Схема проверки обратного тока коллектора мощных транзисторов. Биполярные транзисторы. For dummies. Как борются с обратным коллекторным током
7.
На рис. 4 для р-
n
-р
-транзистора
показаны дырочные потоки инжекции
,
рекомбинации
и экстрации
.
На энергетической зонной диаграмме все
они «протекают» в валентной зоне
транзистора. Эти потоки создают дырочный
ток эмиттера
и коллектора
,
поскольку в базу из внешней цепи
устремляется поток электронов
(ток течет из базы), компенсирующих убыль
свободных электронов базы, исчезнувших
в процессе рекомбинации с дырками
,
так что
.
Эмиттерный ток по существу является прямым током полупроводникового диода с несимметричным р- n -переходом (см. п.6 работы № 44) и определяется формулой
|
|
Где
- тепловой дырочный ток эмиттера,
определяемый потоком
через ЭП:
- элементарный заряд;
- прямое напряжение смещения ЭП (доли
1В);
- коэффициент диффузии дырок в базе;
- площадьр-
n
-перехода.
Динамическое (дифференциальное) сопротивление эмиттерного перехода обратно пропорционально эмиттерному току
|
|
и
при
и
равно
.
Коллекторный ток содержит две составляющие. Одна из них является обычным током полупроводникового диода с несимметричным р- n -переходом при обратном включении напряжения (см. п.7 работы № 44) и определяется формулой
|
|
где
- тепловой дырочный ток коллектора,
определяемый потоком
через КП;
и
.
Характерное значение теплового тока
приТ
= 300К 2-5мкА для германиевых и 0,01 – 0,1мкА
– для кремниевых транзисторов. При
повышении температуры на каждые 10 о С
тепловой ток практически удваивается.
Поскольку его зависимость от температуры
(термогенерация дырок
)
очень сильная, то этот ток оказывает
дестабилизирующее действие на работу
транзистора. В формуле (4) ток
направлен в сторону базы, ток
направлен из базы в коллектор. Вторая
составляющая тока транзистора является
током экстракции
,
определяемым из условия (1):
,
так что
В
формуле (6) основной составляющей является
ток
,
поскольку
.
Динамическое сопротивление коллекторного перехода равно
|
|
Где
- коэффициент, зависящий от концентрации
донорных атомов в базе, от ширины базы
и от диффузионной длины
.
При
и
получим
.
Схемы включения транзисторов
8.
К внешним источникам напряжения
транзистор может подключаться в
соответствии с одной из трех схем: с
«общей базой» (рис.6), с «общим эмиттером»
(рис.7) и с «общим коллектором» (рис.8).
Ч
асто
при этом «общий» (для источников
напряжения) вывод транзистора соединяется
с корпусом приборов (заземляется). На
рис. 6-8 показаны значения прямого
напряжения смещения
на ЭП и обратного напряжения смещения
на КП, выраженные через напряжения
источников питания. Мы рассмотрим два
наиболее часто
встречающихся на практике варианта схемы.
А
.Схема с общей
базой
Входным
здесь является ток эмиттера
,
входным напряжением – напряжение
.
Так как на ЭП
,
то из выражения (2) уравнение «входных
статических характеристик» транзистора
соответствует обычным вольт-амперным
характеристикам диода при прямом его
включении. Семейство входных
характеристик, определяемых зависимостью
|
|
показано
на рис. 9. Оно очень слабо зависит от
напряжения
,
но существенно смещается влево с
увеличением температуры вследствие
возрастания
.
Входное динамическое сопротивление транзистора определяется по входным характеристикам как
|
|
Оно
приблизительно равно сопротивлению
.
В схеме с общей базой
выходными
являются ток
и напряжение
,
причем на КП
.
Уравнением
«выходных статических характеристик»
является выражение (6), которое показывает,
что ток
не зависит от напряжения
и определяется лишь токами
и
.
Такие «эквидистантные по приращению
тока
»
характеристики должны быть параллельны
оси напряжения
.
Реальные выходные характеристики
|
|
отличаются
от теоретических, прежде всего, при
положительном на коллекторе значении
,
когда коллектор перестает быть
потенциальной ямой для дырок базы и
нарушается режим экстракции.
При
отрицательной полярности (на коллекторе)
напряжения
,
вследствие отмеченной в п. 2 «модуляции»
ширина базы
,
происходит некоторое увеличение
коэффициента
и возрастание тока
с увеличением напряжения
.
