Биполярные транзисторы

Рассмотрим два вида диодов, различающихся по функциональному назначению, принципу образования p-n-перехода и использованию тех или иных свойств:

— выпрямительные (для преобразования переменного тока в постоянный). Они характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи до десятков и сотен ампер при допустимых обратных напряжениях до 1000В. Их условное обозначение приведено на рисунке 10.4 б);

— стабилитроны (служат для поддержания неизменным падения напряжения на нем при изменениях в несколько раз тока, протекающего через него). Стабилитроны используют участок ВАХ p-n-перехода, соответствующий обратному электрическому пробою. Их условное обозначение приведено на рисунке 10.5 а).

Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном включают резистор Ro (рис 10.5, а), ограничивающий ток Iст, который является обратным для p-nструктуры стабилитрона (рис 10.5, б)

а) б) в)

Рис 10.5

10.1.2. Биполярные транзисторы – полупроводниковые приборы, состоящие из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (p-n-pили n-p-n) с выводом от каждой области. На рис 10.6. показан транзистор n-p-nтипа, его принцип действия и условное обозначение.

Рис 10.6

На рис 10.7. показан транзистор p-n-p типа, его принцип действия и условное обозначение.

Рис 10.7

В транзисторе n-p-nтипа чередующиеся области образуют два p-n-перехода: база – эмиттер (БЭ) и база – коллектор (БК). Под действием прямого напряжения Ебэ, приложенного к переходу БЭ, электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрация примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь небольшая часть (1…5%) «испущенных» эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы, а большая часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, “собирается” коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к полюсу внешнего источника Ек, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн.

Электроны, рекомбинировавшиеся с дырками базы, составляют ток базы Iб. Ток коллектора Iк определяется при этом как разность тока эмиттера Iэ и тока базы Iб:

Iк=Iэ-Iб=αIэ,

где α=0.95…0.98 – коэффициент передачи тока эмиттера.

В транзисторе p-n-p типа эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, при этом полярности прикладываемых к нему прямого Ебэ и обратного Екнапряжения должны быть противоположны транзистору n-p-nтипа. Стрелка на условном обозначении транзисторов ставится на эмиттере и направлена всегда от p-области к n-области.

Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления по току КI, напряжению КU и мощности Кр:

КI=; КU=;

Кp=КI КU.

Пример схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе p-n-pтипа с общим эмиттером (ОЭ) приведен на рис. 10.8.

Рис 10.8

10.1.3. Полевые(униполярные) транзисторы – полупроводниковые приборы, имеющие три электрода: исток, сток и затвор. Между истоком и стоком в кристалле полупроводника, из которого выполнен транзистор, расположен канал, через который течет ток транзистора.

В отличие от биполярных транзисторов ток через p-nпереходы не течет, а течет только через канал в полупроводнике одного типа проводимости n илиp. Так как направление тока в полевом транзисторе от истока (И) через канал к стоку (С), а управление осуществляется напряжением между затвором (З) и истоком (И), то исток соответствует эмиттеру биполярного транзистора, сток – коллектору, а затвор – базе.

В зависимости от способа изменения проводимости канала транзисторы делятся на:

— транзисторы с управляющим p-nпереходомN-каналом и Р-каналом (рис. 10.9. 1 и 10.9.2 соответственно)

— транзисторы с изолированным затвором (рис. 10.9. 3) и 4);

Рис 10.9

Так как управляющий p-n-переход всегда заперт, у полевых транзисторов практически отсутствует входной ток. Благодаря этому они имеют большое входное сопротивление и практически не потребляют мощность от источника управляющего сигнала, что выгодно отличает их от биполярных транзисторов

Как и биполярные, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим затвором (ОЗ), с общей базой (ОБ) и с общим истоком (ОИ). Как правило, используют схему с ОИ, т. к. она, подобно схеме с ОЭ биполярных транзисторов, позволяет получить значительные коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности одновременно.

Пример усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим p-nпереходом с общим истоком представлен на рис. 10.10.

Рис 10.10

Изменяя напряжение Uвх на затворе, можно менять ток через сопротивление нагрузки Rн и выходное напряжение Uвых. В настоящее время в полупроводниковых преобразовательных устройств широко используются гибридные биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT), которые обладают достоинствами как биполярных, так и полевых (униполярных) транзисторов.

10.1.4. Тиристоры – полупроводниковые приборы с тремя или более p-nпереходами, которые имеют два устойчивых состояния (закрытое и открытое) и применяются как мощные электронные ключи.

В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки миллионов ом, и он практически не пропускает ток при напряжении до тысячи вольт. В открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно, падение напряжения на нем около 1 вольта при токах в десятки и сотни ампер.

Среди тиристоров выделяются диодные (рис. 10.11) и триодные (рис. 10.12.) тиристоры

Рис 10.11

Рис 10.12

Переход диодного тиристора из одного состояния в другое осуществляется изменением значения или полярности напряжения на выводах.

Триодный тиристор снабжен третьим управляющим электродом (УЭ) от слоя p2 (рис. 10.12 а) или от слоя n1 (рис 10.12 г). Подавая импульс тока управления Iу, можно вызвать лавинообразное увеличение тока при U<Uвкл (рис. 10.11 в) ). Чем больше ток управления Iу, тем меньше напряжение включения тиристора.

Обратный переход из открытого состояния в закрытое с помощью УЭ у части тиристоров невозможен, у другой части заранее осуществимо, что указывается засечками на УЭ (рис. 10.12 д)

10.2.  Источники вторичного электропитания

Источники электрической энергии, необходимой для питания любой электронной аппаратуры, принято делить на источники первичного и вторичного электропитания.

Источники первичного электропитания:

— трехфазные (или однофазные) сети промышленной частоты 50 Гц (для стационарной аппаратуры) и генераторы постоянного или переменного напряжений повышенной частоты 400-500 Гц;

— химические гальванические элементы и солнечные батареи (используются только для питания бортовой аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах и требующих автономного электропитания).

Источники вторичного электропитания выполняют функцию вида:

— преобразование вида тока (переменный – постоянный);

— стабилизации и регулировки напряжения или тока;

— фильтрации различных помех, возникающих при переключении, стабилизации и регулировке напряжения.

10.2.1. Выпрямительные устройства

Эти устройства служат для преобразования синусоидального напряжения в напряжение постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

Однополупериодноый выпрямитель (рис. 10.13)

Рис 10.13

Ток i2через диод VД переходит в нагрузку RHтолько в положительные полупериоды напряжения u2 , в отрицательные полупериоды напряжения u2 диод заперт. Следовательно, ток i2имеет прерывистый характер, а его постоянная составляющую I0=I2m/πпредставляет собой среднее значение тока за период. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения на RHопределяется законом Ома: