединены параллельно, это совершенно не означает, что у них одинаковое напряжение пробоя. Обычно пробьется только один транзистор, и только на него поступит вся энергия тока лавинного пробоя.

EAR, повторная лавинная энергия. Этот параметр стал "промышленным стандартом", но он не имеет смысла без информации о частоте, других потерях и эффективности охлаждения. Рассеивание тепла (охлаждение) часто ограничивает значение повторной рассеиваемой энергии. Также трудно предсказать, сколько энергии находится в лавинном событии. То, о чем говорит EAR в действительности, означает, что устройство может выдерживать повторяющиеся лавинные пробои без какого-либо ограничения по частоте, если устройство не перегрето, что в принципе верно для любого устройства, которое может испытать лавинный пробой. Во время анализа проекта хорошей практикой является измерение температуры устройства или его радиатора во время работы - чтобы увидеть, что MOSFET не перегрет, особенно если возможны условия лавинного пробоя.

IAR, ток лавинного пробоя. Для некоторых устройств, которые могут выйти из строя во время лавинного пробоя, этот параметр дает лимит на максимальный ток пробоя. Так что это как бы "точный отпечаток" спецификаций лавинной энергии, показывающий реальные возможности устройства.

[Статические электрические характеристики]

V(BR)DSS, Drain-source breakdown voltage, напряжение пробоя сток-исток. Параметр V(BR)DSS (иногда его называют BVDSS) определяет максимальное напряжение сток-исток, при котором через канал сток-исток будет течь ток не больше допустимого при заданной температуре и нулевом напряжении между затвором и истоком. Фактически этот параметр соответствует напряжению лавинного пробоя канала сток-исток закрытого транзистора. 

Как показано на рис. 8, у параметра V(BR)DSS есть положительный температурный коэффициент. Таким образом, MOSFET может выдержать больше напряжение, если он нагрет, по сравнению с холодным состоянием. Фактически в охлажденном состоянии V(BR)DSS будет меньше, чем предельно допустимое напряжение сток-исток VDSS, указанное для температуры 25°C. В примере, показанном на рис. 8 при -50°C, напряжение V(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого VDSS, указанного для температуры 25°C. 

Рис. 8. Нормализованная зависимость напряжения пробоя от температуры. 

VGS(th), Gate threshold voltage, напряжение отсечки затвора. Это пороговое напряжение затвор-исток, при превышении которого транзистор начнет открываться. Т. е. при напряжении на затворе выше VGS(th) транзистор MOSFET начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра VGS(th) также указываются условия проверки (ток стока, напряжение сток-исток и температура кристалла). Все транзисторы MOSFET допускают некоторый разброс порогового напряжения отсечки затвора от устройства к устройству, что вполне нормально. Таким образом, для VGS(th) указывается диапазон (минимум и максимум), в который должны попасть все устройства указанного типа. Как уже обсуждалось ранее в разделе "На что влияет температура", VGS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что с увеличением нагрева MOSFET откроется при более низком напряжении затвор-исток. 

RDS(on), ON resistance, сопротивление в открытом состоянии. Этот параметр определяет сопротивление открытого канала сток-исток при указанном токе (обычно половина от тока ID), напряжении затвор-исток (обычно 10V) и температуре 25°C, если не указано что-либо другое. 

IDSS, Zero gate voltage drain current, ток утечки канала. Это ток, который может течь через закрытый канал сток-исток, когда напряжение на затвор-исток равно нулю. Поскольку ток утечки увеличивается с температурой, то IDSS указывается для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки IDSS через канал сток-исток обычно незначительны. 

IGSS, Gate-source leakage current, ток утечки затвора. Это ток, который может через затвор при указанном напряжении затвор-исток. 

[Динамические характеристики

Рис. 9 показывает месторасположения внутренних емкостей транзистора MOSFET. Величина этих емкостей определяется структурой MOSFET, используемыми материалами и приложенными напряжениями. Эти емкости не зависят от температуры, так что температура не влияет на скорость переключения MOSFET (за исключением незначительного эффекта, связанного с пороговым напряжением, которое зависит от температуры). 

Рис. 9. Паразитные емкости транзистора MOSFET в структуре кристалла. 

Емкости Cgs и Cgd меняются в зависимости от приложенного к ним напряжений, потому что они затрагивают обедненные слои в устройстве [8]. Однако на Cgs намного меньше меняется напряжение в сравнении с Cgd, так что емкость Cgs изменяется меньше. Изменение Cgd при изменении напряжения сток-затвор может быть больше, потому что напряжение может меняться в 100 раз или больше. 

На рис. 10 показаны внутренние емкости MOSFET с точки зрения схемотехники. Емкости затвор-сток и затвор-исток могут повлиять на схему управления, и вызвать нежелательные эффекты при быстрых переключениях в мостовых схемах. 

Рис. 10. Паразитные емкости транзистора MOSFET в рабочей схеме. 

Если кратко, то чем меньше Cgd, тем будет меньше влияние на схему управления при перепаде напряжения при включении транзистора. Также емкости Cgs и Cgd формируют емкостный делитель напряжения, и при большом соотношении Cgs к Cgd желательно защитить схему управления от паразитных помех от перепадов напряжения, возникающих при переключении. Это соотношение, умноженное на пороговое напряжение, определяет качество защиты схемы управления от переключений в выходной цепи, и силовые транзисторы MOSFET компании APT лидируют в индустрии по этому показателю. 

Ciss, Input capacitance, входная емкость. Это емкости, измеренная между выводами затвора истока, когда по переменному напряжению сток замкнут на исток. Ciss состоит из параллельно соединенных емкостей Cgd (емкость затвор-сток) и Cgs (емкость затвор-исток): 

Входная емкость должна быть заряжена до порогового напряжения перед тем, как транзистор начнет открываться, и разряжена до напряжения общего провода перед тем, как транзистор выключится. Таким образом, сопротивление управляющей схемы и емкость Ciss образуют интегрирующую цепь, которая напрямую влияет на задержки включения и выключения. 

Coss — Output capacitance, выходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и истоком, когда затвор замкнут по переменному току на сток. Coss состоит из параллельно соединенных емкостей Cds (емкость сток-исток) и Cgd (емкость затвор-сток):

Для приложений с мягким переключением параметр Coss важен, потому что влияет на резонанс схемы. 

Crss, Reverse transfer capacitance, обратная переходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и затвором, когда исток соединен с землей. Обратная переходная емкость эквивалентна емкости затвор-сток. 

Обратная переходная емкость часто упоминается как емкость Миллера. Это один из главных параметров, влияющих на время нарастания и спада напряжения во время переключения. Он также влияет на эффекты времени задержки выключения. 

На рис. 11 показан пример зависимости типичных значений емкости от напряжения сток-исток. 

Рис. 11. Зависимость емкости от напряжения. 

Емкости уменьшаются при увеличении напряжения сток-исток, особенно это влияет на выходную и обратную переходную емкости.

Qgs, Qgd и Qg, Gate charge, заряд затвора. Значения заряда отражают заряд, сохраненный на внутренних емкостях, описанных ранее. Заряд затвора используется для разработки схемы управления, поскольку нужно учитывать изменения емкости при изменении напряжения на переходах переключения [9, 10].

На рис. 12 показано, что Qgs заряжается от начала координат до первого перегиба и далее заряжается до второго перегиба кривой (этот заряд известен как заряд Миллера), и Qg является зарядом от начала координат до точки, где VGS равно указанному управляющему напряжению затвора. 

Рис. 12. VGS как функция заряда затвора. 

Заряд затвора незначительно изменяется с током стока и напряжением сток-исток, но не зависит от температуры. Для этого параметра указываются условия тестирования. График заряда затвора, обычно приведенный в даташите, показывает кривые заряда затвора для фиксированного тока стока и различных напряжений сток-исток. Напряжение горизонтального участка VGS(pl), "плато", показанное на рис. 12, незначительно увеличивается с ростом тока (и соответственно уменьшается при снижении тока). Напряжение  также имеет прямо пропорциональную зависимость от порогового напряжения, так что изменения порогового напряжения коррелирует и изменением напряжения плато. 

[Резистивные параметры времени переключения (данные resistive switching)]

Эти параметры имеются в даташите по чисто историческим причинам. 

td(on), Turn-on delay time, время задержки включения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток на 10% превысит напряжение отсечки затвора до момента времени, когда ток стока вырастет больше 10% от указанного выходного тока. Это показывает задержку начала поступления тока в нагрузку.

td(off), Turn-off delay Time, время задержки выключения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% напряжения отсечки затвора до момента, когда ток стока упадет ниже 90% от указанного выходного тока. Это показывает задержку отключения тока в нагрузке.

tr, Rise time, время нарастания. Это время, за которое ток стока вырастет от 10% до 90% (значение тока указывается).

tf, Fall time, время спада. Это время, за которое ток стока спадет от 90% до 10% (значение тока указывается). 

[Энергии переключения в индуктивностях

Из-за того, что данные resistive switching трудно использовать для предсказания потерь на переключение в реальных рабочих условиях мощных преобразователей, компания Advanced Power Technology включает во многие даташиты транзисторов MOSFET и FREDFET данные энергии переключения в индуктивностях. Это предоставляет разработчику ключевых блоков питания удобный способ сравнения быстродействия транзисторов MOSFET или FREDFET с другими транзисторами, даже если они выполнены по другой технологии наподобие IGBT. Поэтому можно использовать для разработки самый подходящий по качеству мощный транзистор. 

На рис. 13 показана схема тестирования переключения транзистора с учетом потерь в индуктивностях. Это импульсный тест, где применяется очень короткий по длительности цикл открытого состояния транзистора, так что энергия, запасенная в индуктивности, успеет рассеяться намного раньше поступления последующих импульсов, и саморазогрев можно не учитывать. Температура транзистора и фиксирующего диода во время теста регулируется принудительно от внешнего термостата. 

Рис. 13. Схема тестирования потерь на индуктивности.

В таблице динамических характеристик указываются следующие условия тестирования: VDD на рис. 13, ток теста, напряжение управления для затвора, сопротивление затвора и температура кристалла. Обратите внимание, то сопротивление затвора может включать сопротивление выхода микросхемы драйвера. Поскольку время переключения и энергии меняются с температурой (главным образом из-за диода в тестовой схеме), то данные предоставляются как для комнатной температуры, так и для разогретого состояния диода и тестируемого транзистора. Также предоставляется график зависимости между временем переключения и энергиями тока стока, и сопротивлением затвора. Определения времени задержки (включения) и времени нарастания и спада тока совпадают с аналогичными временами для данных resistive switching. 

Фактические формы сигнала при переключениях используются в даташите для определения различных измеренных параметров. Рис. 14 показывает форму сигнала включения и определения, связанные с ним. Энергия переключения может быть масштабирована напрямую для изменений между напряжением в приложении и энергией при тестовом напряжении, указанном в даташите. Так что, к примеру, если тесты в даташите были проведены при напряжении 330V, и в приложении применяется напряжение 400, то для масштабирования нужно просто умножить энергию переключения из даташита на коэффициент 400/330. 

Рис. 14. Формы сигналов включения и соответствующие определения. 

Времена переключения и энергии очень зависят от других компонентов и случайных (паразитных) индуктивностей в схеме. Диод сильно влияет на энергию включения. Паразитная индуктивность, включенная последовательно с истоком, является частью пути возвратного управляющего тока, и поэтому значительно влияет на времена переключения и энергии. Таким образом, время переключения и значения энергии, представленные в даташите, могут отличаться от того, что наблюдается в реальном приложении силового узла блока питания или ключа управления мотором. 

Eon, Turn-on switching energy with diode, энергия включения с диодом. Это зафиксированная индуктивная энергия включения, которая включает индуктивный коммутирующий реверсивный ток восстановления диода в тестируемом транзисторе, и она учитывает потери при включении. Обратите внимание, что транзисторы FREDFET в схемах мостов получают жесткие условия переключения, где паразитный диод сложно коммутируется, и энергия включения примерно в 5 раз выше, чем если бы использовался дискретный диод с быстрым восстановлением, наподобие того как показано в схеме рис. 13. 

Энергия включения является интегралом результата от тока стока и напряжения сток-исток на интервале от момента, когда ток стока вырастет больше 5% или 10% от тестового тока, то момента, когда напряжение спадет ниже 5% от тестового напряжения, как это показано на рис. 14. 

Eoff, Turn-off switching energy, энергия выключения. Это параметр, характеризующий фиксацию потерь на индуктивности при выключении. На рис. 13 показана схема тестирования, и рис. 15 показывает форму сигнала и определения. Eoff является интегралом результата от тока стока и напряжением сток-исток на интервале времени от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% до момента, когда ток стока станет нулевым. Это соответствует измерениям энергии выключения по JEDEC-стандарту 24-1. 

Рис. 15. Формы сигналов выключения и соответствующие определения. 

