Как подобрать транзистор: Как подобрать транзистор для замены?

Как подобрать замену для биполярного транзистора || AllTransistors.com

 

Существует большое количество биполярных транзисторов и большинство из них имеет много аналогов, схожих по своим параметрам, так что подбор замены обычно не вызывает затруднений. Конечно, замена сгоревшего транзистора на такой же, это лучший вариант, но если достать его не удается, подобрать аналог не составит труда. Для этого необходимо:

1. Узнать наименование транзистора. Если это СМД устройство – расшифровать его кодировку в разделе СМД-коды 🔗.
2. Проанализировать схему включения транзистора (схему обвязки).
3. Найти даташит неисправного транзистора и внести его основные параметры в форму поиска аналога.
4. Просматривая даташиты предлагаемых транзисторов, выбираем наиболее подходящий аналог по параметрам, учитывая режимы его работы в устройстве.

На что нужно обратить внимание?

Открыв PDF-даташит, в первую очередь выясняем тип транзистора: биполярный или полевой, p-n-p или n-p-n, тип корпуса, расположение выводов (цоколевку).

Из числовых параметров это, прежде всего, максимальный ток и напряжение. У транзистора-замены максимальный ток и напряжение должны быть больше либо равны исходному.

Для биполярного транзистора важным параметром является коэффициент передачи по току hfe. Если транзистор стоит в ключевых схемах (включение-выключение нагрузок), hfe должен быть больше или равен искомому. Если стоит в аналоговых усилителях или подобных устройствах, то должен быть близок. В импульсных блоках питания транзисторы-аналоги также нужно выбирать с близким hfe (возможно придётся менять и исправный транзистор, стоящий в паре).

Необходимо проверить температурный режим (нагрев) транзистора после включения устройства. Если транзистор чрезмерно нагревается, то дело может быть как в самом транзисторе, так и в неисправных элементах его обвязки.

 

 

Расшифровка основных параметров биполярных транзисторов

Полупроводниковый материал: большинство транзисторов будут германиевые или кремниевые. Другие типы не используются в обычных устройствах. С учетом этого параметра будет спроектирована обвязка транзистора.

Полярность (проводимость): при установке транзистора другой полярности, он выходит из строя.

Pc – Максимальная рассеиваемая мощность: необходимо убедиться, что выбранный транзистор может рассеивать достаточную мощность. Этот параметр зависит от максимальной рабочей температуры транзистора – при повышении температуры максимальная рассеиваемая мощность уменьшается. Если рассеиваемая мощность недостаточна – ухудшаются остальные характеристики транзистора, может начаться резкое увеличение тока коллектора, что проводит к еще большему разогреву и выходу транзистора из строя.

Ucb – Максимально допустимое напряжение коллектор-база, определяемое величиной пробивного напряжения p-n перехода. Оно имеет зависимость от тока коллектора и температуры транзистора.

Uce – Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер. Необходимо, чтобы Uce было на треть больше напряжения питания цепи коллектора. Если нагрузкой схемы является катушка реле, необходимо предусмотреть защиту транзистора от перенапряжения, например диод.

Ueb – Максимально допустимое напряжение эмиттер-база.

Ic – Максимальный постоянный ток коллектора. Ток транзистора также берется с запасом не менее 30%. Его величина зависит от температуры корпуса транзистора или окружающей среды.

Tj – Предельная температура PN-перехода. Этот параметр важно учитывать, если транзистору приходить работать в экстремальных условиях, например в автомобиле, где его температура может доходить до 100 градусов.

ft – Граничная частота коэффициента передачи тока – частота, при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером стремится к единице. Данный параметр важен потому, что с ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления падает.

Cc – Ёмкость коллекторного перехода. От этого параметра зависит быстродействие транзистора. Чем она ниже, тем лучше.

hfe – Статический коэффициент передачи тока – соотношение тока коллектора Iс к току базы Ib.

Выше описаны только наиболее важные параметры транзисторов. В даташитах производитель указывает много дополнительных параметров: напряжение насыщения коллектор-эмиттер, максимально допустимый импульсный ток коллектора, обратный ток эмиттера, максимально допустимый ток базы и т.д.

 

 

 

КАК ПОДОБРАТЬ ТРАНЗИСТОР ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ | Дмитрий Компанец

Коэффициент усиления триода по мощности

Коэффициент усиления триода по мощности

Для простых каскадных усилителей очень важно подобрать транзисторы с максимальным коэффициентом усиления (КУ).

Известно, что характеристики транзисторов легко узнать в мануале, но даже там вы увидите огромный разброс параметров усилительных свойств транзисторов одно марки и серии.
Иногда так и получается – установив указанные в нарисованной схеме детали , на практике при включении ничего должным образом не работает.
Разброс параметров транзисторов настолько большой, что ПРОВЕРКА перед пайкой крайне необходима.

Говоря о Коэффициенте Усиления надо оговориться , что у простого Биполярного транзистора их несколько – и по току и по напряжению и даже комплексный по мощности зависимый от ряда параметров схемы применения.

В частном случае
✅ Коэффициент усиления транзистора (по току, мощности или напряжению) – отношение изменения соответствующего показателя в цепи коллектора и в цепи базы.
✔️ Коэффициент усиления транзистора по току
Для схем с общей базой этот коэффициент обозначается буквой α (hfБ или h31Б), с общим эмиттером буквой β (hfЭ или h31Э).
✔️ Коэффициент усиления по току (или, как еще указывается в литературе, коэффициент передачи тока) в первом случае (α) есть отношение силы тока в коллекторе (Iк) к силе тока эмиттера (Iэ) при неизменном напряжении в части коллектор-база: α = IК / IЭ, при UК-Б = const

✅ Коэффициент усиления триода по мощности
Это величина отношения выходной мощности (P2) к мощности, подаваемой на вход триода (P1): КР = Р2 / Р1
Коэффициент усиления транзистора по мощности можно также определить произведением коэффициента усиления по току (КI) и коэффициента усиления по напряжению (KU): КР = КI * KU

Для расчета этих параметров достаточно собрать простенькую схему и провести измерения величин тока в цепях базы и коллектора.

На кухонном столе такая установка выглядит вот так…

С помощью простого расчеты мы легко сможем определить самый подходящий для нашего усилителя транзистор из имеющихся в наличии.

Удивил меня факт того, что транзистор регулярно используемый в усилителях КТ803А оказался далеко не лидером по КУ среди транзисторов изъятых из блоков питания и лампочек экономок.Его КУ равный 10 никак не соперничает с КУ транзистора 13003 равным 20.

А вот германиевые транзисторы П210А меня порадовали Коэффициентом усиления переваливающим за 200.

#КУтранзистораКакОпределить

Как подобрать транзистор

Транзисторы отличаются друг от друга рядом параметров: структурой, максимальной рассеиваемой мощностью, током в открытом состоянии и напряжением в открытом и др. Только грамотно подобранный транзистор будет длительно работать в схеме, в которую он установлен.

Нагрузка транзистора включается между шиной питания и коллектором прибора. Если напряжение на этой шине положительное, используйте транзистор структуры n-p-n, а если отрицательное – структуры p-n-p. Учтите, что управляющий сигнал, подаваемый на базу, должен иметь ту же полярность, что и напряжение питания.

Если транзистор будет работать в аналоговом режиме, поделите напряжение питания пополам и умножьте на половину максимального тока нагрузки. Это и будет мощность, рассеиваемая на приборе в самых неблагоприятных условиях – когда он открыт ровно наполовину. Если же он работает в ключевом режиме, максимальная мощность, рассеиваемая на нем, будет значительно меньше. Чтобы ее узнать, умножьте падение напряжение на транзисторе в полностью открытом состоянии (обычно оно составляет лишь десятые доли вольта) на номинальный ток нагрузки. Руководствуясь максимальной рассеиваемой мощностью, примите решение о том, необходим ли прибору радиатор.

За максимальный ток в открытом состоянии примите максимальный ток, потребляемый нагрузкой, а за максимальное напряжение в закрытом состоянии – напряжение источника питания. Эти параметры транзистора должны превышать значения, имеющие место в схеме, хотя бы в полтора раза.

Коэффициент передачи тока выберите в зависимости от того, каким должно быть соотношение между током управления и током нагрузки. Например, если этот показатель равен 50, то ток нагрузки может превышать ток управления минимум в 50 раз. Исходя из этого, подберите номинал резистора в цепи базы.

Если нагрузка является индуктивной, параллельно ей включите диод в полярности, противоположной аналогичному показателю источника питания.

Найдите в справочнике транзистор, все характеристики которого с некоторым запасом превышают подобранные. Не допускайте работу прибора при двух и более предельных значениях параметров. Установив выбранный вами транзистор в устройство, дайте ему поработать в течение нескольких часов, затем выключите, разрядите в нем конденсаторы и измерьте температуру транзистора. Она не должны превышать 50 градусов.

Как выбрать mosfet. » Хабстаб

В этой статье мы рассмотрим на какие параметры необходимо обратить внимание при выборе mosfet, работающего в ключевом режиме. Транзистор, работающий в ключевом режиме, можно представить себе как переключатель, который имеет два положения: включено и выключено. Обычно этот режим применяется для управления реле, лампочкой, двигателем и прочей нагрузкой, потребляющей большой ток.

1. Для начала надо узнать напряжение цепи в которой будет работать транзистор, это напряжение будет приложено к выводам Drain и Source.
Далее, необходимо отобрать транзисторы параметр Vds(Drain to Source Voltage ) которых минимум в 1.5 — 2 раза выше.

2. Другой не менее важный параметр — это ток, который мы хотим пропустить через транзистор. Максимальное значение тока, который можно пропустить через mosfet определяет параметр Id(Drain Current). Его значение также должно превышать реальный ток в 1.5 — 2 раза. Но это ещё не все, Id, в свою очередь, зависит от температуры.

На графике видно, что с увеличением температуры корпуса ток, который может пропустить через себя транзистор уменьшается. Поэтому реальное значение Id надо выбирать исходя из того, при какой температуре mosfet будет работать.

3.Так как мы собираемся управлять нагрузкой, у нас наверняка должна быть управляющая схема и нам необходимо узнать какое напряжение у неё на выходе. Это напряжение подаётся на вывод, именуемый затвором или gate.

Напряжение на затворе транзистора ограничивают два параметра:

• Vgs(th)(Gate to Source Threshold Voltage) – пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток
  
• Vgs(Gate to Source Threshold Voltage) – максимальное напряжение затвор-исток
  

Управляющее напряжение должно быть где-то между ними.

4.Также от величины управляющего напряжения зависит сопротивление канала, обозначаемое в даташите как Rds

• Rds(on) – Drain to Source On Resistance – сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии
  

От значения Rds зависит мощность(P = I²*Rds), которая будет выделяться на транзисторе. Также надо обратить внимание чтобы значение Rds было хотя бы на порядок меньше(в 10 раз) сопротивления нагрузки.

Обычно в даташите производитель указывает напряжение Vgs, при котором он гарантирует значение Rds, в некоторых даташитах таких значений приводится несколько, например, для одного и того же транзистора

• Rds(on) @ 10 V = 2.5 Ohms
  
• Rds(on) @ 4.5 V = 3 Ohms
  

Чем меньше значение Rds, тем меньше будет греться транзистор.

Зная Rds можно найти ток, который потечёт через транзистор, для этого надо к сопротивлению нагрузки прибавить значение Rds и напряжение цепи поделить на получившееся сопротивление.

I = U/(Rнагрузки + Rds)

Отлично мы нашли ток который потечёт через транзистор, теперь надо убедиться, что транзистор сможет пропустить этот ток при данном напряжении на затворе. Для этого находим график зависимости тока стока(Id) от напряжения на затворе(Vgs).

На этом графике представлена зависимость максимального Id от Vgs, если получившееся при расчётах значение меньше полученного из графика, идём дальше, если нет – ищем способ увеличить напряжение Vgs или другой транзистор.

5.Осталось только разобраться какая мощность будет выделяться на кристалле и способен ли эту мощность рассеять транзистор. И здесь есть один нюанс, обычно в даташите указывают максимальную мощность кристалла при температуре корпуса 25°

но не факт, что ту же мощность сможет рассеять корпус транзистора, по этой причине транзисторы часто устанавливают на радиатор.
Как узнать нужен ли радиатор?
Для начала надо рассчитать мощность которая выделяется на кристалле, считается она по следующей формуле

P = I²*Rds

Дальше открываем даташит и находим температурное сопротивление кристалл-окружающая среда RθJA

RθJA показывает на сколько изменится температура кристалла относительно окружающей среды, при изменении мощности на один ватт.
Теперь если умножить полученное количество ватт на этот параметр и прибавить температуру окружающей среды, можно вычислить температуру кристалла. А как известно она не должна превышать рабочую температуру кристалла (Operating Junction) равную 175°.

Если получившееся при расчёте значение превышает рабочую температуру кристалла, то необходимо транзистор установить на радиатор. Размеры радиатора конечно же можно и нужно рассчитать, но так как изготавливать радиатор вряд ли кто-то будет, выбираем его из имеющихся.

Как подобрать транзистор по параметрам?

Стабилизатор непрерывного действия, т.е. линейный.

Значит на транзисторе будет рассеиваться мощность равная произведению падения напряжения Uкэ и тока проходящего через транзистор. P = Uкэ*Iк.

Такой важный параметр для ключевых схем как напряжение насышения перехода коллектор – эммитер (Uкэ нас.) нам для линейного стабилизатора не особенно важен. Чем меньше этот параметр, тем больше ампер мы можем пропустить через транзистор (имеем в виду транзистор полностью открытый) не сильно его нагревая.

Но транзистор в нашем стабилизаторе будет выполнять функции своеобразного реостата. Он будет гасить на себе лишнее напряжение и пропускать к нагрузке ровно столько сколько у него присутствует на базе с вычетом Uкэ нас. Умножаем напряжение упавшее на транзисторе на силу тока проходящего через него и получаем бесполезную мощность рассеиваимую транзистором. Т.е. греться будет дико.

Поэтому нас в большей степени интересует допустимая рассеиваимая транзистором мощность. Даже допусимый максимальный ток не так важен для нас как эта самая мощность. Например транзистор может иметь Iк max. = 10A но сгорит (если нет радиатора) при прохождении через него тока силой 0,5А и напряжении между коллектором и эммитером Uкэ = 10 вольт.

P = U * I = 10 * 0,5 = 5 ватт.

Любой транзистор в современных корпусах типа ТО-220 и других подобных, без радиатора, разрушится от перегрева кристалла, если на нём будет рассеиваться такая мощность.

Может быть выдержит старый добрый КТ903 а ещё лучше 2Т903. О нём я говорю не просто так. В былые времена он накалялся до шипения но продолжал работать как ни в чём не бывало. Убить его трудно но можно.

В справочниках зачастую приводят допустимую мощность рассеиваемую транзистором и не указывают что эта мощность будет рассеиваться только в случае применении радиатора.

Не может транзистор в корпусе ТО-220 рассеять на себе более 1-1,5 ватта без радиатора. Корпус ТО-220 показан на рисунке.

При этом, надо ещё иметь в виду, что чем выше температура кристалла, тем меньший ток он сможет пропустить через себя без вреда для здоровья. Максимальные токи транзисторов, приведённые в документации относятся к температуре кристалла +25 градусов. С повышением температуры допустимый ток снижается.

Отсюда и рекомендации по подбору транзистора.

Корпус лучше металлический. Радиатор большой.

Так как у меня в наличии имеется некоторое количество транзисторов времён СССР, такие как П213-П217, КТ803, КТ805, КТ903, КТ825, КТ827, П210 все в металлических корпусах и какие-то другие, то я их и поставил бы в такой блок питания. Ещё можно порекомендовать КТ818, КТ819 и массу других.

Расчет смещения (биполярные транзисторы)

Добавлено 23 октября 2017 в 00:45

Сохранить или поделиться

Хотя транзисторные коммутационные схемы работают без смещения, для аналоговых схем работать без смещения – это необычно. Одним из немногих примеров является радиоприемник на одном транзисторе в разделе «Радиочастотные схемы» главы 9 с усиливающим АМ (амплитудная модуляция) детектором. Обратите внимание на отсутствие резистора смещения базы в этой схеме. В этом разделе мы рассмотрим несколько базовых схем смещения, которые могут устанавливать выбранное значение тока эмиттера I_Э. Учитывая величину тока эмиттера I_Э, которую необходимо получить, какие потребуются номиналы резисторов смещения, R_Б, R_Э и т.д.

Схема смещения с фиксированным током базы

В простейшей схеме смещения применяется резистор смещения базы между базой и батареей базы V_смещ. Использовать существующий источник V_пит, вместо нового источника смещения, – очень удобно. Пример данной схемы смещения показан в каскаде аудиоусилителя в детекторном приемнике в разделе «Радиочастотные схемы» главы 9. Обратите внимание на резистор между базой и клеммой батареи. Подобная схема показана на рисунке ниже.

Напишите уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура, включающего в себя батарею, R_Б и падение напряжения V_БЭ на переходе транзистора, на рисунке ниже. Обратите внимание, что мы используем обозначение V_смещ, хотя на самом деле это V_пит. Если коэффициент β велик, мы можем сделать приближение, что I_К = I_Э. Для кремниевых транзисторов V_БЭ ≅ 0.7 В.

Схема смещения с фиксированным током базы

\[V_{смещ} – I_Б R_Б – V_{БЭ} = 0\]

\[V_{смещ} – V_{БЭ} = I_Б R_Б\]

\[I_Б = { V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б }\]

\[I_Э = (\beta + 1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[I_Э = { V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta }\]

Коэффициент β малосигнальных транзисторов, как правило, лежит в диапазоне 100–300. Предположим у нас есть транзистор β=100, какое номинал резистора смещения базы потребуется, чтобы достичь тока эмиттера 1 мА?

Решение уравнения I_Э для определения R_Б и подстановка значений β, V_смещ, V_БЭ и I_Э дадут результат 930 кОм. Ближайший стандартный номинал равен 910 кОм.

\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad I_К \approx I_Э = 1 мА \)

\[R_Б = { V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { 10 – 0,7 \over 1 мА / 100 } = 930 кОм \]

Чему будет равен ток эмиттера при резисторе 910 кОм? Что случится с током эмиттера, если мы заменим транзистор на случайный с β=300?

\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad R_Б = 910 кОм \qquad V_{БЭ} = 0,7 В\)

\[I_Э = { V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta } = { 10 – 0,7 \over 910 кОм / 100 } = 1,02 мА \]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = { 10 – 0,7 \over 910 кОм / 300 } = 3,07 мА \]

При использовании резистора стандартного номинала 910 кОм ток эмиттера изменится незначительно. Однако при изменении β со 100 до 300 ток эмиттера утроится. Это неприемлемо для усилителя мощности, если мы ожидаем, что напряжение на коллекторе будет изменяться от почти V_пит до почти земли. Тем не менее, для сигналов низкого уровня от микровольт до примерно вольта точка смещения может быть отцентрирована для β, равного квадратному корню из (100·300), что равно 173. Точка смещения будет по-прежнему дрейфовать в значительном диапазоне. Однако сигналы низкого уровня не будут обрезаны.

Схема смещения с фиксированным током базы по своей природе не походит для больших токов эмиттера, которые используются в усилителях мощности. Ток эмиттера в схеме смещения с фиксированным током базы не стабилен по температуре. Температурный уход – это результат большого тока эмиттера, который вызывает повышение температуры, которое вызывает увеличение тока эмиттера, что еще больше повысит температуру.

Схема автоматического смещения (с обратной связью с коллектором)

Изменения смещения из-за температуры и коэффициента бета могут быть уменьшены путем перемещения вывода резистора смещения с источника напряжения V_смещ на коллектор транзистора, как показано на рисунке ниже. Если ток эмиттера будет увеличиваться, увеличится падение напряжения на R_К, что уменьшит напряжение V_К, что уменьшит I_Б, подаваемый обратно на базу. Это в свою очередь уменьшит ток эмиттера, корректируя первоначальное увеличение.

Напишем уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура, включающего в себя батарею, R_К, R_Б и падение напряжения V_БЭ. Заменим I_К≅I_Э и I_Б≅I_Э/β. Решение для I_Э дает формулу I_Э для схемы автоматического смещения при обратной связи с коллектором. Решение для R_Б дает формулу R_Б для схемы автоматического смещения при обратной связи с коллектором.

Схема автоматического смещения при обратной связи с коллектором

\[I_К = \beta I_Б \qquad I_К \approx I_Э \qquad I_Э \approx \beta I_Б \]

\[V_{пит} – I_К R_К – I_Б R_Б -V_{БЭ} = 0\]

\[V_{пит} – I_Э R_К – (I_Э/ \beta) R_Б -V_{БЭ} = 0\]

\[V_{пит} -V_{БЭ} = I_Э R_К + (I_Э/ \beta) R_Б\]

\[V_{пит} -V_{БЭ} = I_Э (( R_Б / \beta) + R_К)\]

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{пит} -V_{БЭ} \over I_Э } – R_К \right] \]

Найдем необходимый резистор смещения при обратной связи с коллектором для тока эмиттера 1 мА, резистора нагрузки коллектора 4,7 кОм и транзистора с β=100. Найдем напряжение коллектора V_К. Оно должно быть примерно посередине между V_пит и корпусом.

\(\beta = 100 \qquad V_{пит} = 10 В \qquad I_К \approx I_Э = 1 мА \qquad R_К = 4,7 кОм \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{пит} – V_{БЭ} \over I_Э } – R_К \right] = 100 \left[ {10 – 0,7 \over 1 мА } – 4,7 кОм \right] = 460 кОм \]

\[ V_К = V_{пит} – I_К R_К = 10 – (1 мА) (4,7 кОм) = 5,3 В \]

Ближайший стандартный номинал к резистору 460 кОм для автоматического смещения при обратной связи с коллектором равен 470 кОм. Найдем ток эмиттера I_Э для резистора 470 кОм. Пересчитаем ток эмиттера для транзисторов с β=100 и β=300.

\(\beta = 100 \qquad V_{пит} = 10 В \qquad R_К = 4,7 кОм \qquad R_Б = 470 кОм \)

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К } = {10 -0,7 \over 470 кОм / 100 + 4,7 кОм } = 0,989 мА \]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К } = {10 -0,7 \over 470 кОм / 300 + 4,7 кОм } = 1,48 мА \]

Мы видим, что по мере того как коэффициент бета изменяется от 100 до 300, ток эмиттера увеличивается с 0,989 мА до 1,48 мА. Это лучше, чем в предыдущей схеме смещения с фиксированным током базы, где ток эмиттера увеличился с 1,02 мА до 3,07 мА. При изменении коэффициента бета смещение с обратной связью с коллектором в два раза стабильнее, чем смещение с фиксированным током базы.

Смещение эмиттера

Вставка резистора R_Э в схему эмиттера, как показано на рисунке ниже, вызывает уменьшение уровня сигнала на выходе, также известное как отрицательная обратная связь. Она препятствует изменениям тока эмиттера I_Э из-за изменений температуры, допустимых отклонений номиналов резисторов, изменений коэффициента бета или допустимых отклонений напряжения питания. Типовые допуски составляют: сопротивление резисторов – 5%, бета – 100-300, источник питания – 5%. Почему резистор эмиттера может стабилизировать изменение тока? Полярность падения напряжения на R_Э обусловлена V_пит на батарее коллектора. Полярность на выводе резистора, ближайшем к (-) клемме батареи, равна (-), а на выводе, ближайшем к клемме (+), равна (+). Обратите внимание, что (-) вывод R_Э подключен к базе через батарею V_смещ и R_Б. Любое увеличение тока через R_Э увеличит величину отрицательного напряжения, приложенного к цепи базы, уменьшая ток базы, что уменьшает ток эмиттера. Это уменьшение тока эмиттера частично компенсирует первоначальное увеличение.

Смещение эмиттера

\[V_{смещ} – I_Б R_Б – V_{БЭ} – I_Э R_Э = 0\]

\[I_Э = (\beta+1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[V_{смещ} – (I_Э / \beta) R_Б – V_{БЭ} – I_Э R_Э = 0\]

\[V_{смещ} – V_{БЭ} = I_Э ((R_Б / \beta) +R_Э)\]

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э }\]

\[R_Б / \beta +R_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – R_Э \right]\]

Обратите внимание, что на рисунке выше для смещения базы, вместо V_пит, используется батарея базы V_смещ. Позже мы покажем, что смещение эмиттера более эффективно с меньшей батареей смещения базы. Между тем, напишем уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура цепи базы-эмиттера, обращая внимание на полярности компонентов. Подставим I_Б≅I_Э/β и решим уравнение для тока эмиттера I_Э. Это уравнение может быть решено для R_Б (смотрите выше).

Прежде чем применять формулы R_Б и I_Э (смотрите выше), нам нужно выбрать значения резисторов R_К и R_Э. R_К зависит от источника питания коллектора V_пит и тока коллектора, который мы хотим получить, и который, как мы предполагаем, приблизительно равен току эмиттера I_Э. Обычно точка смещения для V_К устанавливается равно половине V_пит. Хотя ее можно было бы установить и выше для компенсации падения напряжения на резисторе эмиттера R_Э. Ток коллектора – это то, что нам необходимо. Он варьируется от микроампер до ампер в зависимости от приложения и параметров транзистора. Мы выберем I_К = 1 мА, типовое значение для транзисторной схемы для малых сигналов. Мы вычисляем значение R_К и выбираем ближайшее стандартное значение. Как правило, хорошо подходит резистор эмиттера, который составляет 10-50% от резистора нагрузки коллектора.

\[V_К = V_{пит} / 2 = 10/2 = 5 В \]

\[R_К = V_К / I_К = 5/1 мА = 5 кОм \quad \text{(стандартный номинал 4,7 кОм)} \]

\[R_Э = 0,1 R_К = 0,1 (4,7 кОм) = 470 Ом \]

В нашем первом примере используем источник смещения с высоким напряжением V_смещ = V_пит = 10 В, чтобы показать, почему желательно более низкое напряжение. Определим стандартный номинал резистора. Рассчитаем ток эмиттера для β=100 и β=300. Сравним стабилизацию тока с предыдущими схемами смещения.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = V_{смещ} = 10 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – R_Э \right] = 100 \left[ {10 – 0,7 \over 0,001 } – 470 \right] = 883 кОм\]

Для рассчитанного сопротивления резистора R_Б 883 кОм ближайшим стандартным номиналом является 870 кОм. При β=100 ток эмиттера I_Э равен 1,01 мА.

\(\beta = 100 \qquad R_Б = 870 кОм \)

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {10 – 0,7 \over 870кОм / 100 + 470 } = 1,01 мА\]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {10 – 0,7 \over 870кОм / 300 + 470 } = 2,76 мА\]

Токи эмиттера показаны в таблице ниже.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА

В приведенной выше таблице показано, что для V_смещ = 10 В смещение эмиттера не очень хорошо помогает стабилизировать ток эмиттера. Пример со смещением эмиттера лучше, чем предыдущий пример смещения базы, но не намного. Ключом к эффективности смещения эмиттера является снижение напряжения смещения базы V_смещ ближе к величине смещения эмиттера.

Какую величину смещения эмиттера мы сейчас имеем? Округляя, ток эмиттера, умноженный на сопротивление резистора эмиттера: I_ЭR_Э = (1 мА)(470) = 0,47 В. Кроме того, нам необходимо превысить V_БЭ = 0,7 В. Таким образом, на необходимо напряжение V_смещ > (0.47 + 0.7) В или > 1.17 В. Если ток эмиттера изменяется, это число изменится по сравнению с фиксированным напряжение смещения базы V_смещ, что приведет к коррекции тока базы I_Б и тока эмиттера I_Э. Нам подойдет V_Б > 1.17 В, равное 2 В.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – R_Э \right] = 100 \left[ {2 – 0,7 \over 0,001 } – 470 \right] = 83 кОм\]

Рассчитанный резистор базы 83 кОм намного меньше, чем предыдущий 883 кОм. Мы выбираем 82 кОм из списка стандартных номиналов. Токи эмиттера при R_Б = 82 кОм и коэффициентах β=100 и β=300 равны:

\(\beta = 100 \qquad R_Б = 82 кОм \)

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 – 0,7 \over 82 кОм / 100 + 470 } = 1,01 мА\]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 – 0,7 \over 82 кОм / 300 + 470 } = 1,75 мА\]

Сравнение токов эмиттера для смещения эмиттера при V_смещ = 2 В и коэффициентах β=100 и β=300 с предыдущими примерами схем смещения показано в таблице ниже. И здесь мы видим значительное улучшение при 1,75 мА, хотя и не так хорошо, как 1,48 мА при обратной связи с коллектором.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В	1,01 мА	1,75 мА

Как мы можем улучшить эффективность смещения эмиттера? Либо увеличить резистор эмиттера R_Э или уменьшить напряжение источника смещения V_смещ, или и то, и другое. В качестве примера удвоим сопротивление резистора эмиттера до ближайшего стандартного значения 910 Ом.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 910 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – R_Э \right] = 100 \left[ {2 – 0,7 \over 0,001 } – 910 \right] = 39 кОм\]

Рассчитанное сопротивление R_Б = 39 кОм совпадает с одним из значений из стандартного списка номиналов. Пересчитывать I_Э для β = 100 нет необходимости. Для β=300 ток эмиттера равен:

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 – 0,7 \over 39 кОм / 300 + 910 } = 1,25 мА\]

Эффективность схемы смещения эмиттера с резистором эмиттера 910 Ом намного лучше. Смотрите таблицу ниже.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 470 Ом	1,01 мА	1,75 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 910 Ом	1,00 мА	1,25 мА

В качестве упражнения изменим пример смещения эмиттера, вернув резистор эмиттера на 470 Ом, и уменьшив напряжение источника смещения до 1,5 В.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 1,5 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – R_Э \right] = 100 \left[ {1,5 – 0,7 \over 0,001 } – 470 \right] = 33 кОм\]

Рассчитанное сопротивление R_Б = 33 кОм совпадает с одним из значений из стандартного списка номиналов. Поэтому пересчитывать I_Э для β = 100 нет необходимости. Для β=300 ток эмиттера равен:

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {1,5 – 0,7 \over 33 кОм / 300 + 470 } = 1,38 мА\]

В таблице ниже приведено сравнение результатов 1 мА и 1,38 мА с предыдущими примерами.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 470 Ом	1,01 мА	1,75 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 910 Ом	1,00 мА	1,25 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 1,5 В, RЭ = 470 Ом	1,00 мА	1,38 мА

Формулы для смещения эмиттера были повторены ниже с учетом внутреннего сопротивления эмиттера для лучшей точности. Внутреннее сопротивление эмиттера представляет собой сопротивление в цепи эмиттера внутри корпуса транзистора. Это внутреннее сопротивление r_Э оказывает большое влияние, когда (внешний) резистор эмиттера R_Э мал или даже равен нулю. Значение внутреннего сопротивления эмиттера является функцией тока эмиттера I_Э. Формула приведена ниже.

\[ r_Э = KT/I_Э m \]

где

• K=1.38×10^-23 Дж·К⁻¹ – постоянная Больцмана;
• T – температура в Кельвинах, берем ≅300;
• I_Э – ток эмиттера;
• m – для кремния изменяется от 1 до 2.

\[ r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э \]

Ниже приведен вывод формул с учетом r_Э.

Схема смещения эмиттера с учетом внутреннего сопротивления r_Э

Более точные формулы смещения эмиттера могут быть получены при написании уравнения закона напряжений Кирхгофа для контура цепи базы-эмиттера. В качестве альтернативы, начнем с формулы I_Э, а затем перейдем в к формуле R_Б, заменив R_Э на r_Э + R_Э. Результаты показаны ниже.

\[V_{смещ} – I_Б R_Б – V_{БЭ} – I_Э r_Э – I_Э R_Э = 0\]

\[I_Э = (\beta+1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[V_{смещ} – (I_Э / \beta) R_Б – V_{БЭ} – I_Э r_Э – I_Э R_Э = 0\]

\[V_{смещ} – V_{БЭ} = I_Э (R_Б / \beta) + I_Э r_Э + I_Э R_Э\]

\[I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta + r_Э +R_Э }\]

\[R_Б / \beta + r_Э +R_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – r_Э – R_Э \right]\]

\[r_Э = 26 мВ / I_Э \]

Повторим расчет R_Б из предыдущего примера, но уже с учетом r_Э, и сравним результаты.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\( r_Э = 26 мВ / 1 мА = 26 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – r_Э – R_Э \right] = 100 \left[ {2 – 0,7 \over 0,001 } – 26 – 470 \right] = 80,4 кОм\]

Включение в расчеты r_Э приводит к более низкому значению сопротивления резистора базы R_Б, как показано в таблице ниже. Это значение находится ниже стандартного номинала 82 кОм, а не выше его.

Эффект от учета r_Э на расчет R_Б

rЭ?	Значение RБ
Без учета rЭ	83 кОс
С учетом rЭ	80,4 кОм

Конденсатор обхода R

_Э

Одна из проблем смещения эмиттера заключается в том, что значительная часть выходного сигнала падает на резисторе эмиттера R_Э (рисунок ниже). Это падение напряжения на резисторе эмиттера находится в последовательном соединении с базой и обладает полярностью, противоположной полярности входного сигнала. (Это похоже на схему с общим коллектором с коэффициентом усиления по напряжению < 1). Это уменьшение уровня сигнала сильно снижает коэффициент усиления по напряжению от базы до коллектора. Решение для усилителей сигналов переменного тока заключается в обходе резистора эмиттера с помощью конденсатора. Это восстанавливает усиление переменного напряжения, поскольку конденсатор для сигналов переменного тока представляет собой короткое замыкание. Постоянный ток эмиттера всё еще будет уменьшаться на резисторе эмиттера, таким образом, стабилизация постоянного тока сохранится.

