1. Транзистор.
Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.
Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удаётся найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор "кирпичиков" с известными свойствами гораздо легче строить "здание" того или другого устройства.
Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе, например, в [1]), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.
Одна из первых проблем, возникающих перед разработчиком, - увеличение мощности транзистора. Её можно решить параллельным включением транзисторов (рис.1). Токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров способствуют равномерному распределению нагрузки.
Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включённых транзисторов.
Защита от перегрузки по току наиболее просто решается введением дополнительного транзистора (рис.2). Недостаток такого самозащитного транзистора - снижение КПД из-за наличия датчика тока R. Возможный вариант усовершенствования показан на рис.3. Благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, а значит, и рассеиваемую на нём мощность.
Для защиты от обратного напряжения параллельно выводам эмиттер-коллектор обычно включают диод, как, например, в составных транзисторах типа КТ825, КТ827.
Составной транзистор (рис. 4) имеет повышенное выходное сопротивление и значительно уменьшенный эффект Миллера благодаря каскодному включению полевого и биполярного транзисторов. За счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор, изображённый на рис.5, имеет ещё более высокие динамические характеристики. Единственное условие реализации такого транзистора - более высокое напряжение отсечки второго транзистора. Входной транзистор можно заменить на биполярный.
Одна из особенностей транзисторного ключа при изменяющейся нагрузке - изменение времени выключения транзистора. Чем больше насыщение транзистора при минимальной нагрузке, тем больше время выключения. Избежать глубокого насыщения можно путём предотвращения прямого смещения перехода база-коллектор. Наиболее простая реализация этой идеи с помощью диода Шоттки представлена на рис.6. На рис.7 изображён более сложный вариант - схема Бейкера.
При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжения базы "лишний" базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение. Далее показаны схемы ограничения насыщения относительно низковольтных ключей с датчиками тока базы (рис.8) и тока коллектора (рис.9).
При работе транзистора в ключевом режиме, когда требуется быстрое его переключение из открытого состояния в закрытое и обратно, иногда применяют форсирующую RC-цепочку (рис.10). В момент открывания транзистора заряд конденсатора увеличивает его базовый ток, что способствует сокращению времени включения. Напряжение на конденсаторе достигает падения напряжения на базовом резисторе, вызванного током базы. В момент закрывания транзистора конденсатор, разряжаясь, способствует рассасыванию неосновных носителей в базе, сокращая время выключения.
Повысить крутизну транзистора (отношение изменения тока коллектора (стока) к вызвавшему его изменению напряжения на базе (затворе) при постоянном Uкэ Uси)) можно с помощью схемы Дарлингтона (рис. 11). Резистор в цепи базы второго транзистора (может отсутствовать) применяют для задания тока коллектора первого транзистора. Аналогичный составной транзистор с высоким входным сопротивлением (благодаря применению полевого транзистора) представлен на рис. 12. Составные транзисторы, представленные на рис. 13 и 14, собраны на транзисторах разной проводимости по схеме Шиклаи.
Введение в схемы Дарлингтона и Шиклаи дополнительных транзисторов, как показано на рис. 15 и 16, увеличивает входное сопротивление второго каскада по переменному току и соответственно коэффициент передачи [2]. Применение аналогичного решения в транзисторах рис. 12 и 14 даёт соответственно схемы рис. 17 и 18, линеаризируя крутизну транзистора [3].
Широкополосный транзистор с высоким быстродействием представлен на рис. 19 [4]. Повышение быстродействия достигнуто в результате уменьшения эффекта Миллера аналогично рис.4 и 5.
"Алмазный" транзистор по патенту ФРГ представлен на рис. 20. Возможные варианты его включения изображены на рис.21 - 23. Характерная особенность этого транзистора-отсутствие инверсии на коллекторе. Отсюда и увеличение вдвое нагрузочной способности схемы рис.23.
Мощный составной транзистор с напряжением насыщения около 1,5 В изображён на рис.24. Мощность транзистора может быть значительно увеличена путём замены транзистора VT3 на составной транзистор (рис. 1).
Аналогичные рассуждения можно привести и для транзистора p-n-p типа, а также полевого транзистора с каналом p-типа. При использовании транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме возможны два варианта включения нагрузки: в цепь коллектора (рис.25-27) или в цепь эмиттера (рис.28-30).
Как видно из приведённых формул, наименьшее падение напряжения, а соответственно и минимальная рассеиваемая мощность - на простом транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора. Применение составного транзистора Дарлингтона и Шиклаи с нагрузкой в цепи коллектора равнозначно. Транзистор Дарлингтона может иметь преимущество, если коллекторы транзисторов не объединять. При включении нагрузки в цепь эмиттера преимущество транзистора Шиклаи очевидно.
Литература:
1. Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977.
2. Патент США 4633100: Публ. 20-133-83.
3. А.с. 810093.
4. Патент США 4730124: Публ.22-133-88. - С.47.
1. Увеличение мощности транзистора.
Резисторы в цепях эмиттеров нужны для равномерного распределения нагрузки; уровень шумов уменьшается пропорционально квадратному корню из количества параллельно включённых транзисторов.
Рис. 1.
2. Защита от перегрузки по току.
Недостаток-снижение КПД из-за наличия датчика тока R.
Рис. 2.
Другой вариант - благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, и на нём будет рассеиваться меньшая мощность.
Рис. 3.
3. Составной транзистор с высоким выходным сопротивлением.
Из-за каскодного включения транзисторов значительно уменьшен эффект Миллера.
Рис. 4.
Другая схема - за счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор имеет ещё более высокие динамические характеристики (единственное условие - второй транзистор должен иметь более высокое напряжение отсечки). Входной транзистор можно заменить на биполярный.
Рис. 5.
4. Защита транзистора от глубокого насыщения.
Предотвращение прямого смещения перехода база-коллектор с помощью диода Шоттки.
Рис. 6.
Более сложный вариант - схема Бейкера. При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжения базы "лишний" базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение.
Рис. 7.
5. Схема ограничения насыщения относительно низковольтных ключей.
С датчиком тока базы.
Рис. 8.
Рис. 9.
6. Уменьшение времени включения/выключения транзистора путём применения форсирующей RC цепочки.
Рис. 10.
7. Составной транзистор.
Схема дарлингтона.
Рис. 11, 12.
Рис. 13, 14.
Схемы Дарлингтона и Шиклаи с дополнительными транзисторами (нужны для увеличения входного сопротивления второго каскада по переменному току,и соответственно коэффициента передачи).
Рис. 15, 16.
То же самое для схем Дарлингтона и Шиклаи с полевыми транзисторами на входе.
Рис. 17, 18.
8. Широкополосный транзистор с высоким быстродействием (из-за уменьшения эффекта Миллера).
Рис. 19.
9. "Алмазный" транзистор.
Особенность этого транзистора-отсутствие инверсии на коллекторе.
Рис. 20.
Возможные варианты его включения.
Рис. 21, 22.
Схема с увеличенной вдвое нагрузочной способностью.
Рис. 23.
10. Мощный составной транзистор.
Рис. 24.
11. Использование транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме.
Включение нагрузки в цепь коллектора.
Рис. 25, 26, 27.
Включение нагрузки в цепь эмиттера.
Рис. 28, 29, 30.
| CONTENTS | NEXT |