[Температурные и механические характеристики]

RƟJC, Junction to case thermal resistance, тепловое сопротивления между подложкой и корпусом. Этот параметр характеризует эффективность передачи тепла от кристалла к внешнему корпусу транзистора. Выделяющееся тепло является результатом потерь мощности в самом транзисторе. Обратите внимание, что тесты компании APT показывают температуры пластмассы, совпадающую с металлической частью корпуса дискретного компонента. 

Максимальное значение RƟJC включает допуск, учитывающий погрешности изменения для обычного процесса производства. Из-за улучшений производственного процесса в индустрии есть тенденция сокращения разницы между максимальным значением RƟJC и его реальным значением. 

ZƟJC, Junction to case transient thermal impedance, переходной термический импеданс между подложкой и корпусом. Этот параметр учитывает теплоемкость устройства, так что он может использоваться для оценки мгновенных температур из-за потерь мощности. 

В условиях проведения теста на термоимпеданс на тестируемый транзистор прикладываются импульсы мощности различной длительности, и при этом ждут спада температуры между каждым импульсом. Это дает измерение переходного термосопротивления для "одиночного импульса". Из этого строится модель резистор-емкость (RC) по кривой изменения температуры. Рис. 16 показывает такую RC-модель переходного термосопротивления. Некоторые даташиты могут показывать конденсаторы и резисторы, включенные параллельно, но это будет ошибкой. Конденсаторы "заземлены", как это показано на рис 16, и значения компонента остаются такими же. Нет никакого физического значения для промежуточных узлов в модели. Разное количество пар резистор-конденсатор используется просто для того, чтобы создать хорошую подгонку к фактическим измененным данным термосопротивления. 

Рис. 16. RC-модель переходного термосопротивления. 

Чтобы симулировать возрастание температуры с помощью RC-модели, Вы прикладываете источник тока с магнитудой, соответствующей рассеиваемой мощности в MOSFET. Таким образом, Вы можете использовать систему PSPICE или другой программный симулятор электронных схем, чтобы применить ввод произвольных потерь мощности. Из этого Вы можете оценить повышение температуры участка подложка-корпус как напряжение на ступеньках лестницы, установив ZEXT в ноль, как это показано на рис. 16. Вы можете расширить модель, чтобы включить теплоотвод, добавив дополнительные конденсаторы и/или резисторы. 

Переходное термосопротивление в виде семейства кривых, опубликованное в даташите, это просто симуляция прямоугольного импульса, основанная на RC-модели термосопротивления. Рис. 17 показывает пример. Вы можете использовать семейство кривых для оценки пикового нарастания температуры для прямоугольных импульсов мощности, которые являются обычными в источниках питания. Однако из за того, что минимальная длительность импульса 10 мкс, график имеет значение только для частот ниже 100 кГц. На более высоких частотах Вы будете просто использовать термосопротивление RƟJC.

Рис. 17. Семейство кривых термосопротивления.

[Пример анализа даташита]

Предположим, что в реальном приложении ключевого блока питания Вы хотите применить жесткое переключение тока 15A на частоте 200 кГц при напряжении 400V, при средней скважности 35%. Напряжение управления затвора 15V, и сопротивление цепи управления затвора составляет 15Ω для включения и 5Ω для выключения. Также предположим, что Вы хотите позволить максимальную температуру перехода 112°C, с удержанием температуры корпуса транзистора 75°C. С транзистором, рассчитанным на 500V, есть запас только в 100V между напряжением в приложении и VDSS. С учетом скачков напряжения на шине питания 400V узкий запас по напряжению все равно достаточен, потому что у транзистора MOSFET есть эффект лавинного пробоя, который дает "безопасную цепь". Это конфигурация с продолжительной проводимостью, так что быстро восстанавливающийся диод FREDFET не нужен, MOSFET будет работать достаточно хорошо. Такой транзистор Вам следует выбрать? 

Поскольку это приложение с довольно высокой частотой переключения, то лучшим выбором будет серия Power MOS 7. Посмотрим на транзистор APT50M75B2LL. Его расчетный ток 57A, что больше чем в 3 раза переключаемого тока - хорошая стартовая точка, учитывая высокую частоту и жесткое переключение. Давайте оценим потери проводимости, потери переключения, и посмотрим, будет ли тепло рассеиваться достаточно быстро. Общая мощность, которую можно рассеять: 

При 112°C сопротивление RDS(on) примерно в 1.8 раз больше, чем при комнатной температуре (см. рис. 3). Так что потери на проводимость составят: 

Pconduction = (1.8*0.075Ω * 15A) * 15A = 30.4 Вт 

Для оценки потерь на включение мы можем посмотреть на график зависимости потерь переключения от тока при температуре 125°C, показанный на рис. 18. Даже при том, что наше приложение требует максимальную температуру перехода 112°C, этот график будет достаточно точен, потому что энергия переключения MOSFET не чувствительна к температуре, за исключением изменений температуры, связанных с диодом в схеме. Поэтому не будет больших изменений при переходе от 112°C к 125°C. В любом случае, наша оценка будет консервативной. 

Рис. 18. Индуктивные потери переключения. 

По рис. 18 на токе 15A значение Eon будет около 300 μJ, и Eoff около 100 μJ. Значения были измерены при 330V, а в нашем приложении на шине питания 400V. Так что мы можем просто сделать масштабирование энергий переключения по напряжению:

Данные на рис. 18 были также измерены при сопротивлении затвора 5Ω, и мы будем использовать 15Ω при включении. Поэтому мы можем использовать график зависимости энергии переключения от данных сопротивления затвора, показанный на рис. 19, чтобы снова сделать масштабирование энергии. 

Рис. 19. Зависимость энергии переключения от сопротивления затвора. 

Даже при том, что тестовый ток на рис. 19 больше, чем в нашем приложении, разумно учесть соотношение в изменении энергии переключения между рис. 19 и нашим случаем. От 5Ω до 15Ω значение Eon поменяется с коэффициентом около 1.2 (1500μJ / 1250μJ, см. рис. 19). Применим это с данным, скорректированным по напряжению, которые мы видим на рис. 18, и получим Eon = 1.2*364μJ = 437μJ. 

Потери на переключение составят: 

Pswitch = fswitch - ( Eon + Eoff) = 200kHz - (437μJ +121μJ) = 112 Вт

Pconduction + Pswitch = 142.4 Вт, что дает возможность сохранить температуру перехода ниже 112°C в случае корпуса, охлажденного до 75°C. Так что APT50M70B2LL будет удовлетворять требованиям этого примера применения. Такая же техника может использоваться для менее мощных транзисторов MOSFET. На практике потери часто больше всего бывают на переключении. Чтобы поместить транзистор на радиатор и поддерживать температуру корпуса 75°C вероятно потребуется керамическая прокладка (для электрической изоляции) между корпусом и теплоемким радиатором. Преимущество MOSFET состоит в том, что могут применяться демпферы и/или техники резонанса для уменьшения потерь на переключение, причем с транзисторами MOSFET не нужно беспокоиться о влиянии на переключение эффектов зависимости от напряжения или температуры.

[UPD160207. Figure-of-merit]

Для оценки транзисторов FET применяют так называемый показатель качества, Figure of merit (FOM) [11]. Он учитывает одновременно потери на включенном транзисторе и потери на переключение. Обычно FOM вычисляется как произведение сопротивления канала сток-исток открытого транзистора R(DS)ON на заряд затвора QG. QG это заряд, который надо поместить на затвор транзистора MOSFET, чтобы он полностью открылся. С точки зрения рационального дизайна трудно одновременно снизить оба параметра, так что они хороши для оценки качества разработки ключа на полевом транзисторе.

Конечно, сравнение имеет смысл делать только в неком стандартном наборе условий. Это означает, что не только напряжение между затвором и истоком VGS поставляет заряд, также и напряжение сток-исток VDS влияет на сопротивление R(DS). (Это означает, что не просто канал полностью открыт, а то, что сопротивление R(DS) изменяется вверх и вниз.) Усложненный анализ учитывает, что R(DS)ON немного меняется с током стока, так что при сравнении переключающихся транзисторов рабочий ток стока ID также должен быть определен.

Иногда Вы увидите незначительно отличающийся показатель качества FOM: FOMSW, который будет произведением от which R(DS)ON и Q. Он характеризует заряд переключения, который немного меньше QG.

[Ссылки]

1. Power MOSFET tutorial site:eetimes.com.
2. R. Severns, E. Oxner; "Parallel Operation of Power MOSFETs", technical article TA 84-5, Siliconix Inc. 
3. J. Dodge; "Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs", application note, Advanced Power Technology.
4. R. Frey, D. Grafham - APT, T. Mackewicz - TDIDynaload; "New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load", application note APT0002, Advanced Power Technology.
5. Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей.
6. JFET site:wikipedia.org.
7. Bipolar junction transistor site:wikipedia.org.
8. N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins; "Power Electronics " Converters Applications, and Design", text book published by Wiley.
9. K. Dierberger, "Gate Drive Design for Large Die MOSFETs", application note APT9302, Advanced Power Technology.
10. R. McArthur, "Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Datasheets", application note APT0103, Advanced Power Technology.
11. Оценка качества транзисторов MOSFET.

Как проверить ижбт транзистор

Принцип работы IGBT транзисторов основан на применении n-канального МОП-транзистора малой мощности для управления мощным биполярным транзистором. Таким образом, удалось совместить достоинства биполярного и полевого транзистора. Малая управляющая мощность, высокое входное сопротивление, большой уровень пробивных напряжений, малое сопротивление в открытом состоянии – позволяют применять IGBT в цепях с высокими напряжениями и большими токами.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT или БТИЗ) целесообразно использовать в сильноточных, высоковольтных ключевых схемах. Сварочные аппараты, источники бесперебойного питания, приводы электрических двигателей, мощные преобразователи напряжения – вот сфера применения таких элементов.

Названия выводов IGBT: затвор, эмиттер, коллектор.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором способны коммутировать токи в тысячи ампер, напряжение эмиттер-коллектор может достигать несколько киловольт. Но частота работы этих транзисторов значительно ниже, чем частота полевых транзисторов.

Как проверить IGBT транзистор мультиметром

Проверяется IGBT FGh50N60SFD. IGBT часто пробиваются накоротко, такие неисправные транзисторы легко выявить с помощью мультиметра. Перед проверкой IGBT транзистора мультиметром, необходимо обратиться к справочным данным и выяснить назначение его выводов.

Затем произвести следующие действия:

1. Переключить мультиметр в режим «прозвонка». Произвести измерение между затвором и эмиттером для выявления возможного замыкания.

2. Произвести измерение между затвором и коллектором для выявления возможного замыкания.

3. На секунду замкнуть пинцетом или перемычкой эмиттер и затвор. После этого транзистор будет гарантированно закрыт.

4. Соединить щуп мультиметра «V/Ω» с эмиттером, щуп «СОМ» с коллектором. Мультиметр должен показать падение напряжения на внутреннем диоде.

5. Соединить щуп мультиметра «V/Ω» с коллектором, щуп «СОМ» с эмиттером. Мультиметр должен показать отсутствие замыкания и утечки.

Для более надежной проверки IGBT транзистора можно собрать следующую схему:

При замыкании контактов кнопки лампочка должна загораться, при размыкании – тухнуть.

В этом видео показано как проверить IGBT мультиметром:

Знаете ли вы, что проверить IGBT транзистор (узнать, годен ли он) можно даже без мультиметра.
Простейшая схема для проверки IGBT транзистора не содержит дефицитных или дорогостоящих деталей.
Но прежде чем её собирать, откройте datasheet (документ с техническим описанием) конкретной модели IGBT транзистора и внимательно посмотрите на соответствие реальных выводов схематическим. Иными словами, вы должны точно знать, где у IGBT транзистора вывод затвора (обозначается буквой G – Gate), вывод эмиттера (E –Emitter) и вывод коллектора (С – Collector).
На рисунке пример для IGBT транзистора FGH60N60SFD

Обратите внимание, что один из выводов мощных транзисторов обычно соединен с корпусом – именно поэтому, чтобы не допустить замыканий, корпуса транзисторов перед монтажом изолируют специальными термостойкими прокладками.

Чтобы проверить IGBT транзистор, важно знать, как его правильно подключить! Обратите внимание на полярность!

1. В правом (по схеме) положении тумблера IGBT транзистор открыт (лампочка светится, если он исправен).
2. В левом – IGBT транзистор закрыт (лампочка НЕ светится, если он исправен).
Поклацайте тумблером туда-сюда.
Если лампочка не светится – транзистор не пропускает ток. Вероятно, из-за отсутствия контакта внутри корпуса или неправильно собранной схемы!
Если лампочка светится постоянно – внутри транзистора произошло короткое замыкание! Такой IGBT транзистор лучше сразу выбросить – при его случайной установке в схему в ней фактически произойдет короткое замыкание, и «полетят» другие детали!
Как видите, проверить IGBT транзистор легко даже без мультиметра.

