Немного о транзисторах.

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры. Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во «включенном» и «выключенном». Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер
Uбэ = напряжение база-эмиттер
Ic = ток коллектора
Iб = ток базы

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер.
Постоянное напряжение коллектор – база.
Постоянное напряжение эмиттер – база.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Постоянный/импульсный ток коллектора.
Коэффициент передачи по току
Максимально допустимый ток
Входное сопротивление
Рассеиваемая мощность.
Температура p-n перехода.
Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб 0 2

Источник

Максимальный постоянный ток через полевой транзистор

На просторах интернета достаточно много информации о полевых транзисторах (далее ПТ) и их параметрах, но один из довольно простых, на первый взгляд, параметров, а именно – максимальный постоянный ток, который транзистор может через себя пропустить в ключевом режиме, и не сгореть – приводится в даташитах как-то размыто и неочевидно.

В статье будет рассмотрен пример расчёта максимального тока через MOSFET SQM50P03-07 (взял первый попавшийся из своей схемы), работающий в ключевом режиме, или на участке насыщения.

Сначала немного теории, чтобы понять в чём же вообще суть проблемы. Кому просто нужно посчитать ток – переходите сразу к практике.

Теория

Если кратко, то основным параметром, который ограничивает максимальный ток через ПТ, является температура, точнее её рост. Даже при работе в ключевом режиме, когда ток течёт через исток-сток, транзистор имеет некоторое сопротивление, для мощных MOSFET это значение может быть всего несколько мОм (не самое большое и не самое маленькое значение среди ПТ). При прохождении тока через такое сопротивление на нём рассеивается некоторая мощность (переходящая в тепло, транзистор нагревается). Рассеиваемая мощность прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через ПТ.

Проблема в том, что максимальный ток (DC), как и максимальную рассеиваемую мощность, зачастую не указывают в документации напрямую, вот, например, скрин из даташита на SQM50P03-07:

Continuous Drain Current указан 50 ампер, но со сноской, что это ограничение корпуса, т.е. ток, больше чем этот, физически не может пропустить через себя сам корпус без разрушения структуры.

Maximum Power Dissipation для разных температур 150 и 50 Вт, но со сноской, что это при пропускании тока импульсами, где за 1 период 98% времени транзистор «выключен», и остальные 2% он «включен» (напомню, нас интересует постоянный ток).

Так вот, для расчёта максимального тока через ПТ, важным параметром здесь является максимальная температура. Из даташита видно, что она 175 °C (Operating Junction and Storage Temperature Range), от неё и нужно отталкиваться в расчётах. Нужно определить какой ток нагреет полупроводниковый канал транзистора до 175 °C, но дальнейшее увеличение температуры не будет происходить за счёт передачи тепла в окружающую среду (охлаждения), это и будет значение тока, которое нам нужно.

Нагревание транзистора, как и любого другого тела, процесс сложный и зависит от многих параметров. Чтобы максимально упростить связанные с тепловыми расчётами действия, вводится параметр тепловое сопротивление, т.е. способность чего-либо, препятствовать распространению тепла. Чем тепловое сопротивление больше, тем медленнее будет охлаждаться ПТ, и тем быстрее вырастет до критической температура его кристалла. Так же, чем больше разница между максимально допустимой температурой на кристалле и окружающей средой, тем дольше ПТ будет нагреваться, и тем больший ток можно будет через него пропускать.

У каждого материала тепловое сопротивление своё, а транзистор, в свою очередь, состоит из подложки (тела), на которой формируется проводящий канал, изолятора, самого корпуса, который может тоже состоять из нескольких материалов, само собой они ещё и разной толщины, что тоже влияет на передачу тепла.

Кроме того, охлаждать транзистор тоже можно по-разному, на некоторых, есть большая контактная площадка, которая припаивается к плате или крепится к радиатору, в таких случаях тепловое сопротивление минимально. Некоторые транзисторы не имеют таких площадок и контактируют с окружающей средой только через пластиковый корпус, через который отдают тепло гораздо медленнее.