Конденсатор обхода требуется для предотвращения уменьшения усиления сигнала переменного напряжения

Какая величина емкости должна быть у конденсатора обхода? Она зависит от самой низкой частоты усиливаемого сигнала. Для радиочастот C_обхода может быть небольшим. Для аудиоусилителя с нижней частотой 20 Гц этот конденсатор будет большим. «Эмпирическое правило» для конденсатора обхода состоит в том, что реактивное сопротивление должно составлять 1/10 или меньше от сопротивления резистора эмиттера. Конденсатор должен быть выбран таким образом, чтобы поддерживать самую низкую частоту усиливаемого сигнала. Конденсатор для аудиоусилителя 20 Гц – 20 кГц равен:

\[X_C = { 1 \over 2 \pi f C }\]

\[C = { 1 \over 2 \pi f X_C }\]

\[C = { 1 \over 2 \pi 20 (470/10) } = 169 мкФ\]

Обратите внимание, что внутреннее сопротивление эмиттера r_Э не обходится конденсатором обхода.

Смещение делителем напряжения

Устойчивое смещение эмиттера требует низковольтного источника смещения базы (рисунок ниже). Альтернативой источнику базы V_смещ является делитель напряжения, питаемый источником питания коллектора V_пит.

Смещение делителем напряжения заменяет источник напряжения базы на делитель напряжения

Технология проектирования заключается в том, чтобы сначала разработать схему смещения эмиттера, затем преобразовать ее в схему смещения базы с помощью делителя напряжения, используя теорему Тевенина. Этапы графически показаны на рисунке ниже. Нарисуем делитель напряжения, не присваивая номиналов резисторов. Отделите делитель от базы (база транзистора является его нагрузкой). Примените теорему Тевенина, чтобы получить эквивалентные одно сопротивление Тевенина R_Тев и один источник напряжения V_Тев.

Теорема Тевенина преобразует делитель напряжения в один источник напряжения V_Тев и одно сопротивление R_Тев

Эквивалентное сопротивление Тевенина – это сопротивление от точки нагрузки (стрелка) при уменьшении напряжения батареи (V_пит) до 0 (земля). Другими словами, R1 || R2. Эквивалентное напряжение Тевенина представляет собой напряжение разомкнутой цепи (снятая нагрузка). Этот расчет осуществляется методом коэффициента деления делителя напряжения. R1 получается путем исключения R2 из пары формул для R_Тев и V_Тев. Ниже приведена формула расчета R1, исходя из значений R_Тев, V_Тев и V_пит. Обратите внимание, что R_Тев представляет собой R_Б, резистор смещения из схемы смещения эмиттера. Также ниже приведена формула расчета R2, исходя из значений R1 и R_Тев.

\[R_{Тев} = R1 || R2\]

\[{ 1 \over R_{Тев} } = { 1 \over R1} + { 1 \over R2}\]

\[V_{Тев} = V_{пит} \left[ {R2 \over R1+R2} \right]\]

\[\text f = { V_{Тев} \over V_{пит} }= \left[ {R2 \over R1+R2} \right]\]

\[{ 1 \over R_{Тев} } = { R2 + R1 \over R1 \cdot R2 } = { 1 \over R1 } \left[ { R2 + R1 \over R2 } \right] = { 1 \over R1 } \cdot { 1 \over \text f }\]

\[R1 = { R_{Тев} \over \text f } = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}}\]

\[{ 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} – { 1 \over R1}\]

Преобразуем предыдущий пример смещение эмиттера в смещение с помощью делителя напряжения.

Пример смещения эмиттера, преобразованный в смещение с помощью делителя напряжения

Эти значения были ранее выбраны или расчитаны для примера смещения эмиттера.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 1,5 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э } – R_Э \right] = 100 \left[ {1,5 – 0,7 \over 0,001 } – 470 \right] = 33 кОм\]

Подстановка значений V_пит, V_смещ и R_Б даст в результате значения R1 и R2 для схемы смещения с делителем напряжения.

\[V_Б = V_{Тев} = 1,5 В \]

\[R_Б = R_{Тев} = 33 кОм \]

\[R1 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} = 33 кОм { 10 \over 1,5} = 220 кОм \]

\[{ 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} – { 1 \over R1} = { 1 \over 33 кОм} – { 1 \over 220 кОм} \]

\[R2 = 38,8 кОм \]

Значение R1 равно стандартному значению 220 кОм. Ближайшее стандартное значение для R2, равного 38,8 кОм, рано 39 кОм. Это не сильно изменить I_Э, чтобы его рассчитывать.

Задача: Рассчитаем резисторы смещения для каскодного усилителя на рисунке ниже. V_Б2 – это напряжение смещения каскада с общим эмиттером. V_Б1 – это довольно высокое напряжение 11,5 В, потому что мы хотим, чтобы каскад с общей базой удерживал напряжение на эмиттере на уровне 11,5 – 0,7 = 10,8 В, примерно 11 В. (Это будет 10 В после учета падения напряжения на R_Б1.) То есть, каскад с общей базой является нагрузкой, заменяющей резистор, коллектора каскада с общим эмиттером. На нужен ток эмиттера 1 мА.

Смещение для каскодного усилителя

\( V_{пит} = 20 В \qquad I_Э = 1 мА \qquad \beta = 100 \qquad V_A = 10 В \qquad R_{нагр} = 4,7 кОм \)

\( V_{смещ1} = 11,5 В \qquad V_{смещ2} = 1,5 В \)

\[ I_Э = {V_{смещ} – V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } \]

\[R_{Б1} = { V_{смещ} – V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (V_{смещ1} – V_A) – V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (11,5 – 10) – 0,7 \over 1 мА / 100 } = 80 кОм\]

\[R_{Б2} = { V_{смещ2} – V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (1,5) – 0,7 \over 1 мА / 100 } = 80 кОм\]

Задача: Преобразуем резисторы смещения базы в каскодном усилителе в резисторы схемы смещения с делителем напряжения, питающимся от V_пит 20 В.

\[ R_{смещ1} = 80 кОм \]

\[ V_{смещ1} = 11,5 В \]

\[ V_{смещ} = V_{Тев} = 11,5 В \]

\[ R_Б = R_{Тев} = 80 кОм \]

\[ R1 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} \]

\[ R1 = 80 кОм { 20 \over 11,5} = 139,1 кОм \]

\[ { 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} – { 1 \over R1} \]

\[ { 1 \over R2 } = { 1 \over 80 кОм} – { 1 \over 139,1 кОм} \]

\( R2 = 210 кОм \)

\[ V_{пит} = V_{Тев} = 20 В \]

\[ R_{смещ2} = 80 кОм \]

\[ V_{смещ2} = 1,5 В \]

\[ V_{смещ} = V_{Тев} = 1,5 В \]

\[ R_Б = R_{Тев} = 80 кОм \]

\[ R3 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} \]

\[ R3 = 80 кОм { 20 \over 1,5} = 1,067 МОм \]

\[ { 1 \over R4 } = { 1 \over R_{Тев}} – { 1 \over R3} \]

\[ { 1 \over R4 } = { 1 \over 80 кОм} – { 1 \over 1067 кОм} \]

\( R4 = 86,5 кОм \)

Окончательная схема показана в главе 9 «Практические аналоговые схемы» в разделе «Радиочастотные схемы» под названием «Каскодный усилитель класса A…».

Подведем итоги:

• Посмотрите на рисунок ниже.
• Выберите схему смещения.
• Выберите R_К и I_Э для вашего приложения. Значения R_К и I_Э обычно должны устанавливать напряжение коллектора V_К на 1/2 от V_пит.
• Рассчитайте резистор базы R_Б, чтобы получить необходимый ток эмиттера.
• Если необходимо, пересчитайте ток эмиттер I_Э для стандартных номиналов резисторов.
• Для схемы смещения с делителем напряжения выполните сначала расчет смещения эмиттера, а затем определите R1 и R2.
• Для усилителей переменного тока: конденсатор обхода, параллельный R_Э, улучшает усиление по переменному напряжению. Выберите X_C≤0,10R_Э для самой низкой частоты.

Формулы расчета смещения (вкратце)

Оригинал статьи:

Теги

Автоматического смещение с обратной связью с коллекторомБиполярный транзисторНапряжение смещенияОбучениеСмещение делителем напряженияСмещение с фиксированным током базыСмещение транзистораСмещение эмиттераЭлектроника

Сохранить или поделиться

Как работают транзисторы – простое объяснение

Транзистор — полезный и практичный компонент, который можно использовать для создания множества интересных проектов. В этом практическом руководстве вы узнаете, как работают транзисторы, и сможете использовать их в своих будущих схемах.

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

На самом деле это довольно просто, если вы изучите основы. Мы сосредоточимся на двух наиболее распространенных транзисторах: биполярных и MOSFET.

Транзистор может работать в 2 режимах:

1. ключевой режим
2. режиме усиления

В ключевом режиме транзистор работает как электронный переключатель. Он может включать и выключать ток. Проще всего представить себе транзистор как реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо.

В режиме усиления транзистор может быть включен частично и это режим работы полезен при усилении слабого сигнала.

Как работают биполярные транзисторы

Начнем с классического биполярного NPN транзистора. У него три вывода:

• База (b — base)
• Коллектор (c — collector)
• Эмиттер (e — emitter)

Когда транзистор включен, то через него может течь ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет. В приведенном ниже примере транзистор выключен. Это означает, что через него не может протекать ток, поэтому светодиод не светиться.

Чтобы включить транзистор, вам необходимо подать напряжение около 0,7 В на базу относительно эмиттера. Если бы у вас была батарея 0,7 В вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером и транзистор бы включился. Поскольку у большинства из нас нет батареи с напряжением 0,7 В, то как мы можем включить транзистор?

Легко! Переход транзистора база-эмиттер работает как диод. Диод имеет прямое напряжение, которое он «берет» из имеющегося напряжения питания. Если вы последовательно подключите резистор, то остальная часть напряжения упадет на резисторе. Таким образом, вы автоматически получите около 0,7 В, добавив всего один резистор.

Это тот же принцип используется для ограничения тока через светодиод, чтобы он не сгорел.

Если вы еще добавите кнопку, то вы можете управлять транзистором и, следовательно, светодиодом, включая и выключая его с помощью кнопки:

Выбор номиналов компонентов схемы

Чтобы выбрать необходимые номиналы компонентов, вам нужно знать еще один важный параметр транзистора — коэффициент усиления.

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор включается, так что больший ток может течь от коллектора к эмиттеру.

Между величинами этих двух токов существует связь. Это называется усилением транзистора. Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904 коэффициент усиления составляет в среднем около 100. Это означает, что если вы подадите ток 0,1 мА на переход база-эмиттер, то по направлению коллектор-эмиттер вы получите ток 10 мА (в 100 раз больше).

Какое должно быть сопротивление резистора R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если у нас в качестве источника питания батарея 9 В и мы знаем что падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В, то на резисторе останется 8,3 В. Чтобы найти сопротивление резистора вы можете использовать закон Ома:

То есть вам необходимо использовать резистор сопротивлением 83 кОм. Это не стандартное значение, поэтому из стандартного номинального ряда возьмем самое близкое значение равное 82 кОм.

Резистор R2 предназначен для ограничения тока, проходящего через светодиод. Сопротивление 1 кОм будет достаточным.

Как подобрать транзистор

NPN-транзистор является наиболее распространенным типом биполярных транзисторов. Но есть еще один тип биполярного транзистора — PNP-транзистор, который работает точно также как и NPN-транзистор, только все токи идут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно учитывать, какой ток транзистор может пропустить через себя без повреждения. Это называется током коллектора (Ic ).

Как работает MOSFET транзистор

MOSFET транзистор (полевой транзистор) — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три вывода:

• Затвор (G — gate )
• Исток (S — source )
• Сток (D — drain )

N-канальный MOSFET работает также как и биполярный NPN-транзистор, но с одним важным отличием:

• В биполярном NPN транзисторе ток, протекающий через переход база-эмиттер определяет силу тока, текущего через переход коллектор-эмиттер.
• В MOSFET транзисторе напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток будет течь от стока к истоку.

Вот почему для MOSFET транзистора вам не нужен резистор, включенный последовательно с затвором, как в случае с NPN-транзистором. Вместо этого вам понадобится резистор, подключенный между затвором и минусом питания, чтобы надежно отключить транзистор, когда кнопка не нажата:

Поскольку напряжение на затворе определяет, сколько тока может протекать от стока к истоку, вы можете подумать о добавлении резистора последовательно с кнопкой. Таким образом, у вас получиться делитель напряжения, с помощью которого вы можете выставить точное напряжение на затворе.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. Полевые транзисторы с P-каналом работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

На выбор доступны тысячи различных полевых транзисторов. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, то вы можете применить BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от области применения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

 

Транзистор как усилитель

Транзистор также может работать в качестве усилителя слабых сигналов, то есть он может находиться в любом положении между «полностью включено» и «полностью выключено».

Это означает, что слабый сигнал может управлять транзистором и создать более сильную копию этого сигнала на переходе коллектор-эмиттер (или сток-исток). Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Вот простой усилитель для управления динамиком сигналом прямоугольной формы:

 

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Важные параметры транзистора для выбора правильного транзистора для вашего приложения

Транзистор – это трехконтактный полупроводниковый прибор, который используется в качестве усилителя или переключателя в электронных схемах. Из этих трех выводов входное напряжение или ток подается на одну пару выводов транзистора, а контролируемое выходное напряжение / ток может быть получено через другую пару выводов.

Существуют тысячи различных типов транзисторов, и каждый транзистор имеет разные параметры.Транзисторы сложнее резисторов и конденсаторов, потому что вы можете выбрать резистор или конденсатор в соответствии с требуемым сопротивлением или значением емкости, но при выборе транзистора вы должны искать многие параметры транзистора . Поэтому выбрать подходящий транзистор для вашей схемы – непростая задача.

Ниже приведены некоторые важные параметры, которые следует учитывать при выборе транзистора.

1.Типовой номер

Типовой номер транзистора – это уникальный номер, присвоенный каждому транзистору. Используя номер типа транзистора, мы можем искать его характеристики и особенности. Существует три основных системы нумерации: JIS, Pro Electron и JEDEC . JIS используется японским промышленным стандартом, Pro Electron – европейским стандартом, а JEDEC – американским стандартом. Если вы создаете схему из Интернета, то ее можно выбрать напрямую, используя типовое количество транзисторов, используемых в исходной схеме.

2. Коэффициент усиления по току (β)

В любой схеме коэффициент усиления транзистора по току является важным параметром. Коэффициент усиления по току обычно обозначается как β или h _fe . Ток – это отношение тока базы к току коллектора и мера усилительной способности транзистора. Если вы хотите использовать транзистор в качестве усилителя, выберите транзистор с более высоким коэффициентом усиления по току.

3.Напряжение коллектор-эмиттер (В _CEO )

В _CEO – это максимальное напряжение, с которым может работать переход коллектор-эмиттер транзистора. Для большинства транзисторов напряжение V _CEO обычно составляет 30 В или более и измеряется при разомкнутой цепи базы. Подача напряжения выше V _CEO может повредить транзистор. Поэтому перед использованием транзистора проверьте максимальное значение V _CEO по даташиту.

4.Напряжение эмиттер-база (В _EBO )

В _EBO – максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу эмиттер-база. Напряжение выше, чем у V _EBO , может повредить или разрушить ваш транзистор. V _EBO относительно меньше, чем V _CEO . Максимальное напряжение V _EBO обычно составляет 6 В или более для большинства транзисторов и измеряется при разомкнутой цепи коллектора.

5. Напряжение коллектор-база (В _CBO )

В _CBO – это максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу коллектор-база, и оно измеряется при разомкнутой цепи эмиттера.V _CBO обычно составляет 50 В и более. V _CBO относительно выше, чем V _CEO , потому что напряжение между коллектором и базой часто выше, чем напряжение между коллектором и эмиттером.

6. Ток коллектора (I _C )

Коллекторный ток – это максимальный ток, который может протекать через коллектор. Обычно он измеряется в миллиамперах, но для мощных транзисторов он определяется в амперах. Ток коллектора не должен превышать максимальное значение, иначе можно повредить транзистор.Вы можете использовать резистор для ограничения тока коллектора.

7. Общая рассеиваемая мощность (Ptot)

Это полная мощность, рассеиваемая транзистором. Рассеиваемая мощность меняется от транзистора к транзистору. Для небольших транзисторов номинальная мощность составляет порядка нескольких сотен милливатт, но для мощных транзисторов она определяется в ваттах. Рассеиваемая мощность на устройстве может быть рассчитана путем умножения тока коллектора на напряжение на самом устройстве.