Купить IGBT транзисторы по самым низким ценам можно –> здесь

Полупроводниковые элементы используются практически во всех электронных схемах. Те, кто называют их наиболее важными и самыми распространенными радиодеталями абсолютно правы. Но любые компоненты не вечны, перегрузка по напряжению и току, нарушение температурного режима и другие факторы могут вывести их из строя. Расскажем (не перегружая теорией), как проверить работоспособность различных типов транзисторов (npn, pnp, полярных и составных) пользуясь тестером или мультиметром.

С чего начать?

Прежде, чем проверить мультиметром любой элемент на исправность, будь то транзистор, тиристор, конденсатор или резистор, необходимо определить его тип и характеристики. Сделать это можно по маркировке. Узнав ее, не составит труда найти техническое описание (даташит) на тематических сайтах. С его помощью мы узнаем тип, цоколевку, основные характеристики и другую полезную информацию, включая аналоги для замены.

Например, в телевизоре перестала работать развертка. Подозрение вызывает строчный транзистор с маркировкой D2499 (кстати, довольно распространенный случай). Найдя в интернете спецификацию (ее фрагмент показан на рисунке 2), мы получаем всю необходимую для тестирования информацию.

Рисунок 2. Фрагмент спецификации на 2SD2499

Большая вероятность, что найденный даташит будет на английском, ничего страшного, технический текст легко воспринимается даже без знания языка.

Определив тип и цоколевку, выпаиваем деталь и приступаем к проверке. Ниже приведены инструкции, с помощью которых мы будем тестировать наиболее распространенные полупроводниковые элементы.

Проверка биполярного транзистора мультиметром

Это наиболее распространенный компонент, например серии КТ315, КТ361 и т.д.

С тестированием данного типа проблем не возникнет, достаточно представить pn переход в как диод. Тогда структуры pnp и npn будут иметь вид двух встречно или обратно подключенных диодов со средней точкой (см. рис.3).

Рисунок 3. «Диодные аналоги» переходов pnp и npn

Присоединяем к мультиметру щупы, черный к «СОМ» (это будет минус), а красный к гнезду «VΩmA» (плюс). Включаем тестирующее устройство, переводим его в режим прозвонки или измерения сопротивления (достаточно установить предел 2кОм), и приступаем к тестированию. Начнем с pnp проводимости:

  1. Присоединяем черный щуп к выводу «Б», а красный (от гнезда «VΩmA») к ножке «Э». Смотрим на показания мультиметра, он должен отобразить величину сопротивления перехода. Нормальным считается диапазон от 0,6 кОм до 1,3 кОм.
  2. Таким же образом проводим измерения между выводами «Б» и «К». Показания должны быть в том же диапазоне.

Если при первом и/или втором измерении мультиметр отобразит минимальное сопротивление, значит в переходе(ах) пробой и деталь требует замены.

  1. Меняем полярность (красный и черный щуп) местами и повторяем измерения. Если электронный компонент исправный, отобразится сопротивление, стремящееся к минимальному значению. При показании «1» (измеряемая величина превышает возможности устройства), можно констатировать внутренний обрыв в цепи, следовательно, потребуется замена радиоэлемента.

Тестирование устройства обратной проводимости производится по такому же принципу, с небольшим изменением:

  1. Красный щуп подключаем к ножке «Б» и проверяем сопротивление черным щупом (прикасаясь к выводам «К» и «Э», поочередно), оно должно быть минимальным.
  2. Меняем полярность и повторяем измерения, мультиметр покажет сопротивление в диапазоне 0,6-1,3 кОм.

Отклонения от этих значений говорят о неисправности компонента.

Проверка работоспособности полевого транзистора

Этот тип полупроводниковых элементов также называют mosfet и моп компонентами. На рисунке 4 показано графическое обозначение n- и p-канальных полевиков в принципиальных схемах.

Рис 4. Полевые транзисторы (N- и P-канальный)

Для проверки этих устройств подключаем щупы к мультиметру, таким же образом, как и при тестировании биполярных полупроводников, и устанавливаем тип тестирования «прозвонка». Далее действуем по следующему алгоритму (для n-канального элемента):

  1. Касаемся черным проводом ножки «с», а красным – вывода «и». Отобразится сопротивление на встроенном диоде, запоминаем показание.
  2. Теперь необходимо «открыть» переход (получится только частично), для этого щуп с красным проводом соединяем с выводом «з».
  3. Повторяем измерение, проведенное в п. 1, показание изменится в меньшую сторону, что говорит о частичном «открытии» полевика.
  4. Теперь необходимо «закрыть» компонент, с этой целью соединяем отрицательный щуп (провод черного цвета) с ножкой «з».
  5. Повторяем действия п. 1, отобразится исходное значение, следовательно, произошло «закрытие», что говорит об исправности компонента.

Для тестирования элементов p-канального типа последовательность действий остается той же, за исключением полярности щупов, ее нужно поменять на противоположную.

Заметим, что биполярные элементы, у которых изолированный затвор (IGBT), тестируются также, как описано выше. На рисунке 5 показан компонент SC12850, относящийся к этому классу.

Рис 5. IGBT транзистор SC12850

Для тестирования необходимо выполнить те же действия, что и для полевого полупроводникового элемента, с учетом, что сток и исток последнего будут соответствовать коллектору и эмиттеру.

В некоторых случаях потенциала на щупах мультиметра может быть недостаточно (например, чтобы «открыть» мощный силовой транзистор), в такой ситуации понадобится дополнительное питание (хватит 12 вольт). Подключать его нужно через сопротивление 1500-2000 Ом.

Проверка составного транзистора

Такой полупроводниковый элемент еще называют «транзистор Дарлингтона», по сути это два элемента, собранные в одном корпусе. Для примера, на рисунке 6 показан фрагмент спецификации к КТ827А, где отображена эквивалентная схема его устройства.

Рис 6. Эквивалентная схема транзистора КТ827А

Проверить такой элемент мультиметром не получится, потребуется сделать простейший пробник, его схема показана на рисунке 7.

Рис. 7. Схема для проверки составного транзистора

Обозначение:

  • Т – тестируемый элемент, в нашем случае КТ827А.
  • Л – лампочка.
  • R – резистор, его номинал рассчитываем по формуле h31Э*U/I, то есть, умножаем величину входящего напряжения на минимальное значение коэффициента усиления (для КТ827A — 750), полученный результат делим на ток нагрузки. Допустим, мы используем лампочку от габаритных огней автомобиля мощностью 5 Вт, ток нагрузки составит 0,42 А (5/12). Следовательно, нам понадобится резистор на 21 кОм (750*12/0,42).

Тестирование производится следующим образом:

  1. Подключаем к базе плюс от источника, в результате должна засветиться лампочка.
  2. Подаем минус – лампочка гаснет.

Такой результат говорит о работоспособности радиодетали, при других результатах потребуется замена.

Как проверить однопереходной транзистор

В качестве примера приведем КТ117, фрагмент из его спецификации показан на рисунке 8.

Рис 8. КТ117, графическое изображение и эквивалентная схема

Проверка элемента осуществляется следующим образом:

Переводим мультиметр в режим прозвонки и проверяем сопротивление между ножками «Б1» и «Б2», если оно незначительное, можно констатировать пробой.

Как проверить транзистор мультиметром, не выпаивая их схемы?

Этот вопрос довольно актуальный, особенно в тех случаях, если необходимо тестировать целостность smd элементов. К сожалению, только биполярные транзисторы можно проверить мультиметром не выпаивая из платы. Но даже в этом случае нельзя быть уверенным в результате, поскольку не редки случаи, когда p-n переход элемента зашунтирован низкоомным сопротивлением.

Работа транзистора в ключевом режиме

Для рассмотрения вопроса работы транзистора в ключевом режиме заменим, полупроводниковый элемент на переменный резистор. В качестве регулятора для изменения сопротивления (проводимости у транзистора) служит та самая ручка, которую можно крутить. Таким элементом у транзистора является база, воздействие на которую вызывает изменение сопротивления участка эмиттер-коллектор.

Транзистор может находиться в закрытом состоянии (режим отсечки) или в открытом состоянии (режим насыщения). Насыщение транзистора характеризуется его полным открытым состоянием. Сопротивление перехода коллектор-эмиттер в режиме насыщения транзистора практически равно нулю и его включение в таком режиме без нагрузки приведет к выходу полупроводникового элемента из строя. Ток базы в режиме насыщения транзистора достигает большой величины, а напряжение на переходе база-эмиттер составляет 0,6…0,7В, что для данного перехода очень велико. Входная характеристика транзистора приведена ниже.

Состояния транзистора отсечка и насыщения применяются для работы транзистора в ключевом режиме (аналог контакта реле). Определяющим понятием работы транзистора в ключевом режиме является то, что ток базы транзистора небольшой величины (ток управления) управляет большим током коллектора (нагрузки), который может превосходить ток базы в десятки раз. Для определения коэффициента усиления транзистора при ключевом режиме применяют понятие «коэффициента усиления по току в режиме большого сигнала» (β «бетта»), рассчитываемый через отношение максимального тока коллектора к минимальному току базы. Для современных полупроводниковых транзисторов коэффициент β лежит в пределах от 10 до 20.

Помимо одиночных транзисторов для работы в ключевом режиме применяют «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Коэффициент усиления таких схем может достигать 1000. Пример схемы ключевого каскада приведен ниже.

В качестве нагрузки, включаемой транзистором, используется лампочка. Назначение резистора Rбэ – перевести транзистор в закрытое состояние при размыкании контакта за счет выравнивания потенциалов базы и эмиттера. Основной задачей для такой схемы является правильный подбор сопротивления в цепи базы Rб, которое позволит обеспечить работу лампочки с максимальным накалом.

Исходные данные для расчета:
- номинальное напряжение лампочки 12В; номинальный ток – 100 мА;
- коэффициент β=10;
- падение напряжение база-эмиттерUбэ=0,6 В.

Для начала рассчитаем ток в базе: Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА). Напряжение на переходе база-эмиттер: Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В. Из закона Ома находим сопротивление резистора: Rб = Uбэ / Iб = 4,4В / 0,01А = 440 Ом. Из стандартного ряда сопротивлений выбираем резистор Rбэ=430 Ом.



Всего комментариев: 0


Замена биполярного транзистора на полевой

Замена и подбор транзисторов биполярных и полевых

В данной статье я хочу описать, на какие критерии нужно обращать внимание при подборе замены транзисторам . Надеюсь, статья будет полезной для начинающих радиолюбителей. Постараюсь информацию изложить очень кратко, но достаточно для правильного подбора транзистора при отсутствии аналогичного.

Биполярный и полевой транзистор

Биполярные транзисторы.

Предлагаю оценку и подбор аналога для замены транзистора начинать с анализа схемы – частота, напряжение, ток. Начнем подбор по быстродействию транзистора, то есть рабочей частоте транзистора. При этом граничная fгр. МГц (эта та на которой его коэффициент усиления равен единице) частота транзистора должна быть больше реальной частоты на которой работает устройство, желательно, во много раз. После подбора по частоте, производим выбор по допустимой мощности, иными словами ток коллектора транзистора должен превышать максимальный ток в первичной цепи. Далее подбираем транзистор по допустимому напряжению эмиттер-коллектор, которое также должно превышать максимальное прикладываемое к транзистору напряжение в любой момент времени. Коэффициент усиления: известно, что ток коллектора у биполярного транзистора с током базы связан через параметр h31. Проще говоря, ток коллектора больше тока базы в h31. Из этого можно сделать вывод, что лучше применять транзисторы значение этого параметра у которых как можно больше. Это позволит повысить КПД за счет снижения затрат на управление транзисторами, да и потом, транзистор с большим значением этого параметра проще ввести в режим насыщения. Далее чтобы меньше мощности потерять на транзисторе (при этом он будет меньше греться), нужно чтобы его напряжение насыщения (напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии) было как можно меньше, ведь мощность выделяемая на транзисторе, равна произведению тока, протекающего через него, и падению напряжения на нем и еще, максимальная мощность рассеяния коллектора (приводится в справочнике) должна быть не меньше реально выделяемой, иначе транзистор не справится (мгновенно выйдет из строя). В статье «Транзисторы для импульсных блоков питания телевизоров. Замена» я уже описывал приемы замены транзисторов .

Полевые транзисторы.

Преимуществ перед биполярными у них много, а самое главное, цена ниже. Наиболее важные преимущества полевых транзисторов, на мой взгляд следующие:

  1. Он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.
  2. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.
  3. Повышенная теплоустойчивость. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока.

Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число полевиков без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассиметрирования токов, что очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности.