Коллекторные вольт-амперные характеристики
получают слабый наклон. Семейство
выходных статических характеристик
транзистора в схеме с общей базой
показано на рис.10. С повышением температуры
растет ток
,
и все семейство характеристик сдвигается
вверх.
С помощью этих характеристик можно найти динамическое выходное сопротивление транзистора
несколько
отличающийся от
.
П
оскольку
,
в схеме с общей базой нельзя получить
усиления тока, т.е.
.
Транзистор здесь работает как усилитель
напряжения или как усилитель мощности.
Если напряжение
на ЭП содержит переменную составляющую
,
то переменную
составляющую
будет иметь и ток эмиттера: из выражения
(9) следует
.
Поэтому в соответствии с (12) переменная
составляющая тока коллектора.
Для получения переменного напряжения
на выходе транзистора в его коллекторную
цепь включают нагрузочное сопротивление
,
через которое протекает ток
,
так что
.
Коэффициент усиления по напряжению
|
|
Нагрузочное
сопротивление выбирает из условия
.
Поэтому,
где
,
и
,
так как
.
Следовательно, коэффициент усиления
по напряжению в схеме транзистора с
общей базой пропорционален отношению
сопротивлений КП и ЭП.
УДК 621.382.3.083.8:006.354 Группа Э29
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
ТРАНЗИСТОРЫ
Метод намерения обратного тока коллектора
Method for measuring collector reverse current
(СТ СЭВ 3998-83)
ГОСТ 10864-68
Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 14 июня 1974 г. № 1478 срок введения установлен с 01.01.76
Проверен в 1984 г. Постановлением Госстандарта от 29.01.85 № 184 срок действия продлен ДО 01.01.94
Несоблюдение стандарта преследуется по закону
Настоящий стандарт распространяется на биполярные транзисторы всех классов и устанавливает метод измерения обратного тока коллектора I к бо (ток через переход коллектор - база при заданном обратном напряжении на коллекторе и при разомкнутой цепи эмиттера) свыше 0,01 мкА.
Стандарт соответствует СТ СЭВ 3998-83 в части измерения обратного тока коллектора (справочное приложение).
Общие условия при измерении обратного тока коллектора должны соответствовать требованиям ГОСТ 18604.0-83.
1. АППАРАТУРА
1.1. Измерительные установки, в которых используются стрелочные приборы, должны обеспечивать измерения с основной погрешностью в пределах ±10% от конечного значения рабочей части шкалы, если это значение не менее 0,1 мкА, и в пределах ±15% от конечного значения рабочей части шкалы, если это значение менее 0,1 мкА.
Для измерительных установок с цифровым отсчетом основная погрешность измерения должна быть в пределах ±5 % от измеряемого значения ±1 знак младшего разряда дискретного отсчета.
Издание официальное Перепечатка воспрещена
* Переиздание (декабрь 1985 г.) с Изменениями № 1, 2, утвержденными в августе 1977 г., апреле 1984 г.
ГНУС 9-77, 8-84).
Для импульсного метода измерения I%бо при использовании стрелочных приборов основная погрешность измерения должна быть в пределах ±15% от конечного значения рабочей части шкалы, если это значение не менее 0,1 мкА, при использовании цифровых приборов-в пределах ±10% от измеряемого значения ±1 знак младшего разряда дискретного отсчета.
1.2. Допускаются токи утечки в цепи эмиттера, не приводящие к превышению основной погрешности измерения сверх значения, указанного в п. 1.1.
2. ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЮ
2.1. Структурная электрическая схема для измерения обратного тока коллектора должна соответствовать указанной на чертеже.
испытуемый транзистор
(Измененная редакция, Изм. № 2).
2.2. Основные элементы, входящие в схему, должны соответствовать требованиям, указанным ниже.
2.2.1. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении измерителя постоянного тока ИП1 не должно превышать 5 % от показаний измерителя постоянного напряжения ИП2.
Если падение напряжения на внутреннем сопротивлении измерителя постоянного тока ИП1 превышает 5 %, то необходимо увеличить напряжение источника питанияч U с на значение, равное падению напряжения на внутреннем сопротивлении измерителя постоянного тока ИП1.
2.2.2. Пульсация напряжения источника постоянного тока коллектора не должна превышать 2%.
Значение напряжения U K указывают в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов и контролируют измерителем постоянного напряжения ИП2.
2.3. Допускается проводить измерение 1кбо мощных высоковольтных транзисторов импульсным методом.