Итак, вот некоторые основные параметры для выбора подходящего транзистора для вашего приложения. Если вы используете печатную плату, вам также следует проверить тип корпуса транзистора.

Краткое и очень простое руководство по выбору транзистора

Вы с трудом выбираете транзистор для своего будущего проекта? Не заставляет ли вас нервничать мысль о выборе подходящего транзистора? Если да, то вы попали в нужное место!

В этом посте мы проведем вас через процесс выбора подходящего транзистора в соответствии с вашим приложением.Планируете ли вы использовать транзистор в качестве переключателя или усилителя, у нас есть все необходимое!

Прежде чем перейти к процессу выбора транзистора, давайте сначала разберемся, что такое транзистор. В основном существуют два типа транзисторов – BJT (биполярные транзисторы) и полевые транзисторы (полевые транзисторы). Транзисторы служат для усиления или переключения в большинстве электронных схем. Напряжения, приложенные к его выводам, определяют режим работы транзистора.

Транзисторы состоят из двух типов областей – p-типа и n-типа. Эти области создаются путем добавления примесей в полупроводник (обычно кремний), и этот процесс называется легированием. Для формирования области p-типа бор используется в качестве легирующего материала. Поскольку бор имеет три электрона на своей внешней оболочке, он соединяется с тремя электронами кремния, оставляя «дырку» на месте четвертого электрона. Так образуются дырки, и они производят положительный заряд, поэтому область называется областью «p-типа».

Аналогичным образом, чтобы сформировать область n-типа, используется фосфор (имеющий пять валентных электронов). Четыре его электрона соединяются с четырьмя электронами кремния, и один электрон остается свободным для перемещения. Это создает общий отрицательный заряд, и, следовательно, область называется областью «n-типа».

BJT – это полупроводниковый прибор, состоящий из двух p-n-переходов, соединенных взаимно встречно. Он может иметь два типа конфигурации – PNP или NPN, в зависимости от концентрации легирования. Обычно кремний используется в качестве подложки внутри BJT и легируется в соответствии с требованиями к напряжению и току.BJT имеет три вывода – базу, эмиттер и коллектор. Если это транзистор PNP, вывод базы подключается к области n-типа, а выводы коллектора и эмиттера подключаются к каждой из двух областей p-типа.

У полевых транзисторов

также есть три клеммы, как у BJT, но они сделаны с использованием только одного типа материала в качестве основной подложки, то есть либо p-типа, либо n-типа. Три терминала называются затвором, стоком и истоком. Затвор подключен к основной подложке, а исток и сток подключены к сильно легированным областям p-типа или n-типа.

При работе в качестве усилителя транзистор преобразует низкий входной ток в большой выходной ток, давая усиленный ток на выходе. При работе в качестве переключателя транзистор принимает небольшой ток в качестве входа и использует его для управления большим током в другом месте, следовательно, меньший входной ток включает больший ток.

Чтобы понять, как ток течет через транзистор, рассмотрим два p-n перехода, соединенных спина к спине. Основными носителями в области n-типа являются электроны, а в области p-типа – дырки.Учитывая, что у нас есть транзистор NPN, и мы прикладываем отрицательное напряжение к области n-типа (эмиттер), электроны уходят от отрицательного напряжения в область p-типа (базу). Мы понимаем, что область эмиттер-база смещена вперед.

Электроны, которые вошли в область p-типа, некоторые из них рекомбинируют с дырками, присутствующими в базе, в то время как другие продолжают течь к коллектору, составляя ток коллектора. Число электронов, поступающих в коллекторную область, можно изменять, управляя базой.Переход коллектор-база имеет обратное смещение, поскольку на коллектор подается положительное напряжение.

Теперь мы знаем, что транзисторы работают, когда электроны текут от эмиттера к коллектору через базу, и, изменяя концентрацию легирования и приложенные напряжения на каждом из трех выводов, можно управлять режимом работы транзистора.

Перед тем, как подавать какое-либо напряжение на транзистор, обязательно ознакомьтесь с его таблицей данных и выясните, какая из его ножек является базой, какая – эмиттером, а какая – коллектором.Как только вы это поймете, вы можете подавать на него питание. Если вы подключите свой транзистор неправильно, есть вероятность, что вы получите решетчатый транзистор и запах гари!

Обычно при подключении транзистора в качестве усилителя переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а область база-коллектор – в обратном направлении. Например, если вы используете транзистор NPN, то вы должны подключить положительный источник напряжения к области p-типа (базу), а отрицательный вывод – к эмиттеру, который состоит из материала n-типа.Это делает переход база-эмиттер смещенным вперед. Аналогичным образом, для обратного смещения перехода коллектор-база необходимо подать положительное напряжение на коллектор и отрицательное напряжение на базу. Вход в усилитель подается через переход эмиттер-база, а выход получается с коллектора.

При подключении транзистора в качестве переключателя обычно заземляют эмиттер и подают сигнал переключения в качестве входа на базу. Выходная нагрузка подключена к коллектору, который транзистор будет включать и выключать с помощью сигнала, подаваемого на базу.Транзистор работает в областях «насыщения» и «отсечки», когда он включен и выключен соответственно.

Вот некоторые из ключевых характеристик транзисторов, которые вы должны понять, прежде чем покупать транзистор для вашего будущего проекта.

Ток коллектора

Максимальный ток коллектора для обычных транзисторов измеряется в миллиамперах, а у силовых транзисторов – в амперах. Максимальное значение тока коллектора, указанное в паспорте транзистора, не должно превышаться.

Напряжение насыщения

Чтобы транзистор работал в режиме насыщения, между коллектором и эмиттером должно быть приложено определенное напряжение. Вы можете легко найти это напряжение, указанное как V _CE в техническом описании транзистора. Это напряжение должно присутствовать между коллектором и эмиттером, чтобы транзистор мог войти в режим насыщения.

Напряжение пробоя

Два напряжения пробоя – напряжение пробоя коллектор-база и напряжение пробоя коллектор-эмиттер являются важными характеристиками транзисторов.Эти значения не должны превышаться во время работы, потому что повышенное напряжение может повредить ваш транзистор.

Коэффициент усиления по току

Другой важной характеристикой является коэффициент усиления транзистора по прямому току, обозначаемый как β. Небольшой входной ток на базе используется для увеличения тока на коллекторе. Ток в базе усиливается в соответствии со значением β.

Эта характеристика используется в усилителях на основе транзисторов, которые обычно используются в схемах RF и других схемах усиления звука.Для разных приложений требуются разные коэффициенты усиления по току, поэтому важно проверять значение β при выборе транзистора.

Материал

Обычно транзисторы изготавливаются из кремния в качестве основной полупроводниковой подложки. Это связано с тем, что кремний обладает превосходными свойствами и предлагает напряжение перехода около 0,6 вольт. Для изготовления транзисторов также используются другие полупроводниковые материалы, но они обладают другими свойствами и имеют другое напряжение на переходе.

Полярность

Как объяснялось в предыдущих разделах, транзисторы могут быть PNP или NPN.Это влияет на полярность выходного напряжения. Обычно нам требуется положительное выходное напряжение, поэтому транзисторы NPN обычно используются во многих приложениях.

Выбирая транзистор для своего проекта, вы должны быть уверены в исходном напряжении, рассеиваемой мощности и рабочих токах, которые будут использоваться в проекте. Это позволит вам решить, какой транзистор выбрать, исходя из вышеперечисленных параметров – напряжения насыщения, напряжения пробоя, тока коллектора, усиления по току.Вы можете найти эти параметры в инструкции производителя, прилагаемой к транзистору. Более того, вам нужно увидеть, нужна ли вам положительная полярность на выходе или отрицательная, как описано выше.

Убедитесь, что значения тока и напряжения не превышают максимальные значения, указанные производителем, иначе вы можете разрушить свой транзистор.

Выбор подходящего NPN-транзистора

У вашей схемы есть несколько недостатков.

1. Это не транзистор NPN.Это n-канальный MOSFET.
2. Нет мотора. В этой схеме вы просто закорачиваете (в случае идеального MOSFET) питание 9 В.
3. Обратного диода нет. Если вы не используете очень модные двигатели (например, пьезоэлектрические), я предполагаю, что вы используете электромагнитный двигатель. Следовательно, он будет проявлять индуктивное поведение. Как только вы выключите свой MOSFET / NPN транзистор, индуктивность двигателя будет пытаться поддерживать значение тока, который в него протекал (закон Фарадея-Неймана-Ленца).Для этого он будет создавать «любое» напряжение, необходимое для создания такого тока. В конце концов, это достигнет напряжения пробоя MOSFET / NPN, что не очень хорошо.
4. На выводе Arduino нет понижающего резистора. Когда Arduino находится в состоянии сброса, все его контакты ввода / вывода настроены как ввод без подтягивания (проблема еще хуже, если подтягивание было включено). Это означает, что база / гейт плавают и готовы улавливать весь шум. Это очень опасно, поскольку в лучшем случае двигатель может просто включиться (а еще лучше, ничего не произойдет), в худшем случае BJT / MOSFET выйдет из строя, потому что вы вводите его в область «усиления» (линейная область для BJT , область насыщения для MOSFET).В такой области одновременно присутствуют высокие токи и напряжения, поэтому рассеиваемая мощность огромна (вы не хотите, чтобы это было на переключателе!).

Я предлагаю вам не использовать BJT, особенно для относительно сильноточных двигателей. Фактически, вам понадобится силовой BJT, но силовые BJT имеют очень низкий коэффициент усиления по току, поэтому базовый ток должен быть довольно высоким. Контакт Arduino GPIO может не обеспечивать достаточный ток для полного включения вашего BJT. Использование транзистора Дарлингтона не слишком поможет, так как его напряжение насыщения довольно велико: вам понадобится очень большой радиатор.

Используйте вместо этого n-канальный, LOGIC-LEVEL (т. Е. Низкое пороговое напряжение), низкий Rds (ON), силовой полевой МОП-транзистор. Какой, конечно, зависит от ваших требований! У Digikey или Mouser хорошие поисковые машины.

Окончательная схема должна быть:

^{смоделировать эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Вы должны выбрать полевой МОП-транзистор, а также диод, исходя из характеристик тока двигателя (да, также из-за напряжения, которое в вашем случае довольно низкое).

Резистор 4,7 кОм гарантирует, что вход / выход Arduino останется низким (чтобы не включить полевой МОП-транзистор), даже если вы случайно сконфигурируете контакт как вход с подтягиванием.

Если двигатель очень маломощный, то вы можете использовать BJT вместо MOSFET, при условии, что вы поместите подходящий последовательный резистор между R1 и базой BJT !!!

РЕДАКТИРОВАТЬ: Если батарея 9 В, о которой вы говорите, является стандартной батареей PP-3, то я предполагаю, что ваш двигатель имеет очень низкий ток.Фактически, такие батареи имеют очень ограниченный выходной ток. В этом случае вам может подойти BJT, такой как BC337-40. Диод и два резистора (один R1, другой – не показан для полевого МОП-транзистора, но он включен последовательно с базой BJT) по-прежнему необходимы.

Как выбрать транзистор для коммутаторов и линейных приложений

При выборе транзистора следует учитывать несколько моментов. Для конкретного применения требуется идеально подходящее устройство, чтобы обеспечить ожидаемую функциональность.Например, если приложение переключается, необходимо выбрать устройство, которое больше подходит для переключения. Это следует при активном приложении. Приведенное ниже руководство по выбору транзистора основано на реальном опыте. Продолжайте читать ниже, чтобы усвоить все о том, как выбрать транзистор.

Как выбрать транзистор – непостоянное переключение

Непрерывное переключение означает, что транзистор используется для работы в качестве переключателя, но не для постоянного переключения между высоким и низким, как в преобразователях ШИМ.Примером этого являются драйвер реле автомобильного переднего стеклоочистителя, фар, противотуманных фар, дистанционного включения и выключения и тому подобное. При использовании транзистора в качестве такого переключателя следует учитывать следующие основные параметры:

1. Коэффициент усиления по току устройства (ß)

Номер один в списке выбора транзистора для применения в переключателе – это коэффициент усиления по току или бета. Выберите устройство с более высоким минимальным усилением тока или бета-версией. Устройство с более высоким бета-коэффициентом легко может быть доведено до насыщения.Например, доступные части имеют бета-версию 160-400, 100-300 и 200-400; выберите диапазон бета 200-400. При настройке транзистора
,
в качестве переключателя коэффициент усиления схемы больше не зависит от коэффициента усиления устройства. Чтобы узнать, почему важно учитывать бета-версию устройства при использовании транзистора в качестве переключателя, прочтите ЭТО.

2. Постоянный ток

Выберите устройство с номинальным постоянным током, достаточно высоким по сравнению с фактической нагрузкой.Вы можете учитывать 70% -ный допуск на стресс. Например, постоянный ток цепи (в частности, ток коллектора) составляет 200 мА, выберите устройство с номинальным током не менее 285 мА. В реальной конструкции для цепи постоянного тока 200 мА ближайшим стандартным значением будет транзистор на 500 мА.

Также важно учитывать номинальный постоянный ток в зависимости от температуры окружающей среды. Для силового транзистора также необходимо учитывать зависимость тока от температуры корпуса.Например, максимальная температура окружающей среды или корпуса, которой может подвергаться цепь, составляет 50 ° C, ищите эквивалентный номинальный ток для этой температуры и исходя из этого номинального тока обеспечьте 70% -ный запас по напряжению, как указано выше.

3. Пиковый ток одиночного импульса

Если в цепи присутствует переходной или пусковой ток, включите в свой контрольный список, как выбрать транзистор, номинальный пиковый ток одиночного импульса. Вы должны оценить (или измерить) пусковой ток, и мощность устройства должна быть выше этой.Поддерживайте 70% стресса.

4. Рассеиваемая мощность

Проверить рассеиваемую мощность. Вычислите рассеиваемую мощность транзистора и сравните ее с номиналом. Рассеиваемая мощность транзистора складывается из капель база-эмиттер и коллектор-эмиттер.

Показатель рассеиваемой мощности любых транзисторов указан в таблице данных. В большинстве случаев данное значение берется из номинальных условий, таких как номинальная температура окружающей среды.Если ваша схема подвергается воздействию высоких температур, получите эквивалентную мощность рассеиваемой мощности устройства, которая соответствует максимальной температуре. Некоторые производители представили график зависимости рассеиваемой мощности от температуры в своих таблицах. Если его нет, вы можете использовать приведенное ниже уравнение.

Для транзисторов малой мощности

Для транзисторов большой мощности

Где;

• PdissCapability – это рассеиваемая мощность, с которой устройство может справиться при определенной рабочей температуре.
• Tjmax – максимальная температура перехода устройства, которое может работать
• Tamax – максимальная рабочая температура окружающей среды
• Tcmax – максимальная температура корпуса устройства
• Rthja – тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде
• Rthjc – тепловое сопротивление от перехода к корпусу

Например, у определенного транзистора Tjmax = 150’C и Rthja = 200K / Вт, и он будет подвергаться воздействию температуры 120’C, в расчете на мощность транзистора.

Допустимая мощность транзистора при 120 ° C составляет всего 150 мВт. Расчетная фактическая рассеиваемая мощность устройства не должна превышать этого значения. Примите во внимание максимальную силовую нагрузку 70%.

5. Напряжение коллектор-эмиттер с открытой базой (VCEO)

Это очень важно. Номинальное значение VCEO устройства должно быть выше напряжения питания коллектора на 30%. Предположим, что напряжение коллектора составляет 35 В, номинал устройства VCEO должен быть около 45 В.Когда нагрузка представляет собой катушку реле, вы не можете полагаться на номинал транзистора VCEO, потому что катушка реле будет производить напряжение отдачи к моменту отключения транзистора. Это напряжение отдачи очень велико, и вам может потребоваться дополнительный фиксирующий элемент, например, обратный диод или ограничитель переходного напряжения.

6. Диапазон рабочих температур

Не забудьте этот параметр. Если ваша конструкция будет использоваться в Северной Америке, где температура опускается ниже нуля, вам необходимо выбрать транзистор, который может работать при отрицательной температуре.С другой стороны, если ваша конструкция подвергается воздействию очень жаркой окружающей среды, например, в Африке, или установлена ​​под капотом автомобиля, вы должны рассмотреть возможность использования транзистора с максимальной рабочей температурой выше 100 ° C.

7. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

При использовании транзистора в качестве переключателя напряжение коллектор-эмиттер должно быть достаточно низким, чтобы легко выполнялось требование низкого логического уровня. Очень низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер также снижает нагрузку на транзистор.

Как выбрать транзистор – для непрерывного или повторяющегося переключения

Вот важные параметры, на которые следует обратить внимание для приложений, в которых есть непрерывные переходы между насыщением и отсечкой.