Что касается подбора транзисторов для замены, то порядок примерно тот же самый, т е быстродействие затем мощность. Напряжение исток-сток также выбирается из тех же соображений, что и для биполярных, максимальный ток стока также выбирается с запасом, здесь это выбрать гораздо проще, т к полевые транзисторы имеют довольно большие допустимые токи стока и их разнообразие очень большое, чего не скажешь про биполярные — биполярные транзисторы с током коллектора больше 20 А, это уже редкость. Полевые транзисторы не имеют напряжения насыщения, у них есть аналогичный параметр — сопротивление открытого канала, у транзисторов с допустимым напряжением до 150 В оно составляет десятки миллиом, у более высоковольтных — омы. Чем меньше значение этого сопротивления, тем ближе параметры транзистора к идеальным и тем меньше потери. Мощность потерь (рассеяния) в открытом состоянии определяется как квадрат тока умноженный на сопротивление открытого канала. Естественно, чем меньше будет это значение, тем меньше будет транзистор греться. Аналог параметра h31 у полевого транзистора это крутизна характеристики. Этот параметр связывает между собой ток стока и напряжение на затворе, иными словами ток стока определяется как произведение напряжения на затворе и крутизны характеристики транзистора. Как правило ключевые транзисторы имеют большую крутизну характеристики. Еще у этого вида транзисторов есть так называемое порговое напряжение на затворе — это минимальное значения управляющего напряжения достаточное для введения транзистора в абсолютно открытый режим (насыщение). При подборе необходимо учитывать, чтобы минимальное напряжение на затворе не было ниже порогового, иначе вся мощность будет выделяться на транзисторе а не на нагрузке, т к он не полностью открыт. Такой режим работы, как правило, транзисторы не выдерживают — после включения выгорают с небольшой (или большой) задержкой. Параметр мощность рассеяния коллектора для биполярного транзистора имеет аналогичный для полевого — мощность рассеяния стока. Параметры абсолютно идентичны.

Активней пользуйтесь справочниками и интернетом, информации по параметрам транзисторов сейчас достаточно.

Замена и подбор транзисторов биполярных и полевых

В данной статье я хочу описать, на какие критерии нужно обращать внимание при подборе замены транзисторам . Надеюсь, статья будет полезной для начинающих радиолюбителей. Постараюсь информацию изложить очень кратко, но достаточно для правильного подбора транзистора при отсутствии аналогичного.

Биполярный и полевой транзистор

Биполярные транзисторы.

Предлагаю оценку и подбор аналога для замены транзистора начинать с анализа схемы – частота, напряжение, ток. Начнем подбор по быстродействию транзистора, то есть рабочей частоте транзистора. При этом граничная fгр. МГц (эта та на которой его коэффициент усиления равен единице) частота транзистора должна быть больше реальной частоты на которой работает устройство, желательно, во много раз. После подбора по частоте, производим выбор по допустимой мощности, иными словами ток коллектора транзистора должен превышать максимальный ток в первичной цепи. Далее подбираем транзистор по допустимому напряжению эмиттер-коллектор, которое также должно превышать максимальное прикладываемое к транзистору напряжение в любой момент времени. Коэффициент усиления: известно, что ток коллектора у биполярного транзистора с током базы связан через параметр h31. Проще говоря, ток коллектора больше тока базы в h31. Из этого можно сделать вывод, что лучше применять транзисторы значение этого параметра у которых как можно больше. Это позволит повысить КПД за счет снижения затрат на управление транзисторами, да и потом, транзистор с большим значением этого параметра проще ввести в режим насыщения. Далее чтобы меньше мощности потерять на транзисторе (при этом он будет меньше греться), нужно чтобы его напряжение насыщения (напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии) было как можно меньше, ведь мощность выделяемая на транзисторе, равна произведению тока, протекающего через него, и падению напряжения на нем и еще, максимальная мощность рассеяния коллектора (приводится в справочнике) должна быть не меньше реально выделяемой, иначе транзистор не справится (мгновенно выйдет из строя). В статье «Транзисторы для импульсных блоков питания телевизоров. Замена» я уже описывал приемы замены транзисторов .

Полевые транзисторы.

Преимуществ перед биполярными у них много, а самое главное, цена ниже. Наиболее важные преимущества полевых транзисторов, на мой взгляд следующие:

  1. Он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.
  2. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.
  3. Повышенная теплоустойчивость. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока.

Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число полевиков без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассиметрирования токов, что очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности.

Что касается подбора транзисторов для замены, то порядок примерно тот же самый, т е быстродействие затем мощность. Напряжение исток-сток также выбирается из тех же соображений, что и для биполярных, максимальный ток стока также выбирается с запасом, здесь это выбрать гораздо проще, т к полевые транзисторы имеют довольно большие допустимые токи стока и их разнообразие очень большое, чего не скажешь про биполярные — биполярные транзисторы с током коллектора больше 20 А, это уже редкость. Полевые транзисторы не имеют напряжения насыщения, у них есть аналогичный параметр — сопротивление открытого канала, у транзисторов с допустимым напряжением до 150 В оно составляет десятки миллиом, у более высоковольтных — омы. Чем меньше значение этого сопротивления, тем ближе параметры транзистора к идеальным и тем меньше потери. Мощность потерь (рассеяния) в открытом состоянии определяется как квадрат тока умноженный на сопротивление открытого канала. Естественно, чем меньше будет это значение, тем меньше будет транзистор греться. Аналог параметра h31 у полевого транзистора это крутизна характеристики. Этот параметр связывает между собой ток стока и напряжение на затворе, иными словами ток стока определяется как произведение напряжения на затворе и крутизны характеристики транзистора. Как правило ключевые транзисторы имеют большую крутизну характеристики. Еще у этого вида транзисторов есть так называемое порговое напряжение на затворе — это минимальное значения управляющего напряжения достаточное для введения транзистора в абсолютно открытый режим (насыщение). При подборе необходимо учитывать, чтобы минимальное напряжение на затворе не было ниже порогового, иначе вся мощность будет выделяться на транзисторе а не на нагрузке, т к он не полностью открыт. Такой режим работы, как правило, транзисторы не выдерживают — после включения выгорают с небольшой (или большой) задержкой. Параметр мощность рассеяния коллектора для биполярного транзистора имеет аналогичный для полевого — мощность рассеяния стока. Параметры абсолютно идентичны.

Активней пользуйтесь справочниками и интернетом, информации по параметрам транзисторов сейчас достаточно.

Биполярные транзисторы, включенные по схеме Дарлингтона, т. е. соединенные с общим коллектором (транзистор Дарлингтона), часто являются составным элементов радиолюбительских конструкций. Как известно, при таком включении коэффициент усиления по току, как правило, увеличивается в десятки раз. Однако добиться значительного запаса работоспособности по напряжению, воздействующему на каскад, удается не всегда. Усилители по схеме Дарлингтона, состоящие из двух биполярных транзисторов (Рис. 1.23), часто выходят из строя при воздействии импульсного напряжения, даже если оно не превышает значение электрических параметров, указанных в справочной литературе.

С этим неприятным эффектом можно бороться разными способами. Одним из них — самым простым — является наличие в паре транзистора с большим (в несколько раз) запасом ресурса по напряжению коллектор-эмиттер. Относительно высокая стоимость таких «высоковольтных» транзисторов приводит к увеличению себестоимости конструкции. Можно, конечно, приобрести специальные составные кремниевые транзисторы в одном корпусе, например: КТ712, КТ825, КТ827, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ972, КТ973 и др. Этот список включает мощные и средней мощности приборы, разработанные практически для всего спектра радиотехнических устройств. А можно воспользоваться классической схемой Дарлингтона — с двумя параллельно включенными полевыми транзисторами типа КП501В — или использовать приборы КП501А…В, КП540 и другие с аналогичными электрическими характеристиками (Рис. 1.24). При этом вывод затвора подключают вместо базы VT1, а вывод истока — вместо эмиттера VT2, вывод стока — вместо объединенных коллекторов VT1, VT2.

Рис. 1.23. Схема включения транзисторов по схеме Дарлингтона

Рис. 1.24. Замена полевыми транзисторами составного транзистора по схеме Дарлингтона

После такой несложной доработки, т.е. замены узлов в электрических схемах, универсального применения, усилитель тока на транзисторах VT1, VT2 не выходит из строя даже при 10-кратной и более перегрузке по напряжению. Причем сопротивление ограничительного резистора в цепи затвора VT1 также увеличивается в несколько раз. Это приводит к тому, что полевые транзисторы имеют более высокое входное сопротивление и, как следствие, выдерживают перегрузки при импульсном характере управления данным электронным узлом.

Коэффициент усиления по току полученного каскада не менее 50. Увеличивается прямо пропорционально увеличению напряжения питания узла.

Элементы схемы и их назначение

Резистор Rt. Сопротивление резистора зависит от характера на грузки и выбирается таким, чтобы на выводе затвора параллельно соединенных полевых транзисторов присутствовало 0,5 Упит. При этом максимальный ток не должен превышать 0.2 А (в случае применения полевого транзистора из серии КП501).

Полевые транзисторы VT1, VT2. При отсутствии дискретных транзисторов типа КП501А…В можно без потери качества работы устройства использовать микросхему 1014КТ1В. В отличие, например, от 1014КТ1А и 1014КТ1Б эта микросхема выдерживает более высокие перегрузки по приложенному напряжению импульсного характера — до 200 В постоянного напряжения. Цоколевка включения транзисторов микросхемы 1014КТ1А…1014К1В показана на Рис. 1.25.

Так же как и в предыдущем варианте (Рис. 1.24), полевые транзисторы включают параллельно.

Цоколевка полевых транзисторов в микросхеме 1014КТ1А…В

Автор опробовал десятки электронных узлов, включенных по схеме Дарлингтона. Такие узлы используются в радиолюбительских конструкциях в качестве токовых ключей аналогично составным транзисторам, включенным по схеме Дарлингтона. К перечисленным выше особенностям полевых транзисторов можно добавить их энергоэкономичность, так как в закрытом состоянии из-за высокого входного сопротивления они практически не потребляют тока. Что касается стоимости таких транзисторов, то сегодня она практически такая же, как и стоимость среднемощных транзисторов типа КТ815, КТ817, КТ819 (и аналогичным им), которые принято использовать в качестве усилителя тока для управления устройствами нагрузки.

Источник: Кяшкаров А. П., Собери сам: Электронные конструкции за один вечер. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. — 224 с.: ил. (Серия «Собери сам»).

Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис.1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано "коллектор", а где обозначен коллектор написано "эмиттер". Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=1000В, тока Iмакс≈ 25А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения Uмакс=1600В, Iмакс≈ 50А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=3500В тока Iмакс≈ 100А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:Uмакс=4500В, Iмакс≈ 150А, время переключения tпер.мин≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение Uвх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное Uвх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1

Тип элемента

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t=25°С

А

Iк при
t=100°С

А

Р


Вт

IRG4BC30FD

600

1,6

31

17

100

IRGBC30MD2

600

3,9

26

16

100

IRG4PC30FD

600

1,6

31

17

100

IRG4PC40FD

600

1,5

49

27

160

IRG4PC50FD

600

1,5

70

39

200

IRGPC40MD2

600

4,0

40

24

160

IRGPC50MD2

600

3,0

59

35

200

IRGPh40MD2

1200

4,5

15

9

100

IRGPh50FD2

1200

4,3

29

17

160

IRGPh50MD2

1200

4,4

31

18

160

IRGPH50FD2

1200

3,9

45

25

200

IRGPH50MD2

1200

3,9

42

23

200

OM6516SC

1000

4,0

25

125

OM6520SC

1000

4,0

25

125

 

Табл.2

Тип модуля

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t= 25°С

А

Iк при
t= 100°С

А

Р

Вт

IRGDDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGDDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGDDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGRDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGRDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGRDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGTDN200M06

600

3,0

299

119

1000

IRGTDN300M06

600

3,0

399

159

1316

Где:

  • Uкэ - Напряжение коллектор-эмиттер
  • Uкэн- Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
  • Iк - Постоянный ток коллектора
  • Р - Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

  • Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
  • Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
  • Меньшими потери в режимах импульсных токов.
  • Практически прямоугольной областью безопасной работы.
  • Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
  • Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного "насоса", показанной на рис. 3.

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания Uн. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

  • IR2125 – драйвер верхнего плеча;
  • IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
  • IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
  • IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т.д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Рис.4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Рис.5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

  1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
  2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
  3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
  4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом "Додека – ХХI", 2002.

Топ 5 MOSFET транзисторов с минимальным сопротивлением сток-исток

Полевые транзисторы являются монополярными транзисторами. Ток, проходящий от стока к истоку, не пересекает P-N-переход, как в биполярном транзисторе. Из-за этого внутри него образуется внутреннее сопротивление, когда вы включаете его с помощью сигнала затвора. Сопротивление полевого транзистора является основной характеристикой транзистора. Чем оно ниже, тем меньше тепла выделяется в нем током, проходящим через него. Сопротивление при включении зависит от легирующего примеси в кремниевой матрице, размера металло-свинцового корпуса и размера соединительных проводов, которые производитель использует для соединения матрицы с контактами.

Физически большой кубик будет иметь более низкое сопротивление при прочих равных условиях. Номинал пробоя транзистора прямо пропорционален сопротивлению. Сопротивление в несколько миллиомов гораздо чаще встречается для устройств низкого напряжения, чем для устройств с напряжением пробоя 150 В. Напряжение 1000 В будет иметь сопротивление включения 10 Ом.