В итоге получается примерно следующая схема:

Как было отмечено ранее, ПТ можно охлаждать по-разному, и все возможные варианты в даташите предусмотреть просто невозможно, однако, обычно приводятся самые распространённые:

Хотя там есть параметр Junction-to-Foot, допустим, нам интересно именно тепловое сопротивление Junction-to-Ambient, а оно приведено только для времени менее 10 секунд. В таком случае, можно порыться на сайте производителя и найти модели тепловых сопротивлений. В таких документах есть график зависимости разности температур Junction-Ambient от времени:

Из графика видно, что после 1000 секунд, значительный рост изменения температуры прекращается. В этом режиме разность температур численно равна тепловому сопротивлению. Следовательно, для постоянного тока можно ориентироваться на значение 80 °C/Вт – тепловое сопротивление Junction-to-Ambient.
(немного подробнее в комментарии)

Может не у всех фирм есть эта информация, но корпуса ПТ у всех в основном стандартные, достаточно найти данные по сопротивлениям для интересующего нас корпуса другой фирмы.
Когда разработчиком определено как именно будет охлаждаться ПТ, температура окружающей среды, в которой будет работать устройство, после этого, можно, наконец, приступить к расчёту.

Практика

Рассмотрим пример определения максимального постоянного тока через MOSFET SQM50P03-07 в ключевом режиме, который припаян к плате размером 300х300 мм (без радиатора). Плата будет работать в воздухе, при максимальной температуре 45 °C. Управлять ПТ будем, подавая на его затвор, напряжение в 5 вольт.

1. TJMAX

Температура окружающей среды. Берём максимально возможную температуру, в которую транзистору придётся отдавать тепло, по начальным условиям TA=45°C.

3. RΘJA

В даташите находим тепловое сопротивление проводящего канала транзистора к окружающей среде, притом ниже есть пометка, что это сопротивление актуально, если ПТ припаян к плате размерами больше 1 дюйма квадратного (в этом случае часть тепла уходит на плату, и при таких её размерах, с транзистора осуществляется необходимый теплоотвод):

Таким образом, RΘJA= 40 °C/Вт.

4. RDS(ON)

Максимальное сопротивление drain-source (сток-исток), при определённом управляющем напряжении на затворе. Информацию можно взять из таблицы, но там приводятся значения сопротивления канала только при напряжениях затвора в 10В и 4.5В, а у нас по плану 5 вольт. Разница, конечно, небольшая, можно взять и 4.5В:

Лучше всё-так найти в даташите график зависимости сопротивления канала от приложенного к затвору напряжения:

Нужно обратить внимание на то, что в случае с таблицей, данные приводятся для TC = 25 °C (температура подложки), а в случае с графиком есть 2 варианта: TJ = 25 °C и TJ = 150 °C (температура канала). В выбранном примере канал будет греться до 175°C (как было определено в первом пункте расчёта). Получается, что в данный момент лучше пользоваться не таблицей, а графиком, для определения сопротивления канала, т.к. данное в таблице значение при TC = 25 °C – это не то, что нам сейчас интересно.

Итак, 8 мОм (0,008 Ом) – это сопротивление канала при его температуре 25 °C. Чтобы определить сопротивление при температуре TJMAX=175°C ищем график зависимости нормализованного сопротивления канала от его температуры:

По горизонтальной оси здесь температура соединения, а по вертикальной коэффициент приращения к сопротивлению. Можно заметить, что при 25 °C он равен 1 (величина безразмерная), т.е. то значение, которое ранее было определено (8 мОм), находится на этом уровне. При температуре 175 °C, коэффициент равен примерно 1,69.

Чтобы найти сопротивление канала при TJ=175°C, нужно умножить сопротивление при 25 °C на коэффициент при 175°C. Получаем 0,008 * 1,69 = 13,52 мОм. RDS(ON)=13,52 мОм (0,01352 Ом).

5. IDMAX

Теперь можно по формуле ниже, определить максимальный ток (DC), который может пропустить транзистор:

Получаем 15,504 ампера.

Однако расчёты с использованием тепловых моделей, основанных на тепловых сопротивлениях, имеют погрешность, которая возникает вследствие упрощения тех самых моделей. Поэтому рекомендуется делать запас по току хотя бы 20 %. Делаем последний расчёт и получаем 12,403 ампера. Это и есть то значение тока, которое SQM50P03-07 может через себя пропустить в режиме насыщения и не сгореть, при заданных выше начальных условиях.

Обратите внимание, как значение в 12 А, отличается от того, что обозначено на первых страницах даташита (50 А, 150 А), такие цифры поначалу сбивают с толку, если не разобраться со всеми нюансами.

В заключении пару слов о Safe Operating Area, это диаграмма, показывающая зоны нормальной работы транзистора в разных режимах. Для того же SQM50P03-07 в даташите есть SOA, однако, как можно заметить, она приведена для температуры канала в 25 °C (не наш случай)

К тому же, далеко не во всех даташитах есть прямая, ограничивающая зону работы по DC, хотя, для грубой оценки, можно использовать и эти данные.