1. Усиление тока устройства

Выберите устройство с более высоким минимальным коэффициентом усиления по току или бета-версией. Устройство с более высоким бета-коэффициентом легко может быть доведено до насыщения. Например, доступные части имеют бета-версию 160-400, 100-300 и 200-400; выберите диапазон бета 200-400.

2. Постоянный ток

Выберите устройство с номинальным постоянным током, который достаточно высок по сравнению с уровнем постоянного тока фактической нагрузки. Вы можете учитывать 70% -ный допуск на стресс. Если транзистор используется в коммутационном преобразователе, ток коллектора не является чистым постоянным током; он может быть треугольным, трапециевидным, пульсирующим постоянным током или т.п., как показано на рисунке 1 ниже. Получите эквивалент постоянного тока этих форм сигналов и сравните его с номинальным постоянным током транзистора.

Например, постоянный ток цепи составляет 2А, выберите устройство с номинальным током не менее 2,85А.

Также важно учитывать номинальный постоянный ток в зависимости от температуры окружающей среды. Для силового транзистора также необходимо учитывать зависимость тока от температуры корпуса. Например, максимальная температура окружающей среды или корпуса, которой может подвергаться цепь, составляет 50 ° C, ищите эквивалентный номинальный ток для этой температуры и исходя из этого номинального тока обеспечьте 70% -ный запас по напряжению, как указано выше.

3. Текущий рейтинг RMS

Некоторые производители приводят эти данные также в своих таблицах. То же самое с пунктом 2, получите эквивалентное среднеквадратичное значение сигнала без постоянного тока и сравните его с этим рейтингом. Снова поддерживайте максимум 70% стресса.

4. Пиковый повторяющийся ток

Для такого применения, как переключающий преобразователь, в котором транзистор периодически работает между отсечкой и насыщением, необходимо учитывать пиковый повторяющийся ток коллектора.На рисунке ниже показан пиковый повторяющийся ток.

Рисунок 1 – Это ток коллектора силового транзистора, используемого в качестве переключателя в повышающем преобразователе CCM

.

5. Пиковый ток одиночного импульса

Это отличается от пикового повторяющегося тока в пункте 4. Это одиночный импульсный ток, вызванный бросками тока или переходными режимами. Вы должны оценить (или измерить / смоделировать) фактический пусковой ток, и мощность устройства должна быть выше этой.Поддерживайте 70% стресса.

6. Рассеиваемая мощность

Проверить рассеиваемую мощность. Вычислите рассеиваемую мощность транзистора и сравните ее с номиналом. Рассеиваемая мощность транзистора складывается из рассеиваемой мощности на падении база-эмиттер и коллектор-эмиттер плюс коммутационные потери.

Коммутационные потери связаны с выходной емкостью, временем включения и выключения или временем нарастания и спада.Этому способствует и базовая емкость.

Мощность рассеивания любых транзисторов указана в таблице данных. В большинстве случаев данное значение берется из номинальных условий, таких как номинальная температура окружающей среды. Если ваша схема подвергается воздействию высоких температур, получите эквивалентную рассеиваемую мощность устройства, соответствующую максимальной температуре. Некоторые производители представили график зависимости рассеиваемой мощности от температуры в своих таблицах. Если его нет, вы можете использовать приведенное ниже уравнение.

Для транзисторов малой мощности

Для транзисторов большой мощности

Где;

• PdissCapability – это рассеиваемая мощность, с которой устройство может справиться при определенной рабочей температуре.
• Tjmax – максимальная температура перехода устройства, которое может работать
• Tamax – максимальная рабочая температура окружающей среды
• Tcmax – максимальная температура корпуса устройства
• Rthja – тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде
• Rthjc – тепловое сопротивление от перехода к корпусу

Например, у определенного транзистора Tjmax = 150’C и Rthjc = 20K / Вт, а расчетная максимальная температура корпуса составляет 100’C, рассчитываемую для мощности транзистора.

Мощность транзистора при температуре корпуса 100 ° C составляет всего 2,5 Вт. Расчетная фактическая рассеиваемая мощность устройства не должна превышать этого значения. Примите во внимание максимальную силовую нагрузку 70%.

7. Напряжение коллектор-эмиттер с открытой базой (VCEO)

Это очень важно. Номинальное значение VCEO устройства должно быть выше напряжения питания коллектора на 30%. Предположим, что напряжение коллектора составляет 35 В, номинал устройства VCEO должен быть около 45 В.Когда нагрузка представляет собой катушку реле, вы не можете полагаться на номинал транзистора VCEO, потому что катушка реле будет производить напряжение отдачи к моменту отключения транзистора. Это напряжение отдачи очень велико, и вам может потребоваться дополнительный фиксирующий элемент, например, обратный диод или ограничитель переходного напряжения.

8. Динамические характеристики

Выберите транзистор с низкой выходной емкостью. Более высокая емкость может замедлить реакцию транзистора и может способствовать общим потерям / рассеиванию.

Учитывайте также время включения и выключения. Для некоторых приложений лучше более быстрое включение и выключение. Однако некоторым приложениям не требуется очень быстрое включение и выключение.

Выберите транзистор с ускоренным временем восстановления основного диода.

9. Диапазон рабочих температур

Не забудьте этот параметр. Если ваша конструкция будет использоваться в Северной Америке, где температура опускается ниже нуля, вам необходимо выбрать транзистор, который может работать при отрицательной температуре.С другой стороны, если ваша конструкция подвергается воздействию очень жаркой окружающей среды, например, в Африке, или установлена ​​под капотом автомобиля, вы должны рассмотреть возможность использования транзистора с максимальной рабочей температурой выше 100 ° C.

10. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

Поскольку приложение представляет собой коммутатор, вам может потребоваться очень низкое напряжение насыщения, чтобы низкий логический уровень был близок к нулю. Очень низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер также снижает нагрузку на транзистор.

Как выбрать транзистор – линейный / активный режим

Это основные параметры, которые следует учитывать при выборе транзистора для линейного режима.

1. Усиление тока устройства

Выберите транзистор с более высоким коэффициентом усиления и узким диапазоном. Более высокий коэффициент усиления хорош для усиления и линейной работы. Узкий диапазон усиления предотвращает сильное изменение выходного сигнала, поэтому работа стабильна.

2. Учитывайте характеристики полосы пропускания и частоты для высокочастотных приложений

3. Постоянный ток

Выберите транзистор с номинальным постоянным током, достаточно высоким по сравнению с фактической нагрузкой. Вы можете учитывать 70% -ный допуск на стресс. Например, постоянный ток цепи (в частности, ток коллектора) составляет 200 мА, выберите устройство с номинальным током не менее 285 мА.В реальной конструкции для цепи постоянного тока 200 мА ближайшим стандартным значением будет транзистор на 500 мА.

Также важно учитывать номинальный постоянный ток транзистора в зависимости от температуры окружающей среды. Для силового транзистора также необходимо учитывать зависимость тока от температуры корпуса. Например, максимальная температура окружающей среды или корпуса, которой может подвергаться цепь, составляет 50 ° C, ищите эквивалентный номинальный ток для этой температуры и исходя из этого номинального тока обеспечьте 70% -ный запас по напряжению, как указано выше.

4. Текущий рейтинг RMS

Если форма волны тока коллектора не является постоянной, получите его среднеквадратичное значение и сравните его с номиналом устройства, которое вы хотите использовать. Всегда учитывайте максимальный стресс 70%.

5. Пиковый ток одиночного импульса

Если в цепи присутствует переходной или пусковой ток, выберите транзистор с пусковым током. Вы должны оценить (или измерить фактический пусковой ток) пусковой ток, и мощность устройства должна быть выше этой.Поддерживайте 70% стресса.

6. Рассеиваемая мощность

Проверить рассеиваемую мощность транзистора. Вычислите рассеиваемую мощность транзистора и сравните ее с номиналом. Рассеиваемая мощность транзистора складывается из капель база-эмиттер и коллектор-эмиттер.

Рассеиваемая мощность транзисторов указана в таблице данных. В большинстве случаев данное значение берется из номинальных условий, таких как номинальная температура окружающей среды.Если ваша схема подвергается воздействию высоких температур, получите эквивалентную рассеиваемую мощность устройства, соответствующую максимальной температуре. Некоторые производители представили график зависимости рассеиваемой мощности от температуры в своих таблицах. Если его нет, вы можете использовать приведенное ниже уравнение.

Для транзисторов малой мощности

Для силовых транзисторов

Где;

• PdissCapability – это рассеиваемая мощность, с которой устройство может справиться при определенной рабочей температуре.
• Tjmax – максимальная температура перехода устройства, которое может работать
• Tamax – максимальная рабочая температура окружающей среды
• Tcmax – максимальная температура корпуса устройства
• Rthja – тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде
• Rthjc – тепловое сопротивление от перехода к корпусу

7. Напряжение коллектор-эмиттер с открытой базой (VCEO)

Это очень важно.Номинальное значение VCEO устройства должно быть выше напряжения питания коллектора на 30%. Предположим, что напряжение коллектора составляет 35 В, номинал устройства VCEO должен быть около 45 В. Когда нагрузка представляет собой катушку реле, вы не можете полагаться на номинал транзистора VCEO, потому что катушка реле будет производить напряжение отдачи к моменту отключения транзистора. Это напряжение отдачи очень велико, и вам может потребоваться дополнительный фиксирующий элемент, например, обратный диод или ограничитель переходного напряжения.

8.Диапазон рабочих температур

Не забудьте этот параметр. Если ваша конструкция будет использоваться в Северной Америке, где температура опускается ниже нуля, вам необходимо выбрать транзистор, который может работать при отрицательной температуре. С другой стороны, если ваша конструкция подвергается воздействию очень жаркой окружающей среды, например, в Африке, или установлена ​​под капотом автомобиля, вы должны рассмотреть возможность использования транзистора с максимальной рабочей температурой выше 100 ° C.

9.Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

Поскольку приложение представляет собой коммутатор, вам может потребоваться очень низкое напряжение насыщения, чтобы низкий логический уровень был близок к нулю. Очень низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер также снижает нагрузку на транзистор.

Помимо всего упомянутого выше о том, как выбрать транзистор; Есть и другие параметры, о которых нужно учитывать при работе с транзисторами. Всегда обращайтесь к таблице данных для получения полного описания параметров, которые необходимо соблюдать при использовании транзисторов.

Связанные

Выбор дискретных транзисторов [Analog Devices Wiki]

Джеймс Брайант

Один из распространенных вопросов, которые задают автору и его коллегам из отдела приложений: «В примечаниях к применению для XXXX требуется транзистор 3N14159 – где я могу его получить?» Исследования показывают, что 3N14159 был устаревшим в течение многих лет – или его можно получить (при минимальном заказе в 1 000 000 штук) со сроком выполнения 21 месяц на заводе в Тимбукту.Правильный вопрос – не «Где мне взять это конкретное устройство?» но «Какие другие, легко доступные устройства будут работать в этом приложении?»

Существуют десятки тысяч, возможно, сотни тысяч различных типов дискретных транзисторов, и почти всегда в системе есть несколько мест, где дискретный транзистор необходим. Что мы выбираем и почему?

Для многих приложений нет необходимости выбирать какой-либо конкретный транзистор – достаточно использовать первый подходящий, который попадется под руку.Как правильно выбрать транзистор, не тратя время на ненужные детали?

Мы не будем здесь обсуждать физику транзисторов. Существует множество учебников, в которых дается хорошее изложение основ, и есть бесчисленное множество других книг и статей, посвященных как основным принципам, так и подробным исследованиям конкретных вопросов. Но нам действительно нужно знать, что они делают, и может быть полезно узнать немного о том, почему они ведут себя именно так, поэтому мы немного поговорим о транзисторных структурах.

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – это твердотельное трехполюсное усилительное устройство. Для входных и выходных сигналов имеется общая клемма, а сигнал на одной из оставшихся клемм управляет током на другой.

Рисунок 1 Основная функция транзистора

Существует два основных типа транзисторов – транзисторы с биполярным переходом и полевые транзисторы, известные соответственно как BJT и FET.

Однако самый основной вопрос при выборе транзистора заключается не в том, BJT это или полевой транзистор, а в его полярности – используется ли его выходной вывод положительным или отрицательным по отношению к его общему выводу? Если ответ положительный, нам нужен NPN BJT или N-канальный полевой транзистор, в противном случае нам нужен PNP или P-канал.Это критически важно, но настолько очевидно, что дальнейшего обсуждения этой темы не требуется. В остальной части статьи, за исключением случаев, когда конкретно рассматривается этот вопрос, мы будем использовать положительные случаи (NPN & N-канал) для всех наших примеров.

Хотя полевые транзисторы были продемонстрированы и запатентованы почти на двадцать лет раньше, чем биполярные транзисторы ¹ , первые практические транзисторы были биполярными ² . Транзистор NPN состоит из тонкой базы полупроводника P-типа, зажатой между двумя областями N-типа, эмиттером и коллектором.Если ток течет от базы к эмиттеру и на коллекторе присутствует положительное смещение, в коллекторе протекает больший ток, пропорциональный току базы.

Рисунок 2 Биполярный переходной транзистор NPN (BJT)

Из рисунка 2 мы видим, что BJT – это усилитель тока – выходной ток в ß раз превышает входной ток, а ß может незначительно изменяться в зависимости от базового тока, так что усилитель не является полностью линейным. (Ss или h _fe – это коэффициент усиления по току транзистора.Входное сопротивление не является ни низким, ни линейным, поэтому мы также можем рассматривать BJT как усилитель I _out / V _в (крутизна) с кремниевым диодом в качестве входного устройства. Понятно, что чем больше значение ß, тем лучше усилитель тока. Для большинства приложений достаточно минимального значения 80–100, но нередки значения, превышающие несколько сотен. (Возможны “супер-бета” транзисторы с ß до нескольких тысяч, но они имеют очень узкую базовую область и низкие напряжения пробоя и настолько хрупки, что используются редко, за исключением аналоговых интегральных схем.)

Существует два типа полевых транзисторов, полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET), более часто, но менее точно, называемые металлооксидно-кремниевыми полевыми транзисторами (MOSFET), которые я буду использовать здесь, и оба имеют любую полярность. (N-канал для положительного питания, P-канал для отрицательного). Полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (но их входная емкость может быть довольно большой – десятки или даже сотни пФ, ) и, следовательно, являются устройствами крутизны (I _из / В _в ).

Сегодня MOSFET – более распространенное устройство. Версия с N-каналом состоит из полоски кремния P-типа с двумя диффузорами N-типа. Поверх полоски между диффузорами находится очень тонкий слой диоксида кремния (или другого изолятора), покрытый проводящей пленкой (обычно из алюминия или поликристаллического кремния). Положительный потенциал на этом проводящем затворе приводит к тому, что материал P-типа непосредственно под изолятором становится N-типом, соединяя диффузию стока и истока и позволяя току течь.Величина тока зависит от приложенного напряжения, поэтому устройство работает как усилитель, а также как переключатель.

Рис.3 МОП-транзистор с N-канальным режимом расширения

Обычно полевые МОП-транзисторы относятся к этому типу – отключены при несмещении и включены напряжением смещения. Такие устройства известны как устройства расширенного режима. Однако можно сделать полевые транзисторы, которые включаются без смещения и выключаются отрицательным (положительным для P-канала) напряжением. Все полевые полевые транзисторы (JFET) относятся к этому типу, но есть и некоторые полевые МОП-транзисторы в режиме истощения.

MOSFET в режиме истощения имеет неглубокую диффузию под оксидом затвора, соединяя сток и исток и позволяя току течь без смещения затвора. Когда затвор смещен отрицательно (для N-канала), эта диффузия ограничивается результирующим электрическим полем, и устройство перестает проводить.

Рисунок 4 МОП-транзистор с N-канальным режимом истощения

N-канальный JFET состоит из полоски кремния N-типа с соединениями (сток и исток) на каждом конце и диффузией затвора P-типа между ними.Без смещения на затворе ток может течь в канале N-типа ниже диффузионного. Когда затвор смещен отрицательно, зона истощения расширяется, заполняя канал, и ток стока прекращается.

Рисунок 5 JFET-транзистор с N-канальным режимом истощения

ВЫБОР ТРАНЗИСТОРОВ

Для большинства транзисторных приложений общего назначения нам нужны непроводящие устройства с нулевым смещением на управляющем входе (база или затвор). Такими устройствами являются BJT или полевые МОП-транзисторы в режиме улучшения.В оставшейся части этой статьи не будут рассматриваться полевые транзисторы в режиме истощения – хотя они являются ценными компонентами в ряде приложений, они настолько менее распространены, чем BJT и устройства режима улучшения, что отдельный раздел для них на самом деле не нужен, особенно когда большинство из них Вопросы, которые мы обсудим, являются общими для всех транзисторов любого типа.