Измерение проводят но схеме, указанной в стандарте, при этом источник постоянного тока заменяют генератором импульсов.
2.3.1. Длительность импульса т и должна выбираться из соотношения
где x=R г -С/с - ,
Rr - включенное последовательно с переходом транзистора суммарное сопротивление резистора и внутреннее сопротивление генератора импульсов;
С к -емкость коллекторного перехода испытуемого транзистора, значение которой указывают в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов.
(Измененная редакция, Изм. № 1, 2).
2.3.2. Скважность импульсов должна быть не менее 10. Длительность фронта импульса генератора Тф должна быть
т ф <0,1т и.
2.3.3. Значения напряжения и тока измеряют измерителями амплитудных значений.
2.3.4. Параметры импульсов должны быть указаны в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типоз.
2.3.5. Температура окружающей среды при измерении должна быть в пределах (25±10) °С.
(Введен дополнительно, Изм. № 2).
3. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Обратный ток коллектора измеряют следующим образом. От источника постоянного тока на коллектор подают обратное напряжение U^ и с помощью измерителя постоянного тока ИП1 измеряют обратный ток коллектора 1цбо.
Допускается измерять обратный ток коллектора по значению падения напряжения на калиброванном резисторе, включенном в цепь измеряемого тока. При этом должно соблюдаться соотношение R K / кбо ^0,05 U K . Если падение» напряжения на резисторе R K превышает 0,05 U к, то необходимо увеличить напряжение U K на значение, (равное падению напряжения на резисторе
(Измененная редакция, Изм. № 1).
3.2. Порядок проведения измерения 1сво импульсным методом аналогичен указанному в п. 3.1.
3.3. При измерении I кбо импульсным методом должно быть исключено влияние выброса напряжения, поэтому измеряют импульсный ток через интервал времени не менее Зтф с момента
Статье мы с вами разобрали такой важный параметр транзистора, как коэффициент бета (β) . Но есть в транзисторе еще один интересный параметр. Сам по себе он ничтожный, но делов может наделать ого-го! Это все равно что галька, которая попала в кроссовок легкоатлету: вроде бы маленькая, а причиняет неудобство при беге. Так чем же мешает эта самая “галька” транзистору? Давайте разберемся…
Прямое и обратное включение PN-перехода
Как мы помним, транзистор состоит из трех полупроводников. , который у нас база-эмиттер называется эмиттерным переходом , а переход, который база-коллектор – коллекторным переходом.
Так как в данном случае у нас транзистор NPN, значит ток будет течь от коллектора к эмиттеру, при условии, что мы будем открывать базу, подавая на нее напряжение более чем 0,6 Вольт (ну чтобы транзистор открылся).
Давайте гипотетически возьмем тонкий-тонкий ножик и вырежем эмиттер прямо по PN-переходу. У нас получится как-то вот так:
Стоп! У нас что, получился диод ? Да, он самый! Помните, в статье вольтамперная характеристика (ВАХ) мы рассматривали ВАХ диода:
В правой части ВАХ мы с вами видим как веточка графика очень резко взлетела вверх. В этом случае мы подавали на диод постоянное напряжение вот таким образом, то есть это было прямое включение диода.
Диод пропускал через себя электрический ток. Мы с вами даже проводили опыты с прямым и обратным включением диода. Кто не помнит, можно прочитать .
Но если поменять полярность
то диод у нас не будет пропускать ток. Нас всегда так учили, и в этом есть доля правды, но… наш мир не идеален).
Принцип работы PN-перехода? Мы его представляли как воронку. Так вот, для этого рисуночка
наша воронка будет перевернута горлышком к потоку
Направление потока воды – это направление движения электрического тока. Воронка – это и есть диод. Но вот вода, которая попала через узкое горлышко воронки? Как же ее можно назвать? А называется она обратный ток PN перехода (I обр) .
А как вы думаете, если прибавить скорость течения воды, увеличится ли количество воды, которое пройдет через узкое горлышко воронки? Однозначно! Значит, если прибавлять напряжение U обр , то и увеличится обратный ток I обр , что мы с вами и видим в левой части на графике ВАХ диода:
Но до какого предела можно увеличивать скорость потока воды? Если она будет очень большой, наша воронка не выдержит, стенки треснут и она разлетится по кусочкам, так ведь? Поэтому на каждый диод можно найти такой параметр, как U обр.макс , превышение которого для диода равнозначно летальному исходу.