Источник

Транзисторы для начинающих

Безопасная зона работы

Ток коллектора

В начале вопрос: может ли быть ток коллектора бесконечно большим? Теоретически, увеличением тока базы, вы можете свободно увеличивать ток коллектора.

Тем не менее, в той или иной схеме максимальный ток коллектора транзистора только в состоянии насыщении и, главное, не определяется транзистором, а только напряжением питания и сопротивлением нагрузки. При снижении сопротивления нагрузки увеличивается ток.

Значение этого тока, зависит от конструкций и толщины переходов транзистора.

При протекании тока через сопротивление, выделяется тепло. Вы наверное, догадываетесь, или, может быть, вы видели своими глазами, что связи между слоями кремния транзистора и проводники сделаны из тонкой проволоки. Хотя ее часто делают из золотой проволоки, они при избыточном токе ведут себя как самые обычные предохранители – разогреваются и перегорают.

Не только проводники. Кремниевая структура транзистора так же имеет не большие геометрические размеры. Если пропустить большой ток через эту структуру имеющую малое сечение, мы получим, ток очень большой плотности. Не забывайте, мы имеем дело с чувствительной структурой полупроводника и чрезмерное увеличение плотности тока приводит не только к повышению температуры, а также целый ряд других негативных явлений. Я буду говорить только об уменьшении коэффициента усиления по току (β) с ростом тока коллектора.

Таким образом. Ограничение коллекторного тока производителем обосновано допустимой плотностью тока, и температурой плавления структуры, вы не можете ее превышать.

Если вы думаете о мгновениях, то можно придти к выводу, что если транзистор будет работать в импульсном режиме, открылся, пропустил ток только на короткое мгновение, за это мгновение структура не успевает разогреться и расплавиться. Таким образом, ток в импульсе может быть и больше максимальной ток в не прерывном режиме.

Вы правы! В каталогах часто приводят максимальном токе коллектора при непрерывной работе и максимальный ток коллектора для импульса. Вы можете это увидеть в характеристиках силового транзистора.

Но сейчас, мы не будем связываться с этим вопросом. Как вы думаете или если не превышать ток Icmax каталога, и напряжения UCEmax, ваш транзистор не находится в опасности?

Рассеиваемая мощность

Мы начинаем обсуждать важную и, как выясняется – трудную тему. Но вы должны понять ее! Самую сложную информацию я дам вам в следующем месяце, а сейчас все элементарно.

Наверное, вы слышали такой термин: мощность транзистора.

Что такое мощность транзистора? И что такое общая мощность?

Термин мощность относиться ко многим устройствам:
Двигатель имеет мощность 100 Вт,
Электрический обогреватель имеет мощность до 2000 Вт,
Паяльник 40 Вт,
У нас есть две лампочки в 60 Вт, одна на 220 Вольт, другая на автомобильные 12 Вольт.

Все эти машины используют электроэнергию от источника и конвертируют ее в другие формы энергии: тепло в механическую энергию (двигатель) энергию света (лампа).

Чем больше мощность, тем больше энергии потребляет в каждый момент это устройство. Обе эти лампы потребляют ту же мощность 60 Вт. В чем разница? Конечно, что одна работает при напряжении 12 вольт и потребляет 5 ампер тока (12Вх5A=60W) а другая, которая работает при напряжении 220 В, потребляет немного больше чем 0,27 ампер (что также дает 220×0,27=60 Вт).

Таким образом, одни и те же мощности могут быть достигнуты с различными токами и напряжениями. Вот простые формулы, необходимые для расчета мощности. Я беру электрические оборудование, работающего на постоянном токе (переменный ток работающий на активное сопротивление). Запомните раз и навсегда:

Возвращаясь к вопросу о мощности транзистора: это мощность, рассеиваемая нагрузкой? Может мощность, рассеиваемая транзистором? Или, может быть даже что-то еще? Ранее я объяснил вам, что коллекторная цепь – это регулируемый источник тока, а не переменный резистор, однако это не меняет тот факт что, когда через структуру транзистора будет течь ток будут потери мощности на тепло. Величина этих потер, определяется по формуле: P UCE IC Где Uce это напряжение между коллектором и эмиттером, Ic – ток коллектора. Строго говоря, мы должны так взять во внимание потери мощности в базовой цепи Ube*Ib, но так как эта мощность очень маленькая, по сравнению с мощностью рассеваемой на коллекторе, она не учитывается.

И что происходит дальше с этим теплом? Если оно остается в транзисторе?

Ни в коем случае! У вас нет ни каких сомнений, что если транзистор не будет хорошо термоизолирован от окружающей среды, это выделяемое тепло приведет к повышению температуры. И это вредное тепло необходимо рассеять во внешней среде. Смотри рисунок 43.

Тут работает простой принцип: тепло передается от горящего к холодному.

Вы уже знаете, что такое потери мощности транзистора. Но именно здесь, кроиться кардинальная ошибка начинающих. Они рассуждают следующим образом: если транзистор может работать при максимальном напряжении коллектора UCE0 и максимальном токе коллектора Icmax, максимальная «мощность транзистора» равна Р = UCE0 × ICmax.

Это абсолютная ерунда, нельзя так просто рассчитать мощность. Посмотрите в каталог любого транзистора и найдите там его мощность, она обозначается Ptot. Запомните раз и навсегда: общая мощность транзистора всегда меньше чем произведение Р = UCE0 × ICmax.

А теперь вычислите. Какая мощность рассеивается на транзисторе, а какая на нагрузке схем на рисунке 44. Возьмем схему 44а, сначала рассчитаем напряжение на резисторе, потом на транзисторе, а потом обе мощности. Напряжение на резисторе:

Мощность рассеиваемая на резисторе:

(То же самое можно вычислить по формуле ) Напряжение на транзисторе:

Мощность рассеиваемая на транзисторе:

Для других схем на рисунке 44, рассчитайте самостоятельно.

Как вы можете видеть, расчеты совсем не сложные. Таким образом, мы идем дальше. Вы уже знаете три условия работы транзистора:
1 Напряжение питания не должно быть больше, чем указанное в каталоге напряжение UCE0. Самое высокое напряжение присутствует на коллекторе транзистора в состоянии отсечки.
2 Ток коллектора не может быть больше, чем ICmax. Самый большой ток протекает через транзистор в состоянии насыщения.
3 Рассеиваемая мощность транзистора, ни при каких обстоятельствах не превышает допустимую Ptot.

В любом случае, мы достигли пиковой точки нашего сегодняшнего обсуждения: проектируемая схема должны вписываться в безопасную рабочую область транзистора. В каталогах она часто обозначается SOAR или SOA. Это сокращение от английского область безопасной работы (Area). Рисунок 47 показывает безопасную рабочую область для транзистора BD243 и BD244.

На данный момент, вы можете придерживаться простого правила: используйте транзисторы с параметрами выше необходимого минимума. На практике, как правило, для безопасной работы используют транзисторы с параметрами на 50…100% выше, чем расчетные, напряжение, ток, мощность. Тогда у нас есть запас прочности, и не придется беспокоиться о надежности. Использование транзисторов «больше и сильнее» также выгодно по ряду других причин при возможной небольшая разнице в цене, которая не имеет значения. Но не подобает использовать силовые транзисторы и транзисторы высокого напряжения, там где это не нужно.

Казалось бы, что все просто и легко, при выборе условий работы транзистора (напряжение питания и сопротивление нагрузки) и можете сами установить транзистор в разрешенный диапазон. Действительно учесть напряжение и максимальный ток, это просто, но потери мощности определить не так просто. На кону здесь два важных вопроса вы должны понять:
— Зависимость потерь мощности от напряжения питания и сопротивления нагрузки,
— Вопрос отвода тепла от транзистора.

Сегодня мы ответим только на первый вопрос.

Часто, не требуется считать потери мощности указанным выше способом. На практике, как правило, нас интересует самый худший случай. Если рассчитать потери мощности в худшем случае нет необходимости проводить дальнейшие расчеты.

Рисунок 48 помогает понять, что я имею в виду, говоря о худшем случае. Транзистор работает с сопротивлением нагрузки RL при постоянном напряжении питания (в данном случае, RL = 250 Ом, Usup = 20В).

Что можно понять из того рисунка?

Рисунок 48b это то же самое что и на рисунке 44г. Когда нет базового тока, то нет и коллекторного тока и напряжение на коллекторе равно напряжению питания. Когда вы пустите ток в базу, и начнете его увеличивать, увеличиться ток коллектора а напряжение на нем уменьшиться. Зная напряжение питания и сопротивление нагрузки RL можно выполнять вычисления для нескольких или нескольких десятков значений напряжения UT. Вы можете рассчитывать не только ток коллектора, но и мощность, рассеиваемая на нагрузке, и на транзисторе для различных напряжений коллектора (т.е. различных токах базы). По этим значениям можно построит график такой как на рисунке 48г.

На этом рисунке синей линей я изобразил зависимость тока от напряжения Uсе (напряжение на транзисторе), шкала тока находиться слева. Здесь простая нагрузка Rl. Красная линия – потери мощности на транзисторе. Фиолетовая, какая мощность рассеивается на нагрузочном резисторе. (Внимание! Шкала мощности нарисована справа).

Примечание: в отсутствие тока базы и тока коллектора, потери мощности транзистора равны нулю, потому что P = Usup × 0. На рисунке 48б показана точка А. Очевидно в состоянии отсечки ток не течет, и нет потери мощности на транзистор и на нагрузке.

Теперь обратите внимание на то, что происходит в состоянии насыщения – посмотрите на точку B. Хотя сейчас ток очень большой, но напряжение на транзисторе очень мало (Ucesat напряжения насыщения десятки или сотни милливольт). Таким образом, рассеивание тепла в режиме насыщения транзистора мало, можно сказать, близко к нулю, потому что P = Ucesat × I. Вы удивлены?

Оказалось, что в состоянии насыщения, когда ток самый большой, рассеиваемая мощность транзистора практически равна нулю! Да, это так! Высокая мощность (P = Usup × I) рассеивается, на сопротивлении нагрузки, а не на транзисторе. Короче говоря, если транзистор работает как переключатель, во время открытия и насыщения он выделяет очень мало тепла. Прямо сейчас вы должны знать, что потери при импульсе будут только на короткое время переключения. К этой проблеме мы еще вернемся. В настоящее время нас интересует работа в линейном режиме.

Как вы можете видеть на рисунке 48b, сама большая мощность рассеивается на транзисторе когда напряжение на коллекторе равно половине напряжения питания. И это тот самый худший случай, о котором я упоминал. Худший, так как потери мощности на транзисторе самые большие. На рисунке 48б это показано точкой С.

Как вы можете видеть, потери мощности на транзисторе при этом равна потери мощности на нагрузке. Если это так, то максимальная рассеиваемая мощность, при каких пропорциях, может быть рассчитана очень просто: потому что в худшем случае рассеиваемая мощность транзистора равна рассеиваемой мощности на сопротивлении нагрузки RL. Тогда значение напряжения делим на две равные части и считаем


Это расчетная мощность, очевидно, не может быть больше чем указанная в каталоге мощность транзистора Ptot.

Эта формула позволяет вычислить минимальное сопротивление нагрузки для данного напряжения питания и мощности из каталога:

По ней также можно рассчитать максимальное напряжение для данного сопротивления нагрузки и выбранной мощности

Вы можете не быть орлом в математике, но эти формулы нужно запомнить или записать себе на видном месте.

Можно спросить, как эти расчеты соотнести с кривой допустимой мощности рассеивания на рисунках 45 и 46?

Это интересный вопрос!

Давайте посмотрим вместе, смогут ли наши транзисторы с характеристиками на рисунках 45 и 46 работать в схеме, показанной на рисунке 48а при напряжении 25В с сопротивлением нагрузки 250Ω, где напряжение на транзисторе может плавно изменяться от нуля до полного напряжения?

Рассчитаем потери мощности в худшем случае:

Потому что во время работы может возникнуть самая тяжелая ситуация, и наш транзистор будет перегружен. Но если он будет работать в ключевом режиме, т.е. находиться в одном из двух состояний: отсечки или насыщения. Так как в обоих этих условиях мощность, рассеиваемая на транзисторе равна или близка к нулю, насколько это возможно. И нам не нужно, прибегать в расчетах к наихудшему случаю, потому что в схемах переключения такое состояние не встречается.

Возвращаясь к рисунку 45, можно сказать, что мы не превысили допустимые потери мощности, и наша нагрузка находиться в безопасной рабочей области транзистора. Некоторые примеры можно найти на рисунке 49 при простой нагрузке для различных напряжений питания и различные сопротивлений.

На рисунке 49 нагрузка показана прямой линией. Попробуйте самостоятельно построить подобных линий на рисунках 46 и 47. Будет ли это легко? Проверьте, построив несколько точек.

Задача 1

Транзистор имеет следующие параметры: UCE0=25V, ICmax=300mA, Ptot=100mW. Дорисуйте на рисунке 50 кривые максимальной выходной мощности 100 мВт. Рассчитайте максимально мощность (в худшем случае) при условии транзистора в следующих условиях:
1.Uzas = 10V, RL = 1kΩ
2.Uzas = 25V, RL = 390Ω
3.Uzas = 9V, RL = 51Ω
4.Uzas = 25V, RL = 100Ω

Отметьте эти случаи на рисунке 50. Может ли транзистор может работать при таких условиях?

Источник