Итак, нам нужен транзистор. Мы знаем, является ли его питание положительным или отрицательным, и поэтому, нужно ли нам устройство с каналом NPN / N или с каналом PNP / P.Но нужен ли нам BJT или MOSFET?

Во многих случаях это не имеет значения. Дискретные полевые МОП-транзисторы, возможно, на десять или двадцать процентов дороже, чем биполярные транзисторы, но им не нужны базовые резисторы, которые стоят дорого и занимают дорогую площадь на плате. Они немного более уязвимы к электростатическим повреждениям ( ESD ) во время обращения, но они не потребляют базовый ток и не нагружают цепи постоянного тока (поскольку они имеют относительно большую входную емкость, они могут вызвать проблемы емкостной нагрузки в более высокочастотных цепях).Когда-то пороговое напряжение затвора (значение В _gs , при котором MOSFET начинает проводить) составляло несколько вольт, поэтому их нельзя было использовать с очень низкими напряжениями питания, но сегодня пороговые напряжения многих устройств равны сравнимо с базовым напряжением включения 0,7 В кремниевого биполярного транзистора. Так что, где нам нужен усилитель или логический переключатель, нам, вероятно, все равно.

Но вход BJT – кремниевый диод. Мы можем использовать его тепловые свойства для измерения температуры, а его высокий ток при избыточном возбуждении действует как фиксирующая или ограничивающая цепь, поэтому в некоторых схемах мы должны иметь BJT.

В течение примерно двадцати лет журнал Elektor ³ публиковал схемы, созданные на основе транзисторов, которые он называет TUN и TUP («Transistor Universal NPN» и «Transistor Universal PNP»). Эти транзисторы являются кремниевыми планарными BJT, и любой транзистор, который превышает следующие спецификации, соответствует требованиям:

Устройство	Тип	BV ceo	I c (макс.)	ß [h fe ] (мин.)	P до (макс.)	f t (Мин)
TUN	NPN	20 V	100 мА	100	100 мВт	100 МГц
TUP	PNP	-20 V	-100 мА	100	100 мВт	100 МГц

Подходят самые дешевые кремниевые малосигнальные транзисторы.Я должен предложить добавить в список MUN и MUP («универсальный N-канал MOSFET» и «универсальный P-канал MOSFET») – и самые дешевые малые полевые МОП-транзисторы соответствуют этой спецификации:

Устройство	Тип	BV ds	I c (макс.)	V GS (th)	P tot (Max)	t вкл. t выкл (макс.)
MUN	N-канал	20 V	100 мА	0.5 В до 2 В	100 мВт	20 нСм
MUP	P-канал	-20 В	-100 мА	-0,5 В до -2 В	100 мВт	20 нС

Большинство версий SPICE содержат стандартные BJT и MOSFET, похожие на эти «универсальные» устройства. Поэтому при разработке системы, содержащей дискретные малосигнальные транзисторы, используйте эти универсальные схемы на этапе проектирования и выберите наиболее удобный ( i.е. лучшая комплектация, доступность и невысокая стоимость) при заказе. Однако при публикации или описании дизайна используйте общую терминологию, чтобы было ясно, что точный выбор устройства вряд ли будет иметь значение.

Конечно, многие конструкции не могут использовать эти стандартные устройства – некоторые спецификации должны выходить за рамки простого стандарта. В таких случаях укажите исключения, например: –

MUN кроме выше BV _ds = 250V

ТУП кроме выше ß = 200

Когда в опубликованном проекте используется конкретный транзистор, разумно подумать о том, необходимо ли выбранное устройство для дизайна или было просто первым транзистором, выпавшим из ящика для мусора ⁴ , когда конструктор построил свой прототип ⁵ .Изучите лист данных (если транзистор настолько загадочен, что вы не можете найти его, изучите схему, в которой он используется): –

1. Есть ли у устройства какие-то необычные характеристики?

2. Используется ли эта характеристика в схеме?

3. Ожидаете ли вы, что схема будет работать с TUN / TUP?

4. Предлагает ли быстрая проверка программного обеспечения (SPICE), что оно будет работать с TUN / TUP?

5. Можно ли предположить, что немного менее быстрая проверка оборудования (макетной платы) будет работать с TUN / TUP?

Если ответы на все вопросы «Да», то, вероятно, будет разумно изучить пункты 1 и 2 немного более внимательно, но если ответы «Нет, нет, да, да, да», почти наверняка безопасно заменить устройство. с общим.

ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА

Максимально допустимое напряжение коллектор / сток. BVceo или BVds Если максимальное напряжение питания ниже, чем BV _ceo или BV _ds , и в коллекторе / стоке нет индуктивной схемы, которая могла бы создавать более высокие переходные процессы напряжения, и нет внешнего источника сигнала, который мог бы применяться более высоким напряжения, то нам не нужно беспокоиться об этой спецификации.

С другой стороны, существует множество схем, в которых можно ожидать, что транзистор будет работать с высокими значениями В _ce или В _ds , либо в установившемся состоянии, либо в переходных процессах, и очень важно, чтобы там, где это В этом случае выбирается правильный максимум.Старые учебники склонны предполагать, что транзисторы являются устройствами низкого напряжения и что за редким исключением они дороги – полезно помнить, что сегодня

Биполярные транзисторы и полевые МОП-транзисторы с пробивным напряжением более 500 В недороги и легко доступны, хотя коэффициент усиления по току ß высоковольтных биполярных транзисторов чаще находится в диапазоне 40–100, а не = 100 для TUN / TUP. Точно так же пороговое напряжение затвора высоковольтного полевого МОП-транзистора с большей вероятностью будет в диапазоне 2–5 В, а не 500–2000 мВ для MUN / MUP.

Абсолютный максимальный ток коллектора / стока. Ic (max) или Id (max) Максимальный ожидаемый ток коллектора / стока не должен превышать абсолютный максимальный номинальный ток устройства. Учитывая, что значение TUN / etc для этого составляет 100 мА , это маловероятно для схем со слабым сигналом, но если транзистор требуется для подачи питания на нагрузку, необходимо проверить максимальный ток.

Абсолютный максимальный номинальный ток некоторых устройств можно разделить на номинальный ток постоянного (или, возможно, средний) ток и более высокий рейтинг переходных процессов для коротких импульсов.Важно убедиться, что пиковые переходные токи находятся в номинальных пределах.

Большинство малосигнальных транзисторов имеют номиналы I _max , превышающие 100 мА – обычно 300-1000 мА – и многие устройства, которые соответствуют спецификации TUN и т. Д., Действительно имеют такой рейтинг и могут использоваться при таких средних токах. необходимы. Если требуются более высокие токи, устройства TUN / etc будут неадекватными, и необходимо выбрать устройство питания. При более высоких токах важно соблюдать номинальную мощность, а также номинальный ток, пакеты, вероятно, будут больше, и может потребоваться радиатор.Биполярные транзисторы с более высокими максимальными токами могут иметь более низкие значения ß при больших токах.

Пакеты и мощность. Существует бесчисленное множество различных корпусов транзисторов, от почти микроскопических корпусов для поверхностного монтажа до больших пластиковых и металлических корпусов, способных выдерживать несколько кВт при соответствующем охлаждении. Выберите тот, который наиболее удобен для вашего применения – поверхностный монтаж для массового производства, свинцовый для прототипирования и мелкосерийного производства, где удобна простота ручной пайки, и любой блок питания, подходящий, когда необходимо учитывать рассеивание и радиаторы.

Некоторые из наиболее распространенных корпусов транзисторов показаны на рисунке 6 вместе с парой германиевых транзисторов с германиевым переходом очень ранних британских «красных пятен» (f _t = 700 кГц) в кованых алюминиевых банках конца 1950-х годов. («Красные пятна» включены для исторического интереса – в подростковом возрасте автор этой статьи использовал эти транзисторы «Красного пятна», которые были отбракованы от производственной линии, производящей устройства с номерами типов – несмотря на то, что они бракованные, они все еще стоят около 1 фунт стерлингов за штуку [более 20 долларов в текущих ценах] для создания ряда различных радиоприемников и усилителей, а также счетчика Гейгера.)

Рисунок 6 Некоторые корпуса транзисторов

Тепло уходит от большинства корпусов через их выводы, поэтому фактические тепловые характеристики малосигнального транзистора зависят как от печатной платы, на которой он установлен, так и от корпуса. Даже самые маленькие транзисторы для поверхностного монтажа могут рассеивать несколько сотен мВт, что намного больше максимального предела, указанного в спецификации TUN / etc. Одно и то же устройство в разных корпусах может иметь разную максимальную мощность – RTFDS ⁶ осторожно.

В корпусах более мощных устройств есть металлические области, обеспечивающие теплопроводность к радиатору, поэтому внимательно прочтите спецификации рассеивания и требования к радиатору для этих устройств. Корпус TO-264 на рисунке 6 может рассеивать 2,5 кВт на подходящем радиаторе.

Разные устройства в одном корпусе могут иметь разную распиновку. Важно понимать, что два транзистора с одинаковыми электрическими характеристиками и корпусом могут иметь разные выводы и, следовательно, не могут быть взаимозаменяемыми сразу.На рисунке 7 показаны шесть возможных соединений BJT пакетов TO-92 и SOT-23. Еще в 1990-х автору удалось найти по крайней мере одно устройство с каждой из этих выводов, и хотя этот список был утерян, у него нет оснований предполагать, что современные транзисторы менее разнообразны.

Рисунок 7 На корпусе возможно шесть выводов

В высокочастотной конструкции может быть полезно выбрать устройство с распиновкой, обеспечивающей наименьшее паразитное реактивное сопротивление в разводке печатной платы.

Ток утечки коллектора / стока. Ice0 или Idss0 (иногда называемый «ток отсечки» .) Это небольшой ток утечки, который течет от коллектора к эмиттеру или от стока к истоку, когда транзистор выключен. Обычно он составляет порядка десятков нА, но в таблицах данных иногда устанавливаются довольно большие максимальные значения для худшего случая, чтобы снизить затраты на тестирование. Транзисторы, используемые в качестве переключателей или усилителей очень низкого уровня, следует выбирать для утечки менее 50 нА, но для большинства приложений 200 нА или даже более вполне приемлемы.

Рис.8 Инвертор с очень низким энергопотреблением, использующий полевой МОП-транзистор с малой утечкой.

Инвертор малой мощности, показанный на рисунке 8, является примером схемы, требующей очень низкой утечки коллектора / дренажа. Утечка стока 100 нА дает падение напряжения 1 В и выходное напряжение 2,0 В, только на пороге разрешенных уровней логической 1, поэтому в практических конструкциях следует использовать полевые МОП-транзисторы с утечкой стока / истока = 50 нА. (Обратите внимание, что хотя этот инвертор очень маломощный [300 нА = 0.9 мкВт, когда транзистор включен], это также очень медленно – при условии, что выходная емкость транзистора плюс емкость дорожки плюс входная емкость следующего каскада составляет 20 пФ , что не является необоснованным, время нарастания у него составляет около 0,2 мс, а не проблема для приложений постоянного тока, но бесполезна даже для цепей переключения средней скорости.)

Текущее усиление. ß или hfe Коэффициент усиления по току BJT – это отношение тока коллектора к току базы, когда устройство не находится в режиме насыщения ( i.е. , напряжение коллектор / база положительное [для устройства NPN]). ß обычно довольно постоянен в широком диапазоне токов, но он может быть немного ниже при очень низких базовых токах и почти наверняка начнет падать, когда ток коллектора приблизится к своему абсолютному максимальному значению. Поскольку это соотношение, это безразмерная величина.

TUN и TUP имеют ß = 100, но сильноточные и высоковольтные BJT могут иметь несколько более низкие (= 40 или 50) минимальные заданные значения.

Рис.9 Транзисторный (BJT или MOSFET) эмиттер / истоковый повторитель

Выходной каскад эмиттерного повторителя / истокового повторителя, показанный на рисунке 9, одинаково точен как с BJT, так и с MOSFET.В простых эмиттерных повторителях предполагается, что напряжения база / эмиттер или затвор / исток В, , _, или В, _gs , остаются постоянными, обеспечивая фиксированное смещение между входным напряжением и напряжением нагрузки, но в более точных схемах. обратная связь может быть получена от соединения эмиттер (источник) / нагрузка.

Рисунок 10 Поскольку базовый ток не течет по их выходам, BJT менее точны, чем полевые транзисторы, как токовые выходные каскады.

Поскольку часть эмиттерного тока должна протекать в базе, коллекторный и эмиттерный токи BJT не идентичны, что означает, что токовый выходной каскад на рисунке 10 должен быть выполнен с использованием MOSFET, а не BJT, поскольку MOSFET имеют практически нулевой ток затвора. .

Прямая крутизна. gfs Прямая крутизна полевого транзистора – это отношение ΔI _ds / ΔV _gs , когда устройство включено и цепь стока не ограничена по току. Он измеряется в сименсах (S) (или, для традиционалистов среди нас, в mhos или обратных омах [Ʊ], которые являются устаревшим названием и символом того же самого). Малосигнальные полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы могут иметь г _фс всего в несколько мс, но более крупные могут иметь усиление от больших долей сименса до нескольких сименсов и более.

Как правило, изменения напряжения затвора на несколько вольт достаточно для изменения тока стока с минимального (выключенного) до его абсолютного максимального значения. Также важно знать, при каком напряжении на затворе начинается проводимость – см .:

Пороговое напряжение затвора. Vgs (th) Пороговое напряжение затвора полевого МОП-транзистора – это напряжение затвора / истока, при котором правильно смещенный сток начинает потреблять ток. Определение «запусков» будет указано в таблице данных и может составлять всего несколько мкА, но более вероятно, что оно будет определено как 1 мА или даже больше для полевого МОП-транзистора высокой мощности.Выше этого порогового значения ток стока будет очень быстро расти с небольшим увеличением напряжения затвора.

Если полевой МОП-транзистор должен управляться логикой, важно, чтобы его пороговое напряжение было выше наихудшего значения логического 0 в температурном диапазоне схемы, которое, вероятно, составит не менее нескольких сотен мВ , иначе это может начать включаться, когда он должен быть выключен.

Напряжение насыщения. Vce (sat) Когда BJT включается достаточно сильно, чтобы падение напряжения на его нагрузке коллектора было достаточным для понижения потенциала коллектора ниже потенциала базы (другими словами, переход база-коллектор смещен в прямом направлении), это называется насыщенный .Это напряжение насыщения не пропорционально току коллектора, поэтому модель насыщенного транзистора – это не просто сопротивление между его коллектором и эмиттером.

Два примера важности низкого напряжения насыщения:

[A] В классической логике TTL каждый входной источник 1,6 мА превращается в управляющий выход логического 0. При полном разветвлении 10 это означает, что выходной транзистор TTL может потребовать около 16 мА с напряжением насыщения не более 400 мВ .

[B] Когда силовой BJT используется для переключения сильноточных нагрузок, его рассеивание при заданном токе нагрузки пропорционально его напряжению насыщения. Чем ниже напряжение насыщения, тем меньше тепла необходимо отводить от транзистора.

Обратите внимание, что когда вы снимаете входной привод с насыщенного транзистора, возникает задержка (обычно нсек или десятки нсек, но может быть больше), прежде чем он начнет отключаться. Это его время восстановления насыщения и может быть указано, при четко определенных условиях, в его техническом паспорте.

О сопротивлении. Полевые МОП-транзисторы Ron не насыщаются, потому что они являются основными носителями. Когда они включаются с напряжением затвора, значительно превышающим пороговое напряжение затвора, они ведут себя как резисторы с низким номиналом, и их сопротивление на сопротивлении указано в их технических характеристиках. Применяется закон Ома – падение напряжения пропорционально току и включенному сопротивлению, а их рассеяние составляет I ² R.

Коэффициент шума. NF Большинство применений транзисторов имеют относительно высокий уровень шума, и шум не является проблемой.Но если это проблема, то это критически важно. Многие транзисторы, как BJT, так и FET, имеют коэффициент шума, указанный и гарантированный их производителями. При сравнении коэффициентов шума различных устройств очень важно, чтобы коэффициенты шума измерялись при одинаковом импедансе источника. Если транзисторы предназначены для использования в радиосистемах, вероятно, что их NF будет измеряться при 50 Ом, поэтому сравнение несложно, но бессмысленно сравнивать NF двух устройств, у которых NF были измерены при разных импедансах.В документе, относящемся к более ранней версии RAQ ⁷ , подробно рассматриваются эти и другие проблемы шума, и к нему следует обращаться, если вам интересна эта тема.

Частота перехода. ft f _t BJT – это частота, на которой коэффициент усиления по току при коротком замыкании (на ВЧ) на выходе равен единице. Опять же, я не предлагаю обсуждать, как это можно измерить ⁸ , а просто хочу отметить, что f _t является наиболее широко используемым показателем качества для сравнения частотной характеристики биполярных транзисторов.Большинство TUN и TUP будут иметь f _t значительно выше минимума 100 МГц , но транзисторы высокой мощности и высокого напряжения часто будут иметь довольно низкие значения.