Из-за более медленной подвижности дырок по сравнению с электронами полевые транзисторы с P-каналом будут иметь более высокое сопротивление по сравнению с N-канальными типами. Напряжение затвора является еще одним фактором, который следует учитывать. Управление клеммой затвора с напряжением 10 В даст меньшее сопротивление при включении, чем напряжение 5 В. Если вы управляете транзисторной логикой, вы должны внимательно изучить параметры транзистора, чтобы узнать его сопротивление при определенном напряжении затвора.

Одно из преимуществ резистивной природы полевых MOSFET-транзисторов заключается в том, что вы можете распараллеливать их, чтобы уменьшить общее сопротивление цепи. Биполярные транзисторы «имеют тенденцию» брать немного больше тока, что заставляет их нагреваться больше и, таким образом, потреблять еще больше тока. Хотя параллельное включение полевых транзисторов задача не сверх тяжелая, необходимо убедиться, что дорожки на печатной плате, подводящие питание к затворам, имеют одинаковую длину и полное сопротивление, чтобы несколько транзисторов включались и выключались одновременно, без временных задержек. Размещение небольшого последовательного резистора на каждой дорожке платы затвора может помочь ослабить колебания тока за счет более медленного переключения.

Для получения выборки из пяти полевых транзисторов с низким сопротивлением, мы сосредоточились на одном пакете, DPAK, также называемом TO-252 или SC-63. Это хороший транзистор среднего размера, который может управлять токами до 100 А, но при этом достаточно мал, чтобы его можно было использовать в компактных конструкциях. DPAK также имеет гораздо лучшую номинальную мощность, чем пакеты TO-92 или SOT-23, но вдвое меньше пакета T0-220. Вот пять полевых транзисторов в пакете DPAK с низким сопротивлением включения, иногда называемые RDS (включено) (сопротивление от стока до источника включено):

  1. IPD100N04S402ATMA1 от Infineon имеет RDS (сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии) 2 мОм с напряжением пробоя 40 В. Напряжение управления затвором 10 В.
  2. TK55S10N1, LQ от Toshiba имеет RDS 6,5 мОм с напряжением пробоя 100 В. Напряжение управления затвором 10 В.
  3. FDD86250-F085 от ON Semiconductor имеет RDS 22 мОм с напряжением пробоя 150 В. Напряжение управления затвором 10 В.
  4. AOD424 от Alpha и Omega Semiconductor имеет RDS 5,7 мОм с напряжением пробоя 20 В. Напряжение управления затвором 2,5 В.
  5. P-канал SQD50P03-07_GE3 от Vishay Siliconix имеет RDS 7 мОм с напряжением пробоя 30 В. Напряжение управления затвором 10 В.

Если вам нужно контролировать большой ток с малыми потерями мощности в вашей электрической схеме, обратите внимание на приведенные выше транзисторы.

Основы

: Базовые резисторы на транзисторах

Наш читатель Джон написал вопрос о нашем учебнике по открытому коллекционеру:

Мне очень понравилось это руководство, я смог усвоить его и очень хорошо понять. У меня был один вопрос: для чего нужен резистор сопротивлением 1 кОм, подключенный к базе транзистора PNP? Потому что, когда открытый коллектор находится на «высоком уровне», тогда база транзистора находится на уровне 12 В, и кажется, что резистор 1 кОм ни на что не повлиял, а затем, когда открытый коллектор становится «низким», база подключается к земле через выход SN7407.В общем, какая была бы разница, если бы вообще не было резистора на 1 кОм?

И, на самом деле, отличный вопрос о том, о чем мы обычно не обращаем внимания.

Короткий ответ заключается в том, что это «базовый резистор», который мы используем для ограничения максимального тока, протекающего через базу PNP-транзистора. Но давайте посмотрим немного подробнее и посмотрим, что произошло бы, если бы у не было этого там.

Высокий футляр

Прежде всего, как это делает Джон, давайте рассмотрим случай, когда на входе SN7407N высокий уровень, а на выходе - высокий уровень (т. Е.е., низко не потянули). В этом случае ток через транзистор PNP не протекает, а резистор 1 кОм ни на что не влияет. Никакой ток не течет через это место, независимо от того, есть ли там резистор.

Давайте рассмотрим этот случай более подробно, начав с напоминания о том, что находится в каждом из шести каналов этого SN7407:

.

Когда логический вход SN7407N имеет высокий уровень, выход его внутреннего логического элемента НЕ имеет низкий уровень. Поскольку выход затвора НЕ подключен (через резистор) к базе внутреннего NPN-транзистора, база транзистора остается на низком уровне.В этих условиях NPN-транзистор можно описать как «выключенный», поскольку он не проводит ток. А поскольку выход «7407» напрямую подключен к («открытому») коллектору внутреннего транзистора, ток не течет на выход SN7407N и не выходит из него.

Поскольку на выходе SN7407N не может протекать ток или выходить из него, остальная часть схемы очень похожа на «7407», микросхемы просто нет. Вместе 10 к? резистор (подключен к +12 В) и 1 кОм? резисторы (которые включены последовательно) выступают как одиночные 11 кОм? «Подтягивающий» резистор и подтянуть базу PNP-транзистора до +12 В.В этих условиях транзистор PNP можно описать как «выключенный», поскольку он не проводит ток. После достижения равновесия (всего через микросекунды после подачи питания) ток не течет через транзистор PNP, ток не течет через светодиоды, и ток не течет ни через 10 k? или 1 к? резистор.

Поскольку ток не течет, 1 k? резистор на самом деле не имеет значения; схема вела бы себя точно так же, если бы у нас было только 10 k? резистор, чтобы подтянуть базу транзистора PNP.

Низкий корпус

Теперь давайте рассмотрим противоположный случай, когда TTL на входе «7407» низкий.

При низком уровне входного сигнала на выходе внутреннего логического элемента НЕ будет высокий уровень, который подтягивает (и включает) внутренний NPN-транзистор, создавая путь с низким сопротивлением от выходного контакта к земле. Через транзистор PNP через 1 кОм протекает небольшой ток. резистор, а через транзистор NPN на землю. Этот небольшой ток переключает больший ток, который может протекать через светодиоды.

Два тока - небольшой через два транзистора и больший через светодиоды - показаны выше. Давайте попробуем оценить количество тока, протекающего по каждому пути.

На пути с более высоким током (через светодиоды) у нас есть 12 В, напряжение эмиттер-коллектор в открытом состоянии PNP-транзистора (примерно 0,3 В), резистор (75 Ом) и три светодиода, каждый с прямое напряжение оценивается в 3,5 В. Ток через светодиоды составляет примерно

.

I = V / R? (12 В - (0.3 В + 3 × 3,5 В)) / 75 Ом = 1,2 В / 75 Ом = 16 мА.

На слаботочной цепи мы начинаем с 12 В, имеем напряжение эмиттер-база PNP-транзистора (падение на диоде; около 0,7 В), 1 кОм? резистор и напряжение коллектор-эмиттер NPN-транзистора (возможно, 0,3 В) относительно земли. Ток, протекающий через эти элементы, тогда составляет примерно

.

I = V / R? (12 В - (0,7 В + 0,3 В)) / 1000 Ом = 11 В / 1000 Ом = 11 мА.

Как видите, ток через эти компоненты ограничен величиной 1 кОм? «Базовый» резистор, названный так потому, что он ограничивает количество тока, протекающего через базу транзистора.

В сторону: «Большой» ток через светодиоды на самом деле не намного больше. Почему? Потому что наш первоначальный выбор 75? резистор был слишком консервативным. Если светодиоды действительно потребляют 3,5 В каждый, то, возможно, было бы лучше использовать для их управления резистор несколько меньшего размера.

А что, если бы у нас не было 1k? резистор?

1 к? «Базовый» резистор ограничивает общий ток через транзистор PNP и транзистор NPN внутри ‘7407 до относительно безопасного значения 11 мА.Вернемся к исходному вопросу: если бы у нас не было резистора для ограничения тока, что бы произошло?

Электрически (и если немного помахать рукой) переход коллектор-база PNP и переход база-эмиттер NPN выглядят как диод с прямым смещением. Итак, у нас, по сути, есть 12 В, подключенные к этим двум «диодам» последовательно на землю, без каких-либо других элементов. Без каких-либо ограничений по току эти два диода могут пропускать очень большой ток, который в некоторых корпусах может быть ограничен только мощностью вашего источника питания.

Естественно, это ненадежно - один или оба из них (транзистор и / или чип) выйдут из строя, выпустив свой волшебный дым. Если ваш блок питания плохо спроектирован, это также может быть неисправность элемента (или одного из элементов).

Когда мы попробовали (да… да, сделали), мы обнаружили, что ток ограничен примерно 200 мА; достаточно, чтобы «едва» вывести SN7407 из строя от перегрева через несколько минут. К сожалению (с точки зрения захватывающих снимков) он не надулся, не сорвало крышку или что-нибудь более впечатляющее.Он просто перестал работать.

С новым SN7407 и тестированием одной части схемы за раз, мы также смогли определить, что ограничение в 200 мА накладывается самим SN7407. Как он ограничивает ток? Наше лучшее предположение состоит в том, что его собственные внутренние базовые резисторы (в сочетании с конечным усилением транзистора) служат для ограничения того, какой ток может протекать через его выходной транзистор.

Но опять же, если вы хотите, чтобы ваша схема работала надежно, лучше не сталкиваться с ограничениями оборудования.SN7407 имеет рекомендуемый максимальный выходной «сток» 40 мА, и он проработал менее минуты, когда он был вынужден потреблять полные 200 мА. Итак, мораль нашей истории: при использовании таких разнообразных транзисторов не забывайте о базовых резисторах.

Общие сведения о транзисторах с биполярным переходом

Введение

Транзисторы - это фундаментальный компонент цифровой электроники, от которого мы может создавать схемы, которые могут выполнять логику. По своей сути они действуют как переключатели включения / выключения, которыми можно управлять электрически, и хотя это простая концепция, мне было трудно понять именно , как они работали в реальный мир.Например, в сообщении в блоге я написал о понимании комплект колеса рулетки, я не мог понять, что будет за транзистор делаю так, как серия резистор-конденсатор находилась в процессе зарядки; как близко к будет ли конденсатор полностью заряжен до включения затвора?

Многие веб-сайты объясняют, что делают NPN-транзисторы и как коллектор, base и emitter связаны с этим поведением. Например, Sparkfun's страница транзистора разбивает режимы работы из ваш стандартный транзистор NPN в следующий:

  • Режим насыщения происходит, когда напряжение на базе (относительно земля; В база ) выше как напряжение на эмиттере и коллектор (опять же относительно земли; V эмиттер и В коллектор )
  • активный режим происходит, когда базовое напряжение (V base ) выше чем эмиттер V эмиттер но ниже коллектора В коллектор
  • режим отсечки происходит, когда базовое напряжение (V base ) ниже, чем как коллектор (V коллектор ) и эмиттер (V эмиттер )

Но простых соотношений и нескольких уравнений было недостаточно, чтобы помочь я понимаю, как я могу использовать эти транзисторы в реальных схемах.Так что для ради развития моего собственного понимания транзисторов (в частности, биполярных переходные транзисторы, или BJT), я установил несколько тестов, чтобы охарактеризовать поведение транзистора 2N2222 NPN.

Создание испытательной схемы

Чтобы получить практическое представление о том, как эти режимы выглядят на практике, я построил схему с потенциометром 10K, подключенным к базе, чтобы я мог посмотрим, в какой момент транзистор начал проводить:

где

  • R1 подтягивает напряжение эмиттера от земли (вместе с R4 ), так что мы можем продемонстрировать режим отсечки
  • R2 снимает напряжение коллектора
  • R3 - блокиратор обратного хода для предотвращения короткого замыкания цепи, когда потенциометр сопротивление идет к нулю
  • R4 поднимает напряжение эмиттера от земли
  • R5 - потенциометр 10 кОм для проверки эффекта изменения V база на V эмиттер

С помощью этой схемы мы можем напрямую измерить три напряжения, которые управляют поведение нашего NPN-транзистора при включении схемы в трех местах:

, а затем измерения, когда потенциометр отклоняется от нулевого сопротивления. на полные 10 кОм.Самый простой способ - использовать простой мультиметр. способ провести этот эксперимент, если это немного утомительно:

На фото выше черный зажим прикреплен к земле, а красный зажим - к земле. прикреплен к коллектору.

Эксперименты с тестовой схемой

Медленно поворачивая потенциометр и измеряя напряжение на коллектор, база, эмиттер, мы можем очень четко увидеть, как влияет напряжение на база (V base ) имеет на эмиттер и коллектор.Набор в потенциометр для установки V base на значения в диапазоне от 0 до 3,3 В с шагом 0,1 В и измерение других напряжений дает нам следующее:

На этой диаграмме много интересных данных, поэтому давайте рассмотрим несколько вещи, которые он говорит нам о транзисторах NPN.

1. Определение различных режимов транзистора

Как обсуждалось выше, транзисторы NPN могут работать в одном из трех режимов:

Режим Критерии Поведение
Насыщенность V цоколь > V коллектор
V цоколь > V эмиттер
Действует как замкнутый выключатель
Активный V коллектор > V база > V эмиттер V Излучатель пропорционален базе V
Отсечка V цоколь коллектор
V цоколь эмиттер
Работает как разомкнутый выключатель

На нашем графике измеренных данных эти режимы представлены следующим образом:

И действительно, мы видим, что

  • в режиме отсечки, коллектор остается под постоянным высоким напряжением, в то время как эмиттер остается при постоянном низком напряжении
  • в режиме насыщения, коллектор находится под тем же напряжением , что и эмиттер, и действует как короткое замыкание. цепь
  • в активном режиме, разница напряжений коллектор-эмиттер уменьшается по мере того, как напряжение базы увеличивает

Поведение во всех трех регионах заметно линейно; поскольку V base является увеличивается, результирующее изменение двух других напряжений напрямую пропорциональный.Это удобно, потому что другие цифровые компоненты (как и серия RC) , а не , имеют простое линейное поведение; хорошо знать, что NPN-транзистор не усложняет еще больше, вводя другие нелинейное поведение.

2. Определение напряжения включения

Один из практических аспектов работы транзисторов - это диапазон напряжения, в котором они работают. должен быть в активном режиме, но транзистор все еще ведет себя так, как если бы он был в режим отсечки - то есть V база > V эмиттер но транзистор по-прежнему не пропускает ток.В наших измеренных данных это происходит между базовыми значениями V от 0,6 В до 1,2 В:

Это минимальное напряжение для получения любой проводимости называется напряжением включения . Получается, что при разнице между V base и В эмиттер ниже этого напряжения включения 0,6 В, транзистор ведет себя так, как будто он все еще находится в режиме отсечки. Это V BE <0,6 В критерии - внутреннее свойство транзистора; даже если V коллектора составляет 5 В (или выше), этот порог равен 0.Остается 6 В постоянный.

Это критическое свойство транзисторов с биполярным переходом, поскольку любой источник сопротивление, которое вы поставите после того, как эмиттер подтянет V эмиттер и поэтому увеличьте базу V

, которую вам нужно поставить, чтобы транзистор начать проводить. Например, прикрепив светодиод к эмиттеру в цепи 3,3 В может не всегда работать должным образом - у вас есть только 0,7 В поиграйте с опережением коллектора после падения 2,0 В на светодиодах, и это Напряжение включения 0,6 В.

Характеристики транзисторов PNP

Транзисторы

PNP могут работать в одном из трех режимов:

Режим Критерии Поведение
Насыщенность V цоколь коллектор
V цоколь эмиттер
Действует как замкнутый выключатель
Активный V эмиттер > V цоколь > V коллектор V Излучатель пропорционален базе V
Отсечка V цоколь > V коллектор
V цоколь > V эмиттер
Работает как разомкнутый выключатель

, что по сравнению с таблицей для транзисторов NPN представляет собой почти полная противоположность режимам NPN.А если подключить резистор PNP (например, 2N2907) в нашу тестовую схему как есть и запускаем эксперимент, мы получаем очень странные результаты:

Согласно приведенной выше таблице, почти все значения V base мы тестируемый происходит в четвертом режиме, который называется обратно-активным режимом , где V эмиттер база коллектор . Это происходит потому, что ток течет от эмиттера к коллектору в PNP. транзисторы; мы только что перевернули наш PNP-транзистор!

Чтобы применить экспериментальную технику, которую мы использовали для характеристики NPN транзисторов на транзисторах PNP, есть несколько изменений, которые мы должны сделать, чтобы наша тестовая схема:

  1. Мы должны заменить NPN 2N2222 на PNP 2N2907 и перевернуть полярность так, чтобы эмиттер находился под более высоким напряжением, чем коллектор.
  2. R1 должен быть подключен после R2 сейчас. В нашей тестовой схеме NPN R1 работа заключалась в том, чтобы поднять напряжение на стороне низкого напряжения транзистора, чтобы мы можно было наблюдать режим отсечки, где V base был ниже, чем V Излучатель . В этой испытательной схеме PNP будет наблюдаться режим отсечки. когда V base выше, чем V emitter , поэтому перемещение R1 приведет к вытаскиваем V эмиттер из нашего +3.Источник 3 В.
  3. R2 следует заменить на более низкое сопротивление, чтобы мы могли наблюдать режим насыщения. В тестовой схеме NPN задача R2 заключалась в том, чтобы тянуть V коллектор внизу V основание , где V основание регулируется (частично) R3 . Режим насыщения в этом случае PNP требует что V эмиттер будет на выше , чем V base (опять же, частично на R3 ), поэтому R2 не должен быть больше R3 .

Применение этих трех изменений приводит к схеме, которая выглядит следующим образом:

Обратите внимание: поскольку эмиттер и коллектор физически перевернуты, мы должны позаботьтесь о том, чтобы не забыть, какой вывод транзистора мы измеряем нашим мультиметр!

Эта испытательная схема транзистора PNP демонстрирует следующие соотношения между коллектором V , базой V и эмиттером V :

На первый взгляд, это может сильно отличаться от графика напряжения NPN-транзистора. из предыдущего раздела.Однако, если вы посмотрите на это вверх ногами, вы можете возможность увидеть, насколько похожи транзисторы PNP и NPN. Все одинаковые режимы присутствуют, как и напряжение включения:

Единственное отличие, как вам скажет любой учебник, состоит в том, что транзисторы PNP включены, когда базовое напряжение низкое.

Следующие шаги

Эти эксперименты поясняют, но их очень утомительно проводить. с механическим потенциометром и портативным мультиметром. Чтобы выполнить это своего рода характеристики более сложных схем, таких как логические вентили, мы нужен более эффективный способ изменения напряжения и проведения измерений.К этому конец, я написал на странице о том, как использовать цифровой потенциометр (дигипот) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вместе с Raspberry Pi для автоматизации этих эксперименты.

Поиск и устранение неисправностей биполярных переходных транзисторов - www.davidmorrin.com

Статьи по теме:

B ipolar j unction t ransistors, или BJT, могут быть очень заманчивыми и болезненно запутанными для новичка в схемах. Простые стомпбоксы с фуззом и дисторшн могут быть основаны всего на 1 или 2 таких устройствах.Схемы кажутся очень простыми, но многие строители приходят в тупик, когда пытаются выяснить, как это работает, какое напряжение и где должно быть и т. Д.

The 3 Terminals

Во-первых, мы должны «познакомиться» с нашим другом, биполярный переходной транзистор.

На первом изображении показан схематический символ BJT типа npn внутри грубого чертежа корпуса TO-92. Тип npn имеет стрелку « n ot p ointing i n ». Устройство pnp имеет стрелку " p ointing i n

На транзисторе 3 клеммы. Для BJT это эмиттер , коллектор и база .

Чтобы сделать это как можно проще, мы начнем с того,« как включить транзистор ».

Первыми терминалами, которые нужно изучить, являются терминалы base и эмиттер . Если вы понимаете, как настроить эти терминалы и чего ожидать от них от до , тогда вы обнаружите, что поиск и устранение неисправностей намного проще.

База и эмиттер: включение транзистора


В этом примере мы используем батарею 9 В, резистор 100 кОм и npn BJT.Положительный вывод батареи подключен к резистору 100 кОм, другой конец резистора подает положительное напряжение на базу транзистора. Излучатель замыкает цепь, подключаясь к отрицательной клемме аккумулятора.

* Переход база-эмиттер представляет собой диод *

Что здесь происходит? Ну, переход база-эмиттер - это диод . Если вы еще не изучали переходной диод , сейчас самое время.При слишком низком напряжении на нем диод ведет себя как разомкнутая цепь или, по крайней мере, очень резистивный . По мере увеличения напряжения достигается точка, в которой диод «включается», переключается и начинает вести себя как низкое сопротивление.

Также изображена та же схема, если используется настоящий кремниевый выпрямительный диод вместо перехода база-эмиттер транзистора. Эффект такой же. Тогда вы можете задаться вопросом о номинале резистора 100 кОм. Насколько это важно или что делает этот резистор? 100k в этой цепи не делают ничего, кроме ограничения тока, потребляемого батареей.Диод, когда он превышает 0,6 В, становится очень низким сопротивлением, поэтому он быстро разряжает батарею, если подключить ее непосредственно к клеммам батареи. Резистор устанавливает сток. Мы будем использовать закон Ома , чтобы вычислить ток.

Ток = напряжение, деленное на сопротивление

I = V / R

I = 9 В / 100,00 Ом

I = 0,00009A или 0,09 мА или 90 мкА, что является довольно низким током, поэтому с нашей батареей все в порядке.

Совет по поиску и устранению неисправностей №1: переход база-эмиттер представляет собой диод.Ожидайте примерно 0,6 В от эмиттера к базе для кремниевых транзисторов. Ожидайте от 0,1 В до 0,3 В для германиевых транзисторов.

Если напряжение на меньше, чем 0,6 В , транзистор , скорее всего, ВЫКЛ. Может быть короткое замыкание на между клеммами снаружи или внутри, если устройство было повреждено. Проверка низкого сопротивления с помощью омметра проверит эти проблемы. Если напряжение намного больше 0,6 В, то неисправность может заключаться в разомкнутом соединении , опять же либо внешнем (плохое паяное соединение, обрыв проводов, обрыв провода) или внутри, если устройство повреждено.Снова воспользуйтесь проверкой низкого сопротивления , но на этот раз, чтобы убедиться, что все, что должно быть подключено, подключено на . Это включает не только положительное напряжение на базе, но и отрицательное, или заземление, или соединение 0 В на эмиттере.

Если есть эмиттерный резистор, как на следующем рисунке, , вы все равно хотите подключить черный провод вашего измерителя к клемме эмиттера , а красный провод - к клемме базы. Это отличается от обычного подхода «черный провод всегда к земле», который хорош для большинства значений напряжения .При поиске и устранении неисправностей вы можете измерить все напряжения транзистора относительно земли, а затем вычесть базовое напряжение из напряжения эмиттера, чтобы получить то же значение. Так сделать быстрее.

Давайте также добавим пример устройства pnp , прежде чем двигаться дальше.

Еще раз, измерение происходит между базой и эмиттером, однако устройство pnp будет иметь положительное напряжение на эмиттере, противоположное тому, что мы ожидаем с npn.

Если поменять местами провода с помощью цифрового измерителя, на дисплее будет показано -0.6 В (это отрицательных 0,6 В). Если вы знаете, что полярности отведения изменяются, все в порядке, но постарайтесь избежать ненужной путаницы во время поиска и устранения неисправностей!

Итак, мы успешно подключили транзистор как диод. Немногое, но разряжает нашу батарею, но у нас есть полная схема, и это или . Часто при устранении неполадок мы должны подтвердить, что что-то происходит или не происходит . Наблюдение хорошего диодного падения на переходе база-эмиттер - хорошая проверка при поиске и устранении неисправностей.

Ток база-эмиттер управляет током коллектор-эмиттер

Еще лучшая проверка - это напряжение коллектор-эмиттер . Это тот же тип проверки, но с выводами коллектора и эмиттера вместо базы и эмиттера. Проверка напряжения коллектор-эмиттер скажет вам, является ли транзистор: отсечкой (ВЫКЛ.), Насыщенным (ПОЛНЫЙ ВКЛ.) Или промежуточным между этими крайними значениями («активен вперед» или «включен»). Как только вы увидите, что транзистор находится в одном из этих трех состояний, напряжение база-эмиттер скажет вам , почему транзистор находится в том состоянии, в котором он находится.

Давайте подключим коллектор к чему-нибудь, чтобы мы действительно могли это наблюдать.


Здесь коллектор подключен напрямую к 9В. 100 кОм по-прежнему подает напряжение на базу, а эмиттер имеет резистор 1 кОм на 0 В.

Измерение напряжения коллектор-эмиттер , прямо на выводах, как и напряжение база-эмиттер, дает нам около 4,5 В, что находится между крайними значениями 9 В и 0 В. Это означает, что наш транзистор активен в прямом направлении , и если бы у нас были аудиовходы и выходы, мы должны ожидать, что схема будет работать.

Если бы счетчик показывал менее 1 В, я бы подумал, что транзистор слишком сильно включен. Если бы показания счетчика были близки к 9 В, я бы подумал, что транзистор выключен. Для такой простой схемы, если каждое соединение казалось правильным, каждое измерение казалось правильным, мы могли регулировать напряжение коллектор-эмиттер, изменяя резистор 100 кОм. Чтобы включить транзистор «меньше», мы можем поднять 100 кОм до более высокого сопротивления. Чтобы включить транзистор «больше», мы могли бы понизить 100 кОм до более низкого сопротивления.

