Биполярные транзисторы

 

Биполярный транзистор в электронных схемах выполняет функцию усиления тока. Степень его управляемости описывается выражением:

 

,

 

где - коэффициент усиления по току;

- ток базы (ток управления);

- ток коллектора (ток силовой цепи).

Указанное выражение характеризует линейный режим работы транзистора, широко использующийся во всевозможных усилительных схемах. Максимальный ток коллектора , который можно получить в схеме с активной нагрузкой (рис.1.7 б), равен:

 

,

 

где – напряжение питания силовой цепи;

– сопротивление активной нагрузки.

Максимальному току коллектора соответствует максимальный ток базы . Дальнейшее увеличение тока базы не приведёт к увеличению тока коллектора, поскольку транзистор находится на грани своего насыщения. Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом (или глубиной) насыщения – отношением реального тока базы к максимальному току базы в пограничном режиме :

.

 

Коэффициент насыщения всегда больше единицы, от его величины зависят динамические характеристики схемы. Обычно значение коэффициента лежит в пределах 1,5÷2. Чрезмерное насыщение транзистора с коэффициентом более 2 приводит к тому, что в состоянии глубокого насыщения база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора. Транзистор в области насыщения характеризуется напряжением при заданном токе коллектора.

Противоположным режимом транзистора как ключа является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения . В режиме отсечки транзистор имеет близкое к бесконечному сопротивление и небольшой ток утечки p-n перехода . В справочниках для режима отсечки приводятся обратный ток базы и обратный ток коллектора . Обратный ток базы, стекая по базовой цепи управления, может приоткрывать транзистор, поэтому между базой и эмиттером рекомендуется включать сопротивление номиналом несколько сотен Ом.

Динамические свойства биполярного транзистора рассматриваются при переводе его из состояния отсечки в состояние насыщения (и наоборот) прямоугольным импульсом напряжения с идеальным фронтом (рис.1.8). После подачи импульса ток базы нарастает мгновенно. Но ток коллектора начинает нарастать спустя некоторое время, называемое временем задержки включения . После этого ток коллектора плавно нарастает и после истечения времени нарастания достигает установившегося значения . Время включения транзистора равно сумме этих времён:

 

.

 

Время включения зависит от граничной частоты работы транзистора и коэффициента насыщения S:

 

При выключении транзистора на его базу подаётся отрицательное напряжение, в результате чего ток базы меняет своё направление. Пока происходит рассасывание неосновных носителей в базе, напряжение “база-эмиттер” сохраняется неизменным, ток коллектора также не меняет своего значения. Длительность этого процесса характеризуется временем рассасывания . После окончания процесса рассасывания происходит уменьшение тока базы и тока коллектора за время спада . Сумма этих времён называется временем выключения :

 

.

 

В справочниках обычно приводят времена спада и рассасывания, измеряемые при выходе транзистора из пограничного режима. Величина времени рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора:

 

 

Минимальное время выключения транзистор имеет в режиме работы, близком к пограничному. В этом случае время выключения равно:

 

 

Наличие у транзистора значительного времени выключения приводит к различным усложнениям на частотах преобразования выше 30кГц. Малый коэффициент усиления мощных транзисторов и высокий его технологический разброс, составляющий у разных партий до 10, заставляют задавать избыточные базовые токи, что требует мощной схемы управления, снижает КПД преобразователя.

Нагрузочную способность ключа можно увеличить, используя параллельное включение биполярных транзисторов. Однако при непосредственном соединении электродов токи равномерно распределяться не будут, поскольку параметры однотипных транзисторов в режиме насыщения существенно различаются. Чтобы уменьшить небаланс токов, в эмиттерные цепи транзисторов включают выравнивающие резисторы с небольшим сопротивлением, величина которого зависит от допустимого разбаланса токов. На выравнивающих резисторах рассеивается дополнительная мощность, что приводит к снижению КПД преобразователя.