Полевые транзисторы представляют собой крутильные устройства с бесконечно малым входным постоянным током, поэтому неправильно учитывать их усиление по постоянному току. Но поскольку они имеют входную емкость (C _gs ) от пФ до сотен пФ , их емкостное входное сопротивление относительно низкое на ВЧ, поэтому их входной ток ВЧ может быть измерен, а их f _t получено.Иногда лист данных FET или MOSFET будет содержать значение f _t , полученное таким образом, и его, безусловно, допустимо использовать, если доступно, для оценки частотной характеристики FET, но обычно скорость полевых транзисторов указывается с точки зрения переключения раз.

Время переключения. t (вкл.) & t (выкл.) Большинство полевых транзисторов и многие BJT имеют спецификации времени переключения, определяемые как время, затрачиваемое при определенных условиях (RTFDS ⁹ ) для повышения выходного тока от нуля до заданного значения, или вернуться к нулю соответственно.Предполагается, что сигнал переключения является мгновенным (юридическая фикция) или определяется как несколько нсек. Сравнение времени переключения – надежный способ сравнения относительных скоростей транзисторов при условии, что они испытываются в аналогичных условиях.

Емкости. C _?? С транзистором связаны три емкости: входная емкость C _в , выходная емкость C _{на выходе} и емкость Миллера ¹⁰ (или обратная связь) C _fb .Разные производители используют разные названия (следовательно, C _? в заголовке), но какое должно быть ясно из рисунка 11.

Рисунок 11 Паразитные емкости транзисторов (разные производители используют разные названия / символы)

Как мы уже видели, полевые транзисторы, особенно силовые полевые МОП-транзисторы, могут иметь значения Cin до 1 нФ или даже больше, хотя малосигнальные полевые МОП-транзисторы будут иметь гораздо меньшие значения, вероятно, в диапазоне 15-50 пФ .Однако при проектировании схем, где такая емкость может влиять на время нарастания или стабильность схемы, важно убедиться, что конструкция учитывает такие значения и что устройства выбираются с емкостями, допускаемыми конструкцией схемы.

ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА

Итак, нам нужен транзистор для конструкции. Как мы выбираем?

Было бы неплохо иметь базу данных по каждому транзистору в мире, прикрепленную к электронной таблице, чтобы после ввода предельных значений каждого важного параметра мы видели список каждого из них, который соответствует нашим требованиям.К сожалению, составить такой список невозможно – он огромен и будет меняться день ото дня по мере появления новых транзисторов и устаревания старых. Однако такие дистрибьюторские компании, как Avnet, Arrow, Digi-Key, Mouser, Premier Farnell и RS Components, имеют на своих веб-сайтах системы параметрического поиска ¹¹ , которые позволяют нам делать то же самое с тем преимуществом, что, хотя они и не показывают все устройства в мире, те, которые они показывают, вероятно, будут легко доступны.У многих производителей тоже есть такие параметрические поисковые системы, которые даже более актуальны, но преимущество дистрибьюторских систем в том, что они позволяют нам сравнивать устройства многих производителей на одном сайте и, как правило, также дают некоторое представление. фактической доступности.

Итак, ответ на вопрос – составить список необходимых параметров и выйти в онлайн. Поисковая система каждого дистрибьютора немного отличается, и, конечно, акции каждого дистрибьютора (и, возможно, цены) также различаются, поэтому, вероятно, лучше использовать более одного и сравнивать результаты.

Мы уже обсудили, какие параметры выбрать, но суммируем основные по порядку: –

Полярность: – Канал NPN / N или Канал PNP / P?
Тип: – BJT или FET?
Рабочее напряжение: – Выберите минимальное безопасное значение BV _ceo или BV _ds (Также может быть хорошей идеей выбрать максимальное значение, так как транзисторы с очень высоким напряжением могут иметь более низкое значение. gain и выше V _{ce (sat)} или R _на и обязательно будут немного дороже.)
Максимальный ток: – Выберите значение = 33% выше максимального ожидаемого тока коллектора / стока. (Возможно, вам придется учитывать пиковые переходные токи, а также максимальные токи в установившемся режиме.)
Пакет: – Какой корпус, и распиновка , вам требуются? (Если устройство поставляется в нескольких упаковках, абсолютный максимальный ток и номинальная мощность могут варьироваться в зависимости от пакет выбран – проверьте это. Также в руководстве по параметрическому выбору может отсутствовать информация о распиновке.)
Мощность: – Какое максимальное рассеивание? (Помните, что выключатель рассеивает очень мало энергии в выключенном состоянии, а когда он включен, большая часть мощности приходится на нагрузку, а не на сам выключатель.Во время переключения рассеиваемая мощность выше, но это важно только в том случае, если устройство постоянно переключается с высокой скоростью.)

Каждый раз, когда мы выбираем транзистор, необходимо определять указанные выше параметры. Остальные могут иметь решающее значение для одних приложений и не иметь значения для других, поэтому вы должны решить для себя, какие из них имеют значение для вашего приложения, и выбрать устройства, которые соответствуют вашим требованиям. Рассмотрите весь оставшийся список, но укажите только те, которые вам действительно интересны: –

Ток утечки: – I _ce0 или I _ds0
Коэффициент усиления по току: – ß или h _fe – Для некоторых приложений требуется ß = 100
Крутизна: – g _fs – Редко требуется будет уточнено.
Пороговое напряжение затвора: – В _{gs (th)} – Оно должно быть совместимо с уровнями любой логики, используемой для управления MOSFET в качестве переключателя, и не должно быть слишком большим, если MOSFET используется с низкое напряжение питания.
Напряжение насыщения: – В _{ce (sat)} – Важно только тогда, когда BJT используется в качестве переключателя (логического или силового).
На сопротивлении: – R _на – Важно, когда полевой МОП-транзистор используется в качестве переключателя питания, но не обычно в усилителях или логических приложениях
Показатель шума: – NF – Важно только в усилителях (очень) малых сигналов или малошумящие генераторы.
Частота перехода: – f _t – Важно только в ВЧ усилителях или генераторах.
Время переключения: – t _(вкл.) & t _(выкл.) Этот параметр редко имеет значение, за исключением транзисторов, используемых в быстрых логических интерфейсах и быстром переключении мощности.
Емкость: – C _в , C _вне и C _fb (или их версии от разных производителей.) – Эти параметры редко нужно указывать для приложений LF BJT, но поскольку полевые МОП-транзисторы могут иметь довольно большой C _в имеет смысл помещать значения наихудшего случая в SPICE-модели схем с дискретными полевыми МОП-транзисторами, чтобы гарантировать, что их емкость не является проблемой.

Когда вы введете выбранные вами параметры в поисковую систему, вы, если повезет, получите список устройств с нужными вам характеристиками. Если вы уверены, что правильно выбрали параметры, выберите от пяти до десяти самых дешевых, которые есть в наличии. Сделайте то же самое с еще парой поисковых систем дистрибьюторов, а затем сравните свои списки. Вы должны обнаружить, что они похожи – в таком случае выберите самое дешевое устройство, доступное у большинства поставщиков.

Получите SPICE-модель этого устройства и убедитесь, что она совместима с SPICE-симуляцией вашей конструкции.Если это так, создайте прототип оборудования с этим устройством и также проверьте его производительность. Если все хорошо, вы выбрали транзистор.

Однако, когда вы публикуете свой дизайн или отправляете его в производство, не указывайте устройство, которое вы выбрали, как если бы это был единственно возможный выбор. Спецификация должна выглядеть примерно так: «Транзистор TR3 представляет собой N-канальный MOSFET в корпусе TO-92 (распиновка s- g -d на контактах 1-2-3), его BV _ds0 должен быть не менее + 25V, I _{ds (max)} не должно быть меньше 250 мА , V _{gs (th)} должно быть в пределах 600 мВ – 1.8V и C _в должны быть меньше 65 пФ . Большинство полевых МОП-транзисторов, соответствующих этому описанию, должны работать в этой схеме, но анализ SPICE и создание прототипов были выполнены с помощью 2Nxxxx. Анализ SPICE для 2Nyyyy, 2Nzzzz и VNaaaa показывает, что эти устройства также должны работать хорошо, но многие другие NMOSFET-транзисторы с аналогичными характеристиками также могут быть удовлетворительными ». Конечно, вам действительно стоит провести SPICE-анализ 2Nyyyy, 2Nzzzz и VNaaaa, которые, конечно же, будут одними из самых дешевых и наиболее доступных устройств из вашего списка.

Аналогичная процедура применяется, если проект, который вы хотите использовать, требует 3N14159. и вы не можете его найти. Если у вас есть его данные, изучите схему и решите, какие из параметров устройства важны. Если вы не можете найти его данные, изучите схему и попытайтесь определить, какие параметры транзистора необходимы для правильной и безопасной работы. Попробуйте симуляцию SPICE, чтобы проверить работоспособность, но будьте немного консервативны при выборе бездымных (, т.е. безопасных – он не взорвется) значений напряжения пробоя, тока и мощности, так как это не ваша конструкция и может быть что-то у вас упускается из виду.Используйте выбранные вами значения в параметрическом поиске с последующей проверкой программного и аппаратного обеспечения, как описано выше. Если все пойдет хорошо, у вас есть запасные части для 3N14159, и вам не придется ехать в Тимбукту.

Джеймс Брайант Калшот – Англия Апрель 2014 г.

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

Список литературы

[1] Джулиус Лиллиенфилд – Заявка на патент Канады CA272437 (1925) / Патент США US1745175 – Способ и устройство для управления электрическими токами 1930-01-28

[2] Шокли, Браттейн и Бардин – Bell Telephone Labs 1947 г.
Джон Бардин и Уолтер Браттейн: – Патент США US2524035 – Трехэлектродный элемент схемы с использованием полупроводниковых материалов 1948-02-26 (выпущен 1950-10-03)
Уильям Шокли: – Патент США US2569347 – Элемент схемы, использующий полупроводниковый материал, 1948-06-26 (выдан 25.09.1951)

[3] http: // www.elektor.com/

[4] У каждого инженера должна быть коробка с использованными компонентами, оставшимися от предыдущих проектов, в качестве источника внезапно необходимых деталей для новых. В идеале у них должен быть разумный набор вещей, но не настолько, чтобы их было трудно искать. Спичечный коробок слишком мал, 40-футовый интермодальный контейнер обычно слишком велик (если вы не морской инженер, работающий на морских буровых установках).

[5] Разработчики интегральных схем слишком часто делают это при написании таблиц данных.Вместо того, чтобы указывать общую часть, они указывают ту, которую они фактически использовали – это был предварительный образец патагонского стартапа, который обанкротился в 1976 году, или что-то столь же нелепое. Это одна из причин высокого уровня безумия среди людей. инженеры-прикладники, которые должны убедить клиентов, что использование заменителя на самом деле не является признанием поражения и не может ускорить Армагеддон или дождь из лягушек и рыб.

[6] «Прочтите Friendly Data Sheet!»

[7] В этих ссылках обсуждается тепловой шум и коэффициенты шума в контексте резисторов и операционных усилителей, но физика в равной степени применима и для транзисторов.

http://www.analog.com/en/high-speed-op-amps/low-noise-low-distortion-amplifiers/products/raq_jb_resistor_noise_can_be_deafening_issue25/resources/faq.html?display=popup

http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/products/RAQ_JB_Op_Amp_Noise_can_be_Deafening_Too_Issue26/resources/faq.html?display=popup

http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_opAmpNoise2.html

[8] Cadence хорошо поработала:
http: // www.cadence.com/Community/blogs/rf/archive/2008/07/16/measuring-transistor-ft.aspx

[9] «Прочтите дружественный технический паспорт»

[10] Назван в честь Джона Милтона Миллера, который впервые описал его эффекты в 1920 году.

https://en.wikipedia.org/wiki/John_Milton_Miller Миллер, конечно, работал с термоэмиссионными клапанами (лампами), но название и эффект до сих пор актуальны для полупроводниковых триодов (БЮТ и полевые транзисторы).

[11] Источники транзисторов
https: // avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Bipolar-Transistor/GP-BJT/_/N-100083?action=products&cat=1&catalogId=500201&categoryLink=true&cutTape=&inStock=&langId=-1&myCatalog=&ropi=html = & storeId = 500201 & term = & topSellers = & categoryLink = true и
https://avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Transistor/MOSFET/_/N-100099?action=products&cat=1&catalogId=500201&category&categoryLink=tape & inStock = & langId = -1 & myCatalog = & npi = & proto = & RegionalStock = & rohs = & storeId = 500201 & term = & topSellers = & categoryLink = true

http: // компоненты.arrow.com/semiconductor-discrete/transistors/ и
http://components.arrow.com/part/search/%5E7/42/855?region=na&whereFrom=gnav и
http://components.arrow.com/ part / search /% 5E7 / 42/942? region = na & whereFrom = gnav

http://www.digikey.com/product-search/en/discrete-semiconductor-products/transistors-bjt-single/1376376?k=transistor и
http://www.digikey.com/product-search/en / Discrete-Semiconductor-Products / Fets-Single / 1376381? k = транзистор

http: // www.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/Transistors-Bipolar-BJT/_/N-ax1sh/ и
http://www.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/MOSFET/_/N- ax1sf /

http://uk.farnell.com/transistors-bipolar-bjt-single и http://uk.farnell.com/mosfets

http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/bipolar-transistors/ и
http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/ МОП-транзисторы /

Как выбрать ＜ Выбор транзисторов для обеспечения безопасной работы ＞ | Основы электроники

Во время работы транзистор испытывает электрические и тепловые нагрузки.Срок службы транзистора будет коротким, если такие нагрузки превышают максимальные допуски, что может привести к выходу транзистора из строя в худшем случае. Чтобы избежать этого, настоятельно рекомендуется проверить, нет ли каких-либо проблем с управлением транзистором на этапе проектирования.

В этом разделе мы объясним метод определения того, можно ли использовать выбранный транзистор. Пожалуйста, внимательно ознакомьтесь с этим материалом, чтобы избежать потенциальных проблем и узнать, как безопасно использовать транзисторы.

Перед судом: от выбора к установке

Выбор транзистора

Вы можете выполнить поиск транзистора в нашем кратком веб-каталоге.

Получить образцы и спецификации

Образцы

можно приобрести на веб-сайте ROHM. Доступность образцов для чистой покупки постоянно расширяется.

Установите транзистор на оценочную плату или проверьте работоспособность

Контрольно-пропускные пункты:

• Убедитесь, что выбранный транзистор надежно работает в реальной цепи.
• Проверить, стабильно ли выбранный транзистор (т.е.работает ли длительное время, обеспечивая надежность)
• Допустимая погрешность в последней цепи не мешает цепи

Решение: можно использовать или нет

Решение о том, можно ли использовать выбранный транзистор, должно выполняться на основе следующих шагов.

Измерение фактической формы кривой тока и напряжения

Подтверждение тока и напряжения

Сначала проверьте с помощью осциллографа, какие ток и напряжение, приложенные к транзистору.Номинальные значения, указанные в таблицах данных, должны соответствовать измеренным значениям, параметрам, перечисленным ниже, следует уделять приоритетное внимание.

Приоритет:

Транзисторный тип	Напряжение	Текущий
Транзистор биполярный	Напряжение коллектор-эмиттер: Vce	Ток коллектора: Ic
Цифровой транзистор	Выходное напряжение: Vo (GND-OUT)	Выходной ток ： Io
МОП-транзистор	Напряжение сток-исток: Vds	Дорайн ток: Id

Пример: форма сигнала при переключении 2SD2673 (100 мкс / дел)

Абсолютный максимальный рейтинг соблюдается все время?

Подтверждение абсолютного максимального рейтинга

Проверить, не превышают ли ток и напряжение (подтверждение тока и напряжения) абсолютный максимальный номинал, указанный в техническом паспорте.Есть элементы, не отмеченные в таблице выше, но все такие неотмеченные элементы также должны оставаться ниже абсолютного максимального рейтинга.

Транзистор не может быть выбран, если пиковый ток или скачок напряжения могут выйти за пределы абсолютного максимального номинального диапазона даже на мгновение. В противном случае существует вероятность ухудшения характеристик и разрушения устройства при превышении абсолютного максимума.

Пример: Технический паспорт 2SD2673 (Описание абсолютного максимального номинала)

Пример: случай, когда абсолютный максимальный рейтинг нарушается на мгновение (NG)

Используется ли транзистор в SOA?

Подтверждение безопасной рабочей зоны (SOA *), часть 1

SOA определяет область, в которой транзистор может безопасно работать.Однако SOA основывается только на одном (одном) импульсе. Следовательно, необходимо также проверить, все ли импульсы остаются в пределах SOA, если транзистор приводится в действие повторяющимися импульсами, а также усредненный приложенный ток, который должен быть вычислен в (Подтверждение зоны безопасности (SOA) – Часть 2), остается в пределах номинальная мощность.