3 типа смещения: отсечка, прямое и обратное

Изменение базового резистора изменяет смещение транзистора , , или рабочую точку. Однако с помощью всего одного резистора, от источника питания (здесь 9 В) до базы, смещение будет трудно установить. Смещение одиночного резистора подходит только для простых коммутационных приложений. Для аудио нам понадобится очень стабильное опорное напряжение для смещения нашего транзистора.


Обратите внимание на эту иллюстрацию, как у нас есть 3 разных напряжения.На каждом конце источника питания есть 9 В и 0 В, а затем 1/2 этого напряжения между двумя резисторами 1 кОм. Два резистора 1 кОм - это довольно низкий импеданс для такого типа делителя напряжения. Низкое сопротивление подходит для опорного напряжения. Почему? Потому что мы хотим поддерживать постоянное напряжение (здесь 4,5 В) и не хотим, чтобы схемы, использующие это напряжение, «загружали» его и меняли опорное напряжение 4,5 В на что-то меньшее, например 4 В или 3 В или меньше.

Ток через делитель будет 4,5 мА.(9 В / 2000 Ом). Этого достаточно, и вы, вероятно, не увидите такого большого тока, выделяемого на делитель напряжения в большинстве устройств с батарейным питанием. Делители напряжения на 10 кОм, 100 кОм и 1 МОм встречаются гораздо чаще, с потребляемой мощностью 450 мкА, 45 мкА и 4,5 мкА соответственно.

На следующем рисунке я установил два диода, показывающих, как работает транзистор , а не . Если бы переход база-эмиттер составлял всего диода, то напряжение на делителе снизилось бы, как показано.

Транзисторы отличаются от простых диодов своим «транзисторным действием».«После замены диодов на настоящий транзистор, делитель возвращается почти до уровня ненагруженного напряжения. Мы теряем лишь небольшое напряжение (здесь 0,02 В) на базе транзистора. Почему это происходит?

Как только наш транзистор включен , импеданс база-эмиттер претерпел интересное изменение. Вместо очень низкого сопротивления, как у диода, внутренний импеданс, и , сопротивление внешнего эмиттера, умножается на beta , что является коэффициентом усиления транзистора по постоянному току.Учебная бета-версия почти всегда равна 100, хотя фактические бета-версии транзисторов могут значительно различаться, и они могут варьироваться в зависимости от многих факторов, но здесь мы просто предположим, что наш идеальный транзистор имеет постоянную бета-коэффициент, равный 100. Мы пока проигнорируем небольшое внутреннее сопротивление. , и просто умножьте резистор эмиттера 1 кОм на 100, чтобы получить входное сопротивление на клемме базы 100 кОм.

В то время как 1 кОм сильно нагружает делитель в схеме диода, импеданс транзистора «100 кОм» является очень небольшой нагрузкой для делителя, и наше опорное напряжение сохраняется.

Неисправности транзисторов

  • Раздел 7.3 Тестирование транзисторов
  • • Двухдиодная модель для БЮТ.
  • • Определение соединений транзисторов.
  • • Тестирование BJT.
  • • Тестирование полевых транзисторов.
  • • Тестирование полевых МОП-транзисторов

Модель двухдиодного транзистора

Рис.7.3.1 Модель двухдиодного транзистора.

Как показано на рис. 7.3.1, независимо от того, является ли транзистор (а) типом NPN или (б) биполярным транзистором типа PNP, он состоит из двух диодных переходов, перехода база-эмиттер и перехода база-коллектор. В целях тестирования их можно представить себе просто как два диода с одним общим соединением, то есть с базой. Итак, чтобы проверить транзистор, вам просто нужно проверить прямое и обратное сопротивление каждого из этих переходов. Однако для этого сначала необходимо выяснить, какой штифт какой.

План A - Используйте лист данных производителя

Лучший способ проверить функции контактов - воспользоваться таблицей данных производителя. Практически каждый транзистор, когда-либо созданный, имеет свой собственный лист данных в Интернете. Просто введите номер транзистора в строку поиска в Интернете, и вы найдете несколько сайтов, на которых публикуются нужные вам данные. Вы также должны найти схему в техническом описании, показывающую соединения контактов транзистора (распиновку), где показаны контакты коллектора, базы и эмиттера, а также любые варианты.Если вы не можете найти нужную информацию, придется прибегнуть к плану B.

Рис.7.3.2 Общие транзисторные блоки.

Plan B - Определение функций выводов путем просмотра информации о корпусе транзистора.

Что делать, если вы не можете найти идентификационный номер жизненно важного транзистора на самом транзисторе? Еще не все потеряно; вы все еще можете найти функции булавки, немного поработав детективом. Если транзистор, который вы тестируете, имеет металлический корпус, как на схемах компоновки общих корпусов TO18, TO3, TO126, TO202, TO72 и т. Д., это полезно. К коллектору почти всегда присоединяется металлический корпус или зона радиатора, чтобы тепло отводилось легче. Это означает, что если вы измеряете сопротивление от корпуса или металлической монтажной области к каждому контакту по очереди, один контакт, который измеряет нулевое сопротивление, является коллектором. Однако нам действительно нужно найти базу. В корпусах транзисторов, таких как TO39, это просто; эмиттер почти всегда находится рядом с металлическим язычком, а коллектор подсоединен к банке.

Обратите внимание, что часто это делает основание центром трех соединений - но это не всегда так; не полагайтесь на то, что база находится в центре.Изучите распространенные типы пакетов, показанные на рис. 7.3.2. Возможны вариации даже в пределах одного и того же типа упаковки. Так что, если план B не решил загадку, не беспокойтесь, всегда есть план C.

Plan C - Тестирование транзисторов с неизвестными выводами.

Еще один полезный способ найти базу - это измерить сопротивление между различными контактами. Представьте для начала, что мы подозреваем, что неизвестный транзистор может быть типа NPN (они гораздо более распространены, чем PNP в современных схемах), и он может быть неисправным

Рис.7.3.3 Определение выводов транзисторов и поиск неисправных транзисторов


.

Использование таблицы поиска неисправностей

Следуйте инструкциям в графах 1, 2 и 3

Если вас направят к блоку 4, и оба теста дают показания от 500 Ом до 1 кОм, молодцы! Вы нашли базовый вывод с первой попытки, и в поле 5 сообщается, что вы тестируете транзистор NPN.

В качестве альтернативы, если оба измерения указывают на бесконечность, вы перейдете к блоку 6, так как положительный провод не был на базе.Так что вернитесь к тесту 2 и попробуйте еще раз, подключив положительный провод к другому контакту. Повторяйте этот тест, пока не найдете основной штифт.

Или, если оба измерения на шаге 4 показывают бесконечность, либо транзистор неисправен (один или оба перехода имеют разомкнутую цепь), либо транзистор имеет тип PNP. Поэтому вам нужно начать все сначала, но на этот раз используя отрицательный вывод измерителя, чтобы найти базовый штифт.

Если в тесте 3 один или оба теста показывают 0 Ом (короткое замыкание) и вы случайно не коснулись положительного и отрицательного выводов вместе во время тестов, транзистор неисправен из-за короткого замыкания одного или обоих переходов.

Диагностическая таблица проверяет биполярный транзистор независимо от того, знаете ли вы, какие контакты какие или нет, но -

Если вы уже знаете распиновку

Вот сокращенная версия для подтверждения неисправности известного транзистора. Если все тесты прошли успешно, транзистор в порядке. Если какие-либо тесты не пройдут, транзистор выброшен в мусорное ведро.

1. Проверить сопротивление между коллектором и эмиттером.

2. Затем поменяйте местами положительное и отрицательное подключение счетчика.Если транзистор исправен, в обоих направлениях должно быть показание бесконечности.

Теперь подключите положительный провод измерительного прибора к базе и проверьте сопротивление обоих переходов, подключив отрицательный измерительный щуп (3) к коллектору, а затем (4) к эмиттеру. В обоих случаях вы должны получить типичное значение прямого сопротивления от 500 Ом до 1 кОм.

Наконец, поменяйте местами подключения счетчика, чтобы отрицательный провод был подключен к базе. Подключите положительный зонд (5) к коллектору, затем (6) к эмиттеру.Оба соединения теперь должны показывать бесконечность.

Тестирование полевых транзисторов

Рис.7.3.4 Диод JFET Модель

Полевые транзисторы

сконструированы иначе, чем биполярные транзисторы, и поэтому требуют других методов тестирования. Сначала рассмотрим схемы JFET на рис. 7.3.4, которые показывают путь сток / исток в виде единого блока кремния типа N или P, а затвор - как простой диод, который имеет либо анод (в полевых транзисторах с каналом P), либо катод ( в N-канальных полевых транзисторах), подключенных непосредственно к тракту сток / исток.Поэтому вместо того, чтобы тестировать два PN перехода, как в BJT, в JFET нам нужно проверить только один переход.

Первое, что нужно знать перед тестированием подозрительного JFET, - это распиновка выводов, как и любого другого транзистора, ее можно получить, загрузив лист данных для конкретного интересующего JFET.

Рис.7.3.5 2N3819 Паспорт.

После идентификации контактов источника, стока и затвора следующие тесты цифрового измерителя должны выявить состояние полевого транзистора:

  • 1.Переключите измеритель в режим проверки диодов.
  • 2. Измерьте сопротивление между Источником и Сливом с помощью положительного провода измерителя на сливном штифте.
  • 3. Поменяйте местами провода измерителя (положительный на источник) и снова снимите показания сопротивления.

Результаты тестов 1 и 2 обычно должны быть от 130 до 180 Ом, но это может отличаться в разных полевых транзисторах JFET. Если сопротивление кажется подозрительно низким, это может означать, что на затворе с очень высоким импедансом имеется остаточное напряжение из-за емкости затворного перехода.Чтобы устранить эту возможность, закоротите затвор и источник, на мгновение коснувшись обоих контактов вместе, затем повторите тесты 1. и 2. Показание 0 Ом или бесконечность означает, что JFET неисправен.

  • 4. Предполагая, что шаги 2 и 3 в порядке, проверьте сопротивление между затвором и источником с помощью положительного измерительного щупа на выводе затвора. Ожидайте сопротивление от 700 Ом до 1 кОм. Это прямое сопротивление диода затвора.
  • 5. Удерживая положительный датчик измерителя на затворе, переместите отрицательный зонд к сливу и проверьте сопротивление между затвором и сливом.Ожидайте аналогичных результатов для теста 4.
  • 6. Теперь поменяйте местами подключения измерителя и проверьте обратное сопротивление диода затвора, поместив отрицательный щуп на вывод затвора, а положительный щуп на вывод истока. Теперь сопротивление должно быть бесконечным.
  • 7. Наконец, проверьте сопротивление затвора для слива, оставив отрицательный датчик на затворе и переместив положительный зонд к контакту слива. Снова чтение должно быть бесконечным.

Рис. 7.3.6 JFET в антистатической пене


.

Во всех этих тестах вам следует по возможности воздерживаться от работы с JFET. В идеале, при работе с полевыми транзисторами любого типа вы должны работать на рабочей станции ESD (антистатический разряд) или носить антистатический браслет. В качестве альтернативы вы можете по крайней мере воткнуть штыри (при условии, что они достаточно длинные) в кусок антистатической пены, например полевые транзисторы, в которых обычно хранятся полевые транзисторы. Тогда сопротивление между штырями позволит избежать накопления статического напряжения, но будет достаточно высоким чтобы не сильно повлиять на показания сопротивления, которые вы снимаете во время этих тестов.

Тестирование полевых МОП-транзисторов

Первое, что нужно понять о полевых МОП-транзисторах, это то, что они намного более чувствительны к повреждению статическим разрядом, чем любые другие типы транзисторов, даже полевые транзисторы. Это связано с тем, что полевые МОП-транзисторы являются транзисторами с изолированным затвором, поэтому затвор полностью изолирован от тракта сток / исток. Это означает, что между затвором и другими выводами существует значительная емкость. Эту емкость можно легко зарядить до любого напряжения, включая чрезвычайно высокие напряжения, которые могут присутствовать на человеческом (вашем) теле, например, просто при ходьбе по комнате с ковровым покрытием.Такое статическое напряжение может легко вывести из строя полевой МОП-транзистор. Поэтому с самого начала следует проявлять осторожность, чтобы не прикасаться к клеммам MOSFET, когда MOSFET не находится в антистатической упаковке или не подключен к цепи. Поэтому для целей этих тестов мы будем предполагать, что тестировщик (вы) будете использовать антистатические методы, как описано в разделе о тестировании JFET. Однако одна мера предосторожности, которую мы не можем использовать, - это вставить MOSFET в антистатическую пену; так как это помешает нашим тестам работать.Поэтому для проведения тестов мы постараемся по возможности не прикасаться к контактам полевого МОП-транзистора и вставить контакты в макетную плату.

Тестовая последовательность MOSFET

Рис.7.3.7 MOSFET на макетной плате.

  • 1. Установите цифровой мультиметр в положение проверки диодов.
  • 2. На мгновение замкните клеммы затвора и стока вместе с одним из щупов измерителя, чтобы разрядить любую емкость затвора.
  • 3. Подключите положительный датчик измерителя к клемме слива, а отрицательный датчик к клемме источника.Счетчик должен показывать бесконечность.
  • (Если измеритель показывает 0 Ом, попробуйте снова замкнуть затвор и сток с отрицательным проводом измерителя, чтобы убедиться, что любой заряд затвора удален).
  • Подключите положительный провод измерителя к источнику, а отрицательный датчик - к клемме слива. Измеритель должен теперь показывать около 500 Ом
  • .
  • Что вы сейчас проверили, так это обратное и прямое сопротивление внутреннего защитного диода полевого МОП-транзистора.
  • 4. Теперь подключите отрицательный щуп измерительного прибора к клемме источника и на мгновение коснитесь клеммы затвора положительным щупом измерительного прибора.Это на мгновение зарядит базовую емкость, достаточную для включения полевого МОП-транзистора.
  • 5. Подключите положительный зонд к сливу, а отрицательный - к источнику (повторение теста 3). На этот раз измеритель должен показывать 0 Ом, потому что MOSFET теперь включается напряжением, которое вы приложили к затвору.
  • 6. Поменяйте местами провода измерителя (положительный на источник и отрицательный на сток). Сопротивление сток / исток снова должно быть 0 Ом, подтверждая, что полевой МОП-транзистор включен.
  • 7.Чтобы выключить полевой МОП-транзистор, используйте любой датчик для кратковременного замыкания затвора на слив.
  • 8. Убедитесь, что полевой МОП-транзистор теперь «выключен», поместив положительный датчик на клемму слива и отрицательный датчик на источник, чтобы убедиться, что сопротивление между стоком и источником равно бесконечности, что еще раз показывает, что при нулевом напряжении на затворе MOSFET теперь выключен, и MOSFET работает правильно.

Заключение.

Проведение тестов JFET или MOSFET поможет вам выявить неисправные полевые транзисторы и лучше понять полевые транзисторы, но также призвано дополнить ваши исследования этих компонентов.Для получения более подробной информации обратитесь к модулю полупроводников 4 (полевые транзисторы), чтобы завершить изучение этих важных компонентов.

Предупреждение. Никогда не работайте с цепями под напряжением, если вы не знаете И ИСПОЛЬЗУЕТЕ безопасные методы работы. Многие цепи, которые получают питание от сети (сети) (а некоторые нет), содержат СМЕРТЕЛЬНОЕ напряжение, а также другие опасности. Работать с цепями под напряжением должен только полностью обученный персонал. Перед тем, как пытаться работать с цепями под напряжением с использованием любой информации, представленной на этом веб-сайте, прочтите важный ОТКАЗ.

Начало страницы.>

Проверка метода одновременного локального извлечения базы и теплового сопротивления биполярных транзисторов

Авторов: Роберт Сетекера, Луук Тимейер, Рамзес ван дер Торн

Аннотация:

В этой статье обширная проверка извлечения метод (опубликованный ранее), который последовательно учитывает самонагрев и ранний эффект для точного определения базового и термического сопротивления биполярных переходных транзисторов.Проверка метода продемонстрированы на усовершенствованных ВЧ SiGe HBT. по термическому сопротивлению сравниваются с таковыми из другого опубликованный метод, который игнорирует влияние раннего эффекта на внутренние напряжение база-эмиттер и полученные результаты сопротивления базы сравниваются с определенными из измерений шума. А непротиворечивость нашего метода в извлеченном базовом сопротивлении и тепловое сопротивление с использованием результатов моделирования компактной модели также проводится с целью изучения уровня точности метода.

Ключевые слова: Лавина, Биполярный транзистор, Термическое сопротивление, компактное моделирование, базовое сопротивление, самонагревание, Раннее напряжение, извлечение параметров

Идентификатор цифрового объекта (DOI): doi.org/10.5281/zenodo.1096073

Процедуры APA BibTeX Чикаго EndNote Гарвард JSON ГНД РИС XML ISO 690 PDF Загрузок 1760

Артикул:


[1] Р.Сетекера, Р. ван дер Торн и В. Клоостерман, "Местная добыча" базы и теплового сопротивления биполярных транзисторов », Тр. Биполярный Совещание по схемам и технологиям, 2013 г., стр. 21–24.
[2] Р. Сетекера, Л. Ф. Тимейер, В. Дж. Клоостерман и Р. ван дер Торн, «Анализ методом местного извлечения основы и термического сопротивления». биполярных транзисторов », Тр. Совещание по биполярным схемам и технологиям, 2014. С. 21–24.
[3] В. Д. Ноорт, А. Родригес, Х. Сан, Ф. Заато, Н. Чжан, Т.Нешейват, Ф. Нейи, Дж. Мелай и Э. Хиджзен, «Улучшения технологии BiCMOS. для микроволнового применения », в Proc. BCTM 6.2, 2008, стр. 93–96.
[4] T. Vanhoucke и G.A.M. Hurkx, "Одновременное извлечение основания и тепловое сопротивление биполярных транзисторов », IEEE Transactions on Электронные устройства, т. 52, нет. 8. С. 1887–1892, август 2005 г.
[5] Д. Линартс, «Работа с миллиметровыми волнами в NXP», Compus Technology. Семинар, март 2012 г.
[6] С. З. А. Дж. Г. Ню, Дж. Д. Кресслер и Д.Хараме, "компромисс между усилением шума rf sige hbts »,« Твердотельное электричество », т. 46. ​​С. 1445–1451, 2002.
[7] Р. ван дер Тоорн, Дж. К. Дж. Паасшенс, У. Дж. Клоостерман и Х. К. де Граафф, Компактное моделирование: принципы, методы и приложения. Springer-Verlag, 2010, гл. 7. Транзистор

PNP - как он работает?

Транзистор PNP для многих является загадкой. Но этого не должно быть. Если вы хотите разрабатывать схемы с транзисторами, действительно стоит знать об этом типе транзисторов.

Например: Хотите, чтобы свет автоматически включался, когда стемнеет? Транзистор PNP облегчит вам задачу.

В своей статье, как работают транзисторы, я объяснил, как работает стандартный транзистор NPN . Если вы еще этого не сделали, я действительно настоятельно рекомендую вам сначала прочитать эту статью.

Если вы разбираетесь в транзисторе NPN , вам будет легче понять транзистор PNP . Они работают примерно одинаково, с одним важным отличием: токи в транзисторе PNP протекают в направлении, противоположном токам в транзисторе NPN.

Примечание: эта тема намного проще, если вы понимаете ток и напряжение.

Как работают транзисторы PNP

Транзистор PNP имеет те же названия ножек, что и NPN:

PNP-транзистор «включается», когда у вас есть небольшой ток, идущий от эмиттера к базе транзистора. Когда я говорю «включить», я имею в виду, что транзистор открывает канал между эмиттером и коллектором. И этот канал может нести гораздо больший ток.

Для обеспечения протекания тока от эмиттера к базе необходима разница напряжений около 0.7В. Поскольку ток идет от эмиттера к базе, база должна быть на 0,7 В на ниже , чем у эмиттера.

Устанавливая базовое напряжение PNP-транзистора на 0,7 В ниже, чем у эмиттера, вы «включаете транзистор» и позволяете току течь от эмиттера к коллектору.

Я знаю, что это может показаться немного запутанным, поэтому читайте дальше, чтобы узнать, как можно разработать схему с транзистором PNP.

Пример: схема транзистора PNP

Давайте посмотрим, как создать простую схему на транзисторе PNP.С помощью этой схемы вы можете использовать для включения светодиода, когда он темнеет.

Шаг 1. Излучатель

Прежде всего, чтобы включить PNP-транзистор, вам необходимо, чтобы напряжение на базе было на ниже на , чем на эмиттере. Для такой простой схемы обычно подключают эмиттер к плюсу источника питания. Таким образом, вы будете знать, какое напряжение у вас на эмиттере.

Шаг 2. Что вы хотите контролировать

Когда транзистор включается, ток может течь от эмиттера к коллектору.Итак, давайте подключим то, что мы хотим контролировать: светодиод. Поскольку к светодиоду всегда должен быть включен резистор, давайте добавим резистор.

Вы можете заменить светодиод и резистор на все, что хотите.

Шаг 3. Транзисторный вход

Для включения светодиода нужно включить транзистор, чтобы открылся канал от эмиттера к коллектору. Чтобы включить транзистор, вам нужно, чтобы напряжение на базе было на 0,7 В ниже, чем на эмиттере, что составляет 9 В - 0.7 В = 8,3 В.

Например, теперь вы можете включить светодиод, когда он темнеет, используя фоторезистор и стандартный резистор, настроенный как делитель напряжения.

Напряжение на базе не будет вести себя точно так, как вам говорит формула делителя напряжения. Это связано с тем, что транзистор тоже влияет на напряжение.

Но в целом, когда значение фоторезистора большое (нет света), напряжение будет близко к 8,3 В и транзистор включен (что включает светодиод). Когда номинал фоторезистора низок (присутствует много света), напряжение будет близко к 9 В и отключит транзистор (который отключает светодиод).

Что контролирует базовое напряжение?

Вы можете спросить: «Как фоторезистор и резистор на базе волшебным образом создали правильное напряжение 8,3 В в темноте?»

Отчасти потому, что эмиттер и база составляют диод. И диод всегда пытается накапливать напряжение на своем диоде. Этот конкретный диод имеет диодное напряжение около 0,7 В. А 8,3 В на 0,7 В меньше 9 В.

Но это также отчасти потому, что размер фоторезистора и резистора на базе устанавливает напряжение в правильном диапазоне.

Проверьте мою схему

Вот видео схемы в действии:

В этом видео я использовал транзистор BC557 PNP. Это один из транзисторов, который Джеймс Льюис рекомендует в своей статье о 4 лучших транзисторах, которые следует держать в комплекте деталей.

Фоторезистор, который я использовал, имеет сопротивление около 10 кОм, когда он светлый, и 1 МОм, когда он темный. Резистор на базе транзистора представляет собой резистор 100 кОм. Светодиод является стандартным выходным светодиодом.И резистор, включенный последовательно со светодиодом, составляет 470 Ом.

Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии, дайте мне знать в поле для комментариев ниже!

% PDF-1.4 % 585 0 obj> эндобдж xref 585 121 0000000016 00000 н. 0000005337 00000 н. 0000005476 00000 п. 0000005733 00000 н. 0000005776 00000 н. 0000005928 00000 н. 0000006343 00000 п. 0000007432 00000 н. 0000007630 00000 н. 0000009006 00000 н. 0000010091 00000 п. 0000011176 00000 п. 0000012271 00000 п. 0000013356 00000 п. 0000014437 00000 п. 0000015516 00000 п. 0000016594 00000 п. 0000017673 00000 п. 0000018741 00000 п. 0000019834 00000 п. 0000020927 00000 н. 0000022011 00000 н. 0000023089 00000 п. 0000024171 00000 п. 0000025252 00000 п. 0000026330 00000 п. 0000027414 00000 п. 0000028492 00000 п. 0000029567 00000 п. 0000030656 00000 п. 0000031727 00000 п. 0000032813 00000 п. 0000033887 00000 п. 0000034974 00000 п. 0000036054 00000 п. 0000037149 00000 п. 0000037172 00000 п. 0000065389 00000 п. 0000065596 00000 п. 0000065619 00000 п. 0000093534 00000 п. 0000093736 00000 п. 0000093759 00000 п. 0000100109 00000 п. 0000100298 00000 н. 0000100320 00000 н. 0000104322 00000 п. 0000104523 00000 н. 0000104546 00000 н. 0000117396 00000 н. 0000117599 00000 н. 0000117622 00000 н. 0000144289 00000 н. 0000144487 00000 н. 0000144510 00000 н. 0000161882 00000 н. 0000162075 00000 н. 0000162097 00000 н. 0000165622 00000 н. 0000165813 00000 н. 0000165835 00000 н. 0000169094 00000 н. 0000169275 00000 н. 0000169298 00000 н. 0000178905 00000 н. 0000179087 00000 н. 0000179110 00000 н. 0000188346 00000 н. 0000188550 00000 н. 0000188572 00000 н. 0000191781 00000 н. 0000191969 00000 н. 0000191992 00000 н. 0000201973 00000 н. 0000202170 00000 н. 0000202192 00000 н. 0000206802 00000 н. 0000206984 00000 н. 0000207007 00000 н. 0000222143 00000 н. 0000222335 00000 п. 0000222358 00000 п. 0000232191 00000 н. 0000232382 00000 н. 0000232405 00000 н. 0000241160 00000 н. 0000241350 00000 н. 0000241373 00000 н. 0000274942 00000 н. 0000276034 00000 н. 0000276057 00000 н. 0000281415 00000 н. 0000281602 00000 н. 0000281625 00000 н.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *