Что такое максимальный ток коллектора

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» — «Коллектор» — вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Статические характеристики биполярного транзистора

Эти характеристики показывают графическую зависимость между токами и напряжениями транзистора и могут применяться для определения некоторых его параметров, необходимых для расчета транзисторных схем. Наибольшее применение получили статические входные и выходные характеристики.

Рис. 10 – Входные характеристики германиевого транзистора типа р-n-р в схемах с ОБ (а) и ОЭ (б)

Входные статические характеристики представляют собой вольтамперные характеристики эмиттерного электронно-дырочного перехода (ЭДП). Если транзистор включен по схеме с общей базой, то это будет зависимость тока эмиттера от напряжения на эмиттерном переходе (рис. 10, а). При отсутствии коллекторного напряжения ( = 0) входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольтамперной характеристики эмиттерного ЭДП, подобную ВАХ диода. Если на коллектор подать некоторое напряжение, смещающее его в обратном направлении, то коллекторный ЭДП расширится и толщина базы вследствие этого уменьшится. В результате уменьшится и сопротивление базы эмиттерному току, что приведет к увеличению эмиттерного тока, то есть характеристика пройдет выше.

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером входной характеристикой будет графическая зависимость тока базы от напряжения на эмиттерном переходе . Так как эмиттерный переход и при таком включении остается смещенным в прямом направлении, то входная характеристика будет также подобна прямой ветви вольтамперной характеристики эмиттерного ЭДП (рис. 10, б).

Выходные статические характеристики биполярного транзистора — это вольтамперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении. Их вид также зависит от способа включения транзистора и очень сильно от состояния, а точнее — режима работы, в котором находится эмиттерный ЭДП.

Если транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ) и =0, то есть цепь эмиттера оборвана, то эмиттерный ЭДП не оказывает влияния на коллекторный переход. Так как на коллекторный ЭДП подано обратное напряжение, то выходная характеристика, представляющая собой зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и базой , будет подобна обратной ветви ВАХ диода (нижняя кривая на рис. 11, а). Если же на эмиттерный ЭДП подать прямое напряжение, то появится ток эмиттера , который создаст почти такой же коллекторный ток . Чем больше прямое напряжение на эмиттерном ЭДП, тем больше значения эмиттерного и коллекторного токов и тем выше располагается выходная характеристика.

Рис. 11 – Выходные характеристики германиевого транзистора типа р-п-р в схемах с ОБ (а) и ОЭ (б)

Сказанное справедливо и при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Разница состоит лишь в том, что в этом случае выходные характеристики снимают не при постоянных значениях тока эмиттера, а при постоянных значениях тока базы (рис. 11, б), и идут они более круто, чем выходные характеристики в схеме с ОБ.
При чрезмерном увеличении коллекторного напряжения происходит пробой коллекторного ЭДП, сопровождающийся резким увеличением коллекторного тока, разогревом транзистора и выходом его из строя. Для большинства транзисторов напряжение пробоя коллекторного перехода лежит в пределах от 20 до 30 В

Это важно знать при выборе транзистора для заданного напряжения источника питания или при определении необходимого напряжения источника питания для имеющихся транзисторов

Увеличение температуры вызывает возрастание токов транзистора и смещение его характеристик. Особенно сильно влияет температура на выходные характеристики в схеме ОЭ (рис. 12).

Рис. 12 – Зависимость выходных статических характеристик транзистора от температуры:
а — в схеме с ОБ, б — в схеме с ОЭ.

Транзистор полевой

Первоначально определимся с терминологией. Полевой транзистор является полупроводниковым прибором, через который движется поток носителей зарядов. Он регулируется электрическим полем поперечного типа, которое, в свою очередь, создаётся напряжением, что приложено между стоком и затвором или истоком и затвором. Благодаря тому, что принцип функционирования полевых транзисторов базируется на перемещении основных носителей однотипного заряда (дырок или электронов), их называют униполярными.

На практике чаще всего используются схема включения транзистора с общим эмиттером. Дело в том, что использование в первую очередь истока позволяет получить значительное усиление тока и мощности. При этом, когда используется схема включения транзистора с общей базой, не увеличивается показатель тока. Поэтому показатель мощности увеличивается значительно меньше, чем в случае с эмиттером. Также при ставке на базу необходимо понимать, что схема тогда имеет низкий показатель входного сопротивления. Поэтому использование такого подхода на практике сильного ограничено в усилительной технике. Что ж, начнём рассматривать схемы включения полевых транзисторов.

1.3. Режимы полевых транзисторов

Стабилизация тока стока

Аналог эмиттерной стабилизации существует и для полевого транзистора (рис. 1.12, а, где U_И = Е_З – U_ЗИ). Трудность в том, что напряжение затвор-исток при данном токе – величина весьма неопределенная и малостабильная.

Рис. 1.12.	Схемы «истоковой» (а) и «стоковой» (б) стабилизации требуют повышенных напряжений

К примеру, разброс U_ЗИ среди экземпляров прибора 2П305А при I_C = 5 мА может составлять единицы вольт. Поэтому гарантировать с приемлемой точностью заданную величину тока в собранной схеме мы могли бы, пожалуй, при напряжении Е_З, составляющем десятки вольт! Маловероятно, что это кого-то устроит.

Для приборов с индуцированным каналом возможен также аналог коллекторной стабилизации (рис. 1.12, б). Можно проверить, что при ненулевом пороговом напряжении транзистор здесь обязательно окажется на пологом участке выходных характеристик, что и требуется.

Для тока стока, очевидно, справедливо:

IС = ( E – UС ) / RС

U_C = U_ЗИ

Принудительная стабилизация

В разобранных схемах функции стабилизации тока и собственно передачи сигнала соединяются в одном приборе – но, в общем, это совсем не обязательно.

Радиолюбитель:

Как это?

К примеру, для полевых транзисторов разумным способом разрешения трудностей оказывается задание тока стока вспомогательным стабилизированным биполярным транзистором (генератором тока), обеспечивающим требуемый ток в исток полевого прибора. Надо лишь не допустить ошибки, влекущей насыщение вспомогательного транзистора.

Радиолюбитель:

Лучше бы рассмотреть на каком-нибудь примере.

Рис. 1.13.	Фиксированный ток истока задают вспомогательным транзистором

Давайте – на примере рис. 1.13. Напряжение затвор-исток для 2П305А при I_C = 5 мА нормировано пределами 0.2–1.5 В, затвор «привязан» к нулю, значит, на истоке имеем этот же диапазон напряжений со знаком минус. Какой отсюда вывод?

Радиолюбитель:

Исток – он же и коллектор 2Т312Б… Выше этого уровня потенциал базы ЕБ быть не должен?

Точно. Проверьте, между прочим, что для приборов типа 2П305Г базу вспомогательного транзистора можно просто «заземлить».

Всегда ли стабилизировать ток?

Завод-изготовитель нередко проводит контроль параметров транзисторов с управляющим переходом не при фиксированном токе стока, а при фиксированном напряжении на затворе (точнее, при ). Это дает повод разработчику вовсе не вводить элементов стабилизации тока стока (рис. 1.14), и даже обязывает к этому. Ознакомьтесь, к примеру, с данными на прибор типа 2П302А: значение крутизны S ≥ 5 мА/В гарантируется при нулевом напряжении затвор-исток, хотя величина тока в этом режиме, согласно техническим условиям, может колебаться в диапазоне от 3 до 24 мА!

Рис. 1.14.	При UЗИ = 0 устанавливается паспортный режим

Любопытно, что если здесь все же возникнет надобность в стабилизации, вы не вправе устанавливать его для транзисторов этого типа более 3 мА.

Радиолюбитель:

Почему это?

А иначе не будет уверенности, что прибор не оказался в области, где напряжение приложено к переходу в запрещенной, открывающей полярности.

Радиолюбитель:

А вот еще я читал о каких-то «термостабильных точках» полевых транзисторов…

Когда вы встречаете публикации подобных выдающихся идей, почаще вспоминайте, что сама по себе стабильность тока активного прибора никак не может являться самоцелью!

Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»

Продолжение читайте здесь

Максимально допустимый ток – коллектор

Максимально допустимый ток коллектора / к шах – наибольший постоянный ток коллектора, при котором изменения параметров транзисторов не превышают установленных норм. Превышение / к max приводит к пробою переходов, сгоранию внутренних соединительных проводников и выходу прибора из строя. Надежность работы транзисторов резко увеличивается при снижении рабочих токов ниже предельных значений. Рабочие токи транзистора ( в том числе и импульсные) рекомендуется ограничивать значением, не превышающим 0 7 максимального значения.
 

Классификация полупроводниковых триодов.

В таблице приведены максимально допустимый ток коллектора, мощность, рассеиваемая коллектором при температуре окружающей среды 25 С.
 

Предел уменьшения п определяется максимально допустимым током коллектора транзистора г нмако а также допустимым напряжением на базе.
 

Выбор транзисторов преобразователя напряжения производится по максимально допустимому току коллектора, допустимому напряжению коллектор – эмиттер, коэффициенту усиления и граничной частоте.
 

Зависимости времени включения и рассеиваемой в транзисторе мощности от соотношения между постоянными времени транзистора и диода.

Примечай и я: / к доп – максимально допустимый ток коллектора, 1К р-расчетный ток коллектора, / к a – ток коллектора закрытого транзистора, С / б, и UQ Q – максимальное н минимальное входное напряжение, gT GT / / K.
 

Максимальное использование транзистора достигается путем соответствующего выбора его напряжения питания и максимально допустимого тока коллектора: Е иКааКС и / к / кшкс.
 

Полученные в результате расчета по формулам (6.34) – (6.36) значения 1тах и Гтах не должны превышать максимально допустимый ток коллектора применяемых в / каскаде транзисторов, а значение Е не должно превышать 0 8 – 0 9 максимально допусти-мого напряжения коллектор – эмиттер. Расчет остальных данных проводят так же, как и в трансформаторных каскадах.
 

Расчетные схемы транзисторного ключа на этапе задержки включения.

В настоящее время порог запирания транзистора определяют по-разному-в под ним подразумевается напряжение на базо-эмиттер ном переходе, соответствующее максимально допустимому току коллектора, при котором в рассматриваемой схеме транзистор еще может считаться закрытым, / к ( 0 01 – 4 – 0 03) / к. Нас ( там же отмечается, что если принять / 0 1 / нас, то к задержке включения добавляется часть фронта t1 – 0); в под ( / бэ.
 

Для сигналов отпирающей полярности максимальное изменение тока Л / выхтах равняется приращению тока транзистора от тока покоя до некоторого максимального значения, определяемого током насыщения или максимально допустимым током коллектора. В выходных каскадах, предназначенных для передачи сигналов отпирающей полярности, стремятся выбрать возможно меньшее значение тока / к с тем, чтобы получить большее приращение тока. Минимальное значение тока / к обусловлено допустимым уровнем нелинейных искажений. Для двухпо-лярных сигналов постоянный ток коллектора / к выбирают так, чтобы для сигналов любой полярности нелинейные искажения не превышали допустимого уровня.
 

Максимальная коммутируемая мощность магнитно-полупроводниковых выключателей определяется коммутирующей способностью полупроводника Я2 и Я6, которая определяется максимально допустимой амплитудой переменного напряжения между коллектором и эмитером закрытого триода и максимально допустимым током коллектора открытого триода.
 

Принципиальная схема трансформаторного транзисторного усилителя, в котором напряжение смещения в цепи базы получается за счет сопротивления вторично.. обмотки входного трансформатора.| Использование транзистора в усилителе мощности при идеализированных характеристиках.

Рассмотрим режим коллекторной цепи при работе в классе А, пользуясь идеализированными характеристиками рис. 10.1. Для этого на рис. 10.4 приведены характеристики, соответствующие среднему и максимальному значениям коллекторного тока и указаны границы максимально допустимых тока коллектора, напряжения на коллекторе и мощности, рассеиваемой коллектором.
 

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы база – эмиттер и база – коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база – эмиттер открыт, а по направлению база – коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор – база поступает обратное напряжение. В добавок, ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока). При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт

Это получается путем подключения источников питания

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Устройство и принцип работы тиристора (тринистора)

Тринистор является управляемым прибором. Он содержит управляющий электрод (УЭ), подключаемый к полупроводнику р-типа или полупроводнику n-типа среднего перехода 2.

Структура, УГО и ВАХ тринистора (обычно называют тиристором) приведены на рисунке:

Напряжение Uвыкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу 2. В какой мере снижается Uвкл показано на ВАХ. Важным параметром является отпирающий ток управления Iу.от, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние при напряжениях, меньших напряжения Uвкл. На рисунке показаны три значения напряжение включения UIвкл < Unвкл < Umвкл соответствует трем значениям управляющего тока UIу.от > Unу.от > Umу.от.

Рассмотрим простейшую схему с тиристором, нагруженным на резисторную нагрузку Rн

Iа – ток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора ); Uак – напряжение между анодом и катодом; Iу – ток управляющего электрода ( в реальных схемах используют импульсы тока ); Uук – напряжение между управляющим электродом и катодом; Uпит – напряжение питания.
Для перевода тиристора в открытое состояние не управляющий электрод подается от схемы формирования импульсов кратковременный (порядка нескольких микросекунд) управляющий импульс.

Характерной особенностью рассматриваемого незапираемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с помощью тока управления.

Для выключения тиристора на практике на него подают обратное напряжение Uак < 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл. Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач. И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной. Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано.

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора.

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды. Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Параллельное включение транзисторов

Любой усилитель, независимо от частоты, содержит от одного до нескольких каскадов усиления. Для того, чтобы иметь представление по схемотехнике транзисторных усилителей, рассмотрим более подробно их принципиальные схемы. Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:. Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада порядка сотен ом , высокое порядка десятков Килоом выходное сопротивление. Отличительная особенность — изменение фазы входного сигнала на градусов то есть — инвертирование. Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения — входной ток протекает через переход «база-эмиттер» транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока.

Предисловие Поскольку тема транзисторов весьма и весьма Соответственно, при параллельном включении через них будут течь.