Материал взят из книги
Скачать оригинал КНИГИ в хорошем качестве
58 «Старый добрый биполярный»
Рис. 4.6. Временные диаграммы коммутационных процессов в транзиторе
режим не требует для своей реализации дополнительных элементов, а потому широко используется в импульсной силовой схемотехнике.
В справочных данных обычно приводят времена включения, спада и рассасывания в пограничном режиме при пассивном запирании. Для наиболее быстрых силовых транзисторов время рассасывания составляет 0,1...0,5 мкс.
Коммутационные процессы в транзисторе определяют динамические потери при его переключении. Слишком большие активные потери могут перегреть транзистор, и он пробьется. Поэтому очень важно уметь прогнозировать тепловой режим транзистора. Мы подробно разберем расчет теплового режима работы транзисторов далее, а сейчас покажем, как можно определить коммутационные параметры транзистора, зная граничную частоту его работы и коэффициент насыщения:
__1 . / — т1м- ^шс
tova ^ Ш
/■* Г 7 ИКЛ ■*
' J г р Я нас
t =Tin5sE_tl. 1 =07т
1 рас 1 ш ~ ’ 1вык V, / l .
Данные формулы приведены для режима пассивного запирания.
В мощных импульсных источниках питания, в ключевых цепях бывает необходимо иметь токи, которые непосильны для одиночных Т транзисторов, широко используется параллельное включение транзисторов. В этом случае общий ток распределяется между отдельными транзисторами. Особенность биполярных транзисторов, о которой надо знать даже радиолюбителю, это невозможность непосредственного параллельного соединения их электродов. Необходимо обязательно включать в эмиттерные цепи транзисторов небольшие резисторы, выравнивающие токи. Зачем это делается, разберем на примере.
Предположим, что мы имеем параллельное соединение двух транзисторов— \Т1 и \ГГ2. Эквивалентная схема этого соединения показана на рис. 4.7.
- . Пусть один транзистор имеет минимально возможный параметр Emin = 0,1 В, а второй — максимально возможный Етах = 0,5 В. Сопротивления транзисторов в открытом состоянии считаем примерно одинаковыми. Напряжение UK3 обычно не слишком отличается от напряжения Е в состоянии насыщения. Тогда ток через VT2 будет примерно ' *5 раз больше, чем ток через транзистор VT1. Другими словами, мощность, рассеиваемая на VT2, будет в 25 (!) раз больше, чем мощность, рассеиваемая на VT1. Ключ может мгновенно выйти из строя, если мы •' Планировали распределить токи между ключами равномерно.
Чтобы избежать теплового пробоя по причине разбаланса то-■увв, необходимо введение токовыравнивающих резисторов, пока-
занных на рис. 4.8. рассчитаем их номиналы, исходя из следующих положений:
• значения исправочника представляют собой предельные значения для данного типа транзистора, поэтому считаем, что нам попались «наилучший» и «наихудший» транзисторы;
• сопротивления Кнас всех транзисторов примерно равны.
Итак, в этом случае токи в эквивалентной схеме запишутся следующим образом:
Таким образом, необходимо задаться допустимым разбалансом токов, проходящих через транзисторы (к примеру, 1/10 от максимального значения тока коллектора одного транзистора), и вычислить сопротивление выравнивающих резисторов.
Преимущества такого метода симметрирования токов транзисторов очевидны: нам не нужно подбирать в каждый эмиттер свой резистор, а взять одинаковый номинал: I
I
Следует отметить, что на выравнивающих резисторах рассеивается дополнительная мощность, которая снижает КПД источника. Однако с этим приходится мириться, выбирать «меньшее из двух зол».
Существуют и более сложные методы симметрирования токов, 1 использующие в качестве выравнивающих элементов специальные согласующие трансформаторы, включаемые в эмиттеры соседних пар транзисторов. Этот способ, по мнению его изобретателей, более эффективен с точки зрения КПД, но в силу сложности расчета остается за рамками данной книги. Интересующиеся могут познакомиться с ним в [21].
Великий соблазн для разработчика импульсной техники состоит в использовании в силовых цепях составного Дарлингтоновского транзистора. Большинство одиночных силовых транзисторов имеют коэффициент усиления по току порядка 10...20. Если, скажем, в силовой цепи необходимо получить ток 10 А, нужно подавать в базу ток не менее 0,5...1 А. То ли дело составной транзистор! В этом случае можно обойтись и десятками миллиампер. Схема управления источником значительно упрощается, повышается ее КПД, надежность...
Примерно так размышляет начинающий разработчик, не подозревая, что как раз в такой идее заложен порок.
Автору этих строк довелось разбираться в следующей неприятной . ситуации. При параллельном соединении составных транзисторов КТ834А были посчитаны по всем вышеприведенным правилам выравнивающие резисторы, однако при включении схемы происходил крайне неравномерный прогрев корпусов. Оказалось, что в данном случае пользоваться приведенной выше методикой для расчета выравнивающих резисторов нельзя.
Более тонкий расчет, основанный на анализе разброса коэффициентов усиления по току, показал, что величины выравнивающих рези-<аюров для составных транзисторов составляют десятки Ом, что, конечно, неприемлемо для мощной схемы.
Причина столь печального вывода кроется в следующем. Вернемся к модели транзистора, состоящей из двух диодов, как показано на рис. 4.9. Транзистор УТ1 мы легко можем перевести в состояние насыщения, задав потенциал его базы, как полагается, выше потенциала коллектора. В то же время потенциал базы \гГ2 не может стать выше потенциала коллектора. Открываясь, транзистор УП только «подтягивает» базу \ГГ2 к коллектору. Следовательно, коллекторный переход не открывается, и транзистору УТ2 невозможно перейти в состояние насыщения. Поэтому нужно очень аккуратно относиться к разработке управляющих цепей силовых биполярных транзисторов.
Раньше, когда речь шла о больших мощностях, требуемых от импульсных источников, у разработчика не было выбора, что ему применять в качестве ключевых элементов, и он пускался на различные ухищрения, чтобы использовать биполярные транзисторы. Теперь же появилась мощная альтернатива в виде силовых полевых приборов, о котопых мы поговопим в следующей главе.
Закончим этот раздел перечислением причин выхода из строя биполярных транзисторов. Как показывает практика, очень важно определиться с максимально допустимыми напряжениями и токами, максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температурой корпуса уже на стадии расчета импульсного источника питания-Справочные параметры на предельные режимы работы транзистора обусловлены развитием в этих предельных режимах разных видов пробоя:
• токового (по превышению I ™ах);
• лавинного (по превышению £/™ах);
• по мощности (достижение максимальной температуры перехода).
Существуют два вида пробоя — первичный и вторичный. Первичный пробой обладает обратимостью, то есть после его возникновения и последующего устранения причины пробоя работоспособность транзистора восстанавливается. Вторичный пробой развивается спустя некоторое время после развития первичного пробоя. Это лавинообразный процесс, характеризующийся быстрым и неуправляемым нарастанием тока коллектора (повлиять на него с помощью тока базы уже нельзя). После завершения вторичного пробоя, сопровождающегося пиротехническими эффектами, транзистор можно смело отправлять в мусорное ведро.
Вторичный пробой отсутствует в полевых транзисторах, которые не теряют своих управляющих свойств вплоть до достижения предельных режимов и пробоя их управляемых переходов. То есть полевые транзисторы не теряют управляющих свойств.
;. Биполярные транзисторы ныне используются в импульсной сило-Йрй технике все реже и реже. Их место активно занимают полевые транзисторы МОЗБЕТ и комбинированные транзисторы ЮВТ, имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.