* 1 Также называется ASO (Зона безопасной эксплуатации).

Проверка соответствия SOA

Проверьте, подтверждается ли форма сигнала в 1. Подтверждении тока и напряжения в пределах SOA.Решение NG (транзистор не используется) должно быть принято, если пусковой / пиковый ток или скачок напряжения выходят за пределы абсолютного максимального номинала даже на мгновение.
Также дважды проверьте, не нарушена ли SOA, даже если форма волны в Подтверждении абсолютного максимального рейтинга находится в пределах абсолютного максимального рейтинга, лучше перестраховаться, чем сожалеть. (См. Пример ниже.)

Пример: 2SD273 БЕЗОПАСНАЯ РАБОЧАЯ ЗОНА

Снижается ли использование TR в SOA в соответствии с температурой окружающей среды * 1?

* 1 Температура окружающей среды, в которой используется TR, или температура кристалла, когда температура TR повышается за счет его тепла.

Подтверждение зоны безопасности (SOA), часть 2

Обычно SOA определяется комнатной температурой (25 градусов).

Способы отражения снижения номинальных характеристик в графике SOA:
・ Биполярный TR / DIgital TR
・ MOSFET
* Температура, требующая снижения номинальных характеристик, в основном соответствует температуре кристалла.

Метод снижения номинальных значений температуры SOA

SOA (безопасная рабочая зона)

SOA (Safe Operating Area) требует понижения температуры, когда температура окружающей среды превышает 25 градусов.или температура кристалла повышается за счет нагрева самого транзистора. Температура снижения характеристик – это температура окружающей среды для первого и температура кристалла для второго. Чтобы быть конкретным, линия SOA должна быть смещена в сторону меньшего тока. Коэффициент снижения мощности варьируется в зависимости от площади, как показано на Рис.1

Зона ограничения тепла

В этой области линия SOA имеет наклон вниз 45 °. (Линия постоянной мощности) В этой области коэффициент снижения мощности равен 0.8% / град.

Вторичная зона откоса

Для транзисторов существует область вторичного спада из-за перегрева. SOA в этой области имеет наклон более 45 °, а коэффициент снижения мощности составляет 0,5% / град.

Пример Ta = 100 град.

2-1. Снижение номинальных характеристик в зоне ограничения нагрева При температуре окружающей среды 100 град.

Следовательно, суждение должно быть сделано с учетом сдвига линии SOA на 60% в сторону меньшего направления тока.

Снижение номинальных характеристик в области вторичного спуска

Аналогично тому, как указано выше, расчет выполняется, как показано ниже.

Соответственно, суждение должно быть сделано с учетом сдвига линии SOA на 37,5% в сторону меньшего направления тока.

Непрерывный импульс? Единичный импульс?

одиночный импульс

Внезапный бросок тока (например, из-за подачи питания) называется одиночным импульсом

Непрерывный импульс

В отличие от одиночного импульса, он называется «непрерывным импульсом», если импульсы загружаются повторно.В этом случае проверьте, работает ли

Является ли средняя потребляемая мощность ниже номинальной мощности при температуре окружающей среды?

Подтверждение при мощности ниже номинальной

Мощность ниже номинальной при температуре окружающей среды = Температура кристалла ниже максимального номинала 150 градусов. Номинальная мощность определяется как мощность, которая нагревает кристалл до 150 градусов.

(Подробности см. В методе расчета температуры матрицы, подготовленном отдельно.

Метод расчета мощности

В принципе, усредненная мощность – это значение, полученное в результате деления интегрирования тока и напряжения на время. т.е.

Теперь подумайте, например, о следующем поведении переключения.

В этом случае расчет следует производить путем деления одного цикла на четыре.

При фактическом расчете интегрирования см. «Формулу интегрирования», подготовленную отдельно.
Давайте произведем расчет для формы волны, наблюдаемой в (1.Подтверждение тока и напряжения) в качестве примера.

Когда ВЫКЛ —> ВКЛ

ON период

Когда ВКЛ —> ВЫКЛ

Когда почти нет тока в выключенном состоянии

В действительности должен существовать ток утечки от нА до 10 нА, а потребление тока равно 0 (нулю) в состоянии ВЫКЛ. Из приведенного выше расчета, если мы разделим весь результат интегрирования для каждой зоны на 400 мкс, что является продолжительностью цикла, среднее потребление тока будет равно

.

Ранее мы взяли пример биполярного транзистора 2SD2673, чтобы выполнить интегральный расчет тока коллектора Ic и напряжения коллектора-эмиттера Vce.Расчет интегрирования в случае других типов TR может быть таким, как показано ниже, для получения усредненного потребления тока.

• Цифровой TR: выходной ток Io и выходное напряжение Vo
• MOSFET: Id тока стока и напряжение сток-исток Vds

После получения усредненного потребления тока, мы должны проверить с помощью Pc (Collector-loss) для цифрового TR (Drain-loss для MOSFET).

Пример: Спецификация 2SD2673

В этом случае усредненная приложенная мощность равна 0.153 Вт, а потери на коллекторе составляют 0,5 Вт (рекомендуемая земля: монтажная плата из эпоксидного стекла), так что использование этого TR при температуре окружающей среды 25 град. в порядке. (Строго говоря, Pc должны отличаться в зависимости от разницы в условиях рассеивания тепла, как от типов печатной платы, так и от области расположения земли. Однако мы предполагаем, что используются рекомендуемые lnd-схемы.)

Если температура окружающей среды выше 25 градусов, при проектировании учитывайте температурное снижение номинальных характеристик в соответствии с кривой снижения номинальных характеристик.

Подробную информацию о расчете температуры матрицы см. В отдельных документах «Метод расчета температуры матрицы».

Формула интеграции для расчета мощности

Расчет мощности между a – b путем интегрирования с током I и напряжением V.

Транзистор Страница продукта

Selection Transistor – обзор

Flash EEPROM

Flash EEPROM – это электрически стираемые и программируемые постоянные запоминающие устройства.Базовая ячейка флэш-памяти структурно аналогична СППЗУ, и программирование все еще может выполняться путем инжекции горячих электронов в плавающий затвор. Однако ячейка может быть электрически стерта при туннелировании Фаулера-Нордхейма через оксид затвора. Однако, в отличие от EEPROM, стирание выполняется только параллельно на уровне сектора и сопровождается перепрограммированием каждой отдельной ячейки, чтобы установить ее пороговое напряжение на соответствующих уровнях высокого или низкого напряжения. Следовательно, для правильной работы флэш-ячейки не требуется транзистор выбора.Электронная микрофотография флэш-ячейки, называемой ETOX, показана на рисунке 8.

Рисунок 8. Сканирующая электронная микрофотография флэш-ячейки ETOX, изготовленной по технологии 0,18 мкм. (Любезно предоставлено ST Microelectronics.)

Поперечное сечение вырезано по разрядной линии, которая соединена со стоком ячейки вертикальной вольфрамовой пробкой. Словесная линия силицида вольфрама перпендикулярна поперечному сечению и появляется на микрофотографии в виде светлой прямоугольной области, перекрывающей управляющий вентиль ячейки.Затворы из поликристаллического кремния самоустанавливаются; области истока и стока используются двумя соседними зеркальными ячейками. Боковое расширение ячейки, измеренное между осями истока и стока, в этой технологии составляет ~ 500 нм.

Для программирования ячейки требуется напряжение питания В _PP ≈ 10–12 В, подаваемое на управляющий затвор, и напряжение стока В _D ≈ 5–6 В. Прежний источник высокого напряжения внутренне генерируется специальной схемой, называемой «накачкой заряда».Электроны, движущиеся от истока к стоку, могут в конечном итоге достичь энергии, превышающей потенциальный барьер Si – SiO ₂ , и инжектироваться в плавающий затвор.

Туннелирование электронов из плавающего затвора может происходить либо на стороне истока, если последний проходит сбоку ниже плавающего затвора, либо равномерно по каналу. Чтобы это произошло, необходимо установить управляющий вентиль на большое отрицательное напряжение В _CG ≈ −12 В, а источник на большое положительное напряжение В _S ≈5 В, при этом удерживая слив на плаву.При этом оксидное поле становится достаточно большим, чтобы уменьшить расстояние туннелирования до нескольких нанометров. Отрицательное напряжение снова создается на микросхеме зарядовым насосом. Использование отрицательных напряжений требует отработки процесса КМОП с тремя лунками, с внешним смещением p -well при самом отрицательном напряжении, чтобы предотвратить короткое замыкание переходов p – n с переходом . n – слой смещен при отрицательных напряжениях.

Архитектура флэш-массива

С точки зрения организации массива ячеек энергонезависимая память может быть основана на архитектуре NOR или NAND.Первый имеет меньшее время доступа, но второй плотнее и, следовательно, дешевле. С точки зрения скорости рост числа полезных приложений не так важен, в то время как стоимость всегда является критическим вопросом: следовательно, архитектура NAND набирает обороты на рынке флэш-памяти.

Организация массива в архитектуре NOR показана на рисунке 9a. Ячейки в одной строке разделяют строку слов, а ячейки в одном столбце разделяют строку битов. Последовательные строки зеркально отражаются, чтобы получить доступ к одной и той же общей исходной строке, пересекающей массив параллельно строкам слов.Общие истоковые линии сектора закорочены и поддерживаются под потенциалом земли во время чтения, но повышаются при положительном напряжении, когда операция стирания имеет место для всего сектора массива. Из-за общей исходной конфигурации ячеек флэш-памяти во время чтения такая организация массива ячеек называется архитектурой NOR.

Рис. 9. Организация массива ячеек Flash EEPROM: (a) архитектура NOR (b) архитектура NAND.

Организация массива в архитектуре NAND показана на рисунке 9b.Ряд ячеек, обычно 8 или 16, подключаются последовательно, а не параллельно, что обеспечивает компактную компоновку и более высокую плотность ячеек в массиве. Это связано с небольшим количеством контактов с разрядной линией и отсутствием общих исходных линий в массиве; следовательно, становится возможным уменьшенный шаг словарной строки. Последовательно с ячейками флэш-памяти два выбранных транзистора расположены вверху и внизу столбца NAND.

Информация хранится в виде заряда внутри плавающего затвора.Однако в этом случае логическая «1» связана с отрицательным пороговым напряжением, а логический «0» представлен положительным пороговым напряжением. Кроме того, как программирование, так и стирание выполняются путем туннелирования Фаулера-Нордхейма внутрь и наружу плавающего затвора.

Словарные строки обычно располагаются на V _DD . В этой конфигурации безадресные ячейки действуют как входные ворота ВКЛ, независимо от их фактического порога, который обычно намного меньше. Операция чтения выполняется путем понижения разрядной шины до 0 В и обнаружения в разрядной строке либо тока, либо отсутствия тока.В первом случае пороговое напряжение адресуемой ячейки должно быть отрицательным; в последнем случае вместо этого пороговое напряжение адресуемой ячейки положительно. Однако считывание тока через серию из нескольких ячеек и двух выбранных транзисторов – медленная операция: фактически время произвольного доступа составляет порядка нескольких микросекунд.

Для программирования ячейки управляющий вентиль приводится в действие большим положительным напряжением В _PP ≈15 В, в то время как соответствующая разрядная линия поддерживается на уровне 0 В.Этот потенциал земли передается на исток и сток адресуемой ячейки через транзистор выбора и последовательные импульсные ячейки с незначительным падением напряжения из-за небольших туннельных токов, протекающих в плавающий затвор. Чтобы предотвратить программные нарушения невыбранных ячеек в одной и той же строке слов, все оставшиеся разрядные строки должны иметь напряжение В _DD , а невыбранные строки слов должны иметь напряжение В _м ≈10 В, достаточно большое, чтобы обеспечить хорошую функцию проходного затвора независимо от порогового напряжения ячейки, но достаточно низкую, чтобы предотвратить туннелирование электронов в плавающий затвор невыбранных ячеек.

Чтобы стереть сектор, электроны инжектируются из плавающих затворов в их соответствующие каналы, опять же посредством туннелирования Фаулера-Нордхейма. Этот процесс выполняется путем заземления всех словарных шин и подачи высокого напряжения (до 20 В) на колодец p массива. Для этого все периферийные цепи должны быть изолированы от колодца p путем заземления обеих линий выбора; в противном случае переходы n – p станут смещенными в прямом направлении и перегрузят насосы заряда.По сравнению с архитектурой NOR операция стирания выполняется намного быстрее, поскольку не требует, чтобы программа выполнялась последовательно до «0». Следует отметить, что операция стирания упрощается, если коэффициент связи α _B мал, так что оксидное поле максимизируется для заданного напряжения в лунке p .

В архитектурах флэш-памяти NAND необходимое падение напряжения для обеспечения того, чтобы туннелирование Фаулера – Нордхейма не распределялось между отрицательным и положительным напряжением, генерируемым двумя разными насосами заряда.Это требует создания большого отрицательного напряжения на кристалле, что усложняет конструкцию с накачкой заряда. С другой стороны, для туннелирования электронов не требуются большие токи; следовательно, энергопотребление уменьшается по сравнению с архитектурой NOR.

Многобитовая память

Емкость флэш-памяти EEPROM может быть увеличена за счет сохранения двух битов на ячейку, если в ячейке могут быть размещены четыре различных пороговых напряжения, а не два. Для надежной работы требуется, чтобы стандартное отклонение, связанное со статистическим распределением пороговых напряжений, было намного меньше, чем среднее расстояние между их центральными значениями.Это может быть достигнуто за счет более жесткого контроля инжектируемого заряда внутри плавающего затвора и более сложной процедуры считывания. В частности, при программировании необходимо контролировать пороговое напряжение, а количество и длительность записывающих импульсов контролировать с помощью подходящей логики.

Процедура считывания требует нескольких этапов, включающих два последовательных сравнения выходного тока с тремя эталонными токами, доступными с помощью соответствующим образом запрограммированных фиктивных элементов.При этом объем памяти удваивается для заданного размера массива за счет уменьшения времени доступа.

Надежность Flash EEPROM

Операции чтения и записи флэш-ячейки аналогичны операциям EPROM: следовательно, флэш-память подвержена таким же нарушениям чтения и программы, как показано на рисунке 4. В отличие от EPROM однако флеш-память может пройти несколько циклов программирования и стирания; следовательно, их проблемы с надежностью намного серьезнее.Большие оксидные поля, которые необходимы для возникновения электронного туннелирования, могут быть причиной деградации оксида затвора.

«Долговечность» ячейки СППЗУ относится к свойству выполнения нескольких операций записи и стирания без влияния на производительность памяти. С выносливостью связано сохранение данных, то есть свойство сохранять записанные данные неизменными в течение длительного времени (10 лет) с источником питания или без него. Потеря заряда во флэш-памяти может быть вызвана: (1) дефектами оксида затвора, (2) дефектами межполигонального диэлектрика (ONO) и (3) загрязнением подвижными ионами.

Деградация оксида затвора обычно происходит из-за захвата электронов во время циклов записи и стирания. Эта деградация может быть причиной преждевременного разрушения оксида или утечки низкого напряжения, что называется «ток утечки, вызванный напряжением» (SILC). Последний представляет собой аномально большой ток, протекающий через оксид затвора в относительно небольшом, но значительном количестве ячеек. SILC, по-видимому, происходит из-за просачивания электронов через ряд дефектов, расположенных внутри оксида.Это могло бы оправдать статистический характер SILC, который влияет только на небольшой процент флеш-ячеек.

Экспериментально было обнаружено, что процент клеток, затронутых SILC, сильно зависит от толщины оксида, которая, следовательно, не может быть масштабирована ниже 8–10 нм. Аналогичные соображения применимы к межполигональному диэлектрику, нижний предел которого составляет ~ 10–12 нм. Немасштабируемость оксида затвора и межполигонального диэлектрика, в свою очередь, не позволяет снизить напряжения программирования и стирания, что резко контрастирует с тенденцией масштабирования технологии CMOS.Кроме того, создание больших напряжений программирования и стирания с помощью зарядных насосов, работающих при малых напряжениях питания, является довольно неэффективным процессом, который делает функциональность флэш-памяти довольно громоздкой.

Из-за вышеупомянутых проблем в настоящее время используются два эволюционных подхода: память нанокристаллов и память SONOS. При первом подходе плавающий затвор будет заменен большим количеством нанокристаллов кремния, встроенных в оксид затвора.И программирование, и стирание будут выполняться путем туннелирования электронов через изолятор затвора. У нанокристаллов двоякое преимущество: во-первых, если существует протекающий путь перколяции, будет затронут только один нанокристалл, а не весь плавающий затвор; Далее, диэлектрик затвора может быть выполнен с размером всего 2 нм, что дает существенное преимущество для масштабных свойств ячейки, поскольку известно, что туннелирование электронов через тонкий изолятор затвора создает меньше оксидных дефектов.