Например, для диода Д226Б:
U обр.макс = 500 Вольт, а максимальное обратное импульсное U обр. имп.макс = 600 Вольт. Но имейте ввиду, что электронные схемы проектируют, как говорится “с 30% запасом”. И если даже в схеме обратное напряжение на диоде будет 490 Вольт, то в схему поставят диод, который выдерживает более 600 Вольт. С критическими значениями лучше не играть). Импульсное обратное напряжение – это резкие всплески напряжения, которые могут достигать амплитудой до 600 вольт. Но здесь тоже лучше взять с небольшим запасом.
Так… а что я это все про диод да про диод… Мы же вроде как транзисторы изучаем. Но как ни крути, диод – кирпичик для построения транзистора. Значит, если приложить к коллекторному переходу обратное напряжение, то у нас через переход потечет обратный ток, как в диоде? Именно так. И называется такой параметр в транзисторе . У нас он обозначается как I КБО , у буржуев – I CBO . Расшифровывается как “ток между коллектором и базой, при открытом эмиттере” . Грубо говоря, ножка эмиттера никуда не цепляется и висит в воздухе.
Чтобы замерять обратный ток коллектора, достаточно собрать вот такие простенькие схемки:
Для NPN транзистора для PNP транзистора
У кремниевых транзисторов обратный ток коллектора меньше, чем 1 мкА, у германиевых: 1-30 мкА. Так как у меня замеряет только от 10 мкА, а германиевых транзисторов под рукой нет, то провести этот опыт я не смогу, так как разрешение прибора не позволяет.
Мы так и не ответили на вопрос, почему обратный ток коллектора имеет такое важное значение и приводится в справочниках? Все дело в том, что при работе транзистор рассеивает какую-то мощность в пространство, значит нагревается. Обратный ток коллектора очень сильно зависит от температуры и на каждые 10 градусов по Цельсию увеличивает свое значение в два раза. Не, ну а что такого? Пусть возрастает, никому же вроде не мешает.
Влияние обратного коллекторного тока
Все дело в том, что в некоторых схемах включения часть этого тока проходит через эмиттерный переход. А как мы с вами помним, через эмиттерный переход течет базовый ток. Чем больше управляющий ток (ток базы) тем больше управляемый (ток коллектора). Это мы с вами рассматривали еще в статье. Следовательно, малейшее изменение базового тока ведет к большому изменению коллекторного тока и вся схема начинает работать неправильно.
Как борются с обратным коллекторным током
Значит, самый главный враг транзистора – это температура. Как же с ней борются разработчики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)?
– используют транзисторы, у которых обратный коллекторный ток имеет очень малое значение. Это, конечно же, кремниевые транзисторы. Небольшая подсказка – маркировка кремниевых транзисторов начинается с букв “КТ”, что означает К ремниевый Т ранзистор.
– использование схем, которые минимизируют обратный ток коллектора.
Обратный ток коллектора – важный параметр транзистора. Он приводится в даташите на каждый транзистор. В схемах, которые используются в экстремальных температурных условиях, обратный ток коллектора будет играть очень большую роль. Поэтому, если собираете схему, где не используется радиатор и вентилятор, то, конечно же, лучше взять транзисторы с минимальным обратным коллекторным током.
Принципиальная схема достаточно простого испытателя маломощных транзисторов приведена на рис. 9. Он представляет собой генератор звуковой частоты, который при исправном транзисторе VT возбуждается, и излучатель НА1 воспроизводит звук.
Рис. 9. Схема простого испытателя транзисторов
Питание устройства осуществляется от батареи GB1 типа 3336Л напряжением от 3,7 до 4,1 В. В качестве звукоизлучателя используется высокоомный телефонный капсюль. При необходимости проверки транзистора структуры n-p-n достаточно поменять полярность включения батареи питания. Эту схему можно также использовать в качестве звукового сигнализатора, управляемого вручную кнопкой SA1 или контактами какого-либо устройства.
2.2. Прибор для проверки исправности транзисторов
Кирсанов В.
С помощью этого несложного прибора можно проверять транзисторы, не выпаивая их из того устройства, в котором они установлены. Необходимо лишь отключить там питание.
Принципиальная схема прибора приведена на рис. 10.
Рис. 10. Схема прибора для проверки исправности транзисторов
Если выводы испытуемого транзистора V x подключить к прибору, он совместно с транзистором VT1 образует схему симметричного мультивибратора с емкостной связью, и если транзистор исправен, мультивибратор будет генерировать колебания звуковой частоты, которые после усиления транзистором VT2 воспроизведутся звукоизлучателем В1. С помощью переключателя S1 можно изменить полярность напряжения, поступающего на проверяемый транзистор согласно его структуре.
Вместо старых германиевых транзисторов МП 16 можно использовать современные кремниевые КТ361 с любым буквенным индексом.
2.3. Испытатель транзисторов средней и большой мощности
Васильев В.
С помощью этого прибора есть возможность измерить обратный ток коллектор-эмиттер транзистора I КЭ и статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h 21Э при разных значениях тока базы. Прибор позволяет измерять параметры транзисторов обеих структур. На принципиальной схеме прибора (рис. 11) показаны три группы входных клемм. Группы Х2 и ХЗ предназначены для подключения транзисторов средней мощности с разным расположением выводов. Группа XI - для транзисторов большой мощности.
Кнопками S1-S3 устанавливается ток базы испытуемого транзистора: 1,3 или 10 мА Переключателем S4 можно изменить полярность подключения батареи питания в зависимости от структуры транзистора. Стрелочный прибор РА1 магнитоэлектрической системы с током полного отклонения 300 мА измеряет ток коллектора. Для питания прибора используется батарея GB1 типа 3336Л.
Рис. 11. Схема испытателя транзисторов средней и большой мощности
Перед подключением испытуемого транзистора к одной из групп входных клемм нужно установить переключатель S4 в положение, соответствующее структуре транзистора. После его подключения прибор покажет значение обратного тока коллектор-эмиттер. Затем одной из кнопок S1-S3 включают ток базы и измеряют ток коллектора транзистора. Статический коэффициент передачи тока h 21Э определяется делением измеренного тока коллектора на установленный ток базы. При оборванном переходе ток коллектора равен нулю, а при пробитом транзисторе загораются индикаторные лампы H1, Н2 типа МН2,5–0,15.
2.4. Испытатель транзисторов со стрелочным индикатором
Вардашкин А .
При использовании этого прибора можно измерить обратный ток коллектора I КБО и статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h 21Э маломощных и мощных биполярных транзисторов обеих структур. Принципиальная схема прибора показана на рис. 12.
Рис. 12. Схема испытателя транзисторов со стрелочным индикатором
Испытуемый транзистор подключается к клеммам прибора в зависимости от расположения выводов. Переключателем П2 устанавливается режим измерения для маломощных или мощных транзисторов. Переключатель ПЗ изменяет полярность батареи питания в зависимости от структуры контролируемого транзистора. Переключатель П1 на три положения и 4 направления служит для выбора режима. В положении 1 измеряется обратный ток коллектора I КБО при разомкнутой цепи эмиттера. Положение 2 служит для установки и измерения тока базы I б. В положении 3 измеряется статический ко- эффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h 21Э.
При измерении обратного тока коллектора мощных транзисторов параллельно измерительному прибору РА1 переключателем П2 подключается шунт R3. Установка тока базы производится переменным резистором R4 под контролем стрелочного прибора, который при мощном транзисторе также шунтируется резистором R3. Для измерений статического коэффициента передачи тока при маломощных транзисторах микроамперметр шунтируется резистором R1, а при мощных - резистором R2.
Схема испытателя рассчитана на применение в качестве стрелочного прибора микроамперметра типа М592 (или любого другого) с током полного отклонения 100 мкА, нулем посредине шкалы (100-0-100) и сопротивлением рамки 660 Ом. Тогда подключение к прибору шунта сопротивлением 70 Ом дает предел измерения 1 мА, сопротивлением 12 Ом - 5 мА, а 1 Ом - 100 мА. Если использовать стрелочный прибор с другим значением сопротивления рамки, придется пересчитать сопротивления шунтов.
2.5. Испытатель мощных транзисторов
Белоусов А.
Этот прибор позволяет измерять обратный ток коллектор-эмиттер I КЭ, обратный ток коллектора I КБО, а также статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h 21Э мощных биполярных транзисторов обеих структур. Принципиальная схема испытателя показана на рис. 13.
Рис. 13. Принципиальная схема испытателя мощных транзисторов
Выводы испытуемого транзистора подключаются к клеммам ХТ1, ХТ2, ХТЗ, обозначенных буквами «э», «к» и «б». Переключатель SB2 используется для переключения полярности питания в зависимости от структуры транзистора. Переключателями SB1 и SB3 пользуются в процессе измерений. Кнопки SB4-SB8 предназначены для изменения пределов измерения путем изменения тока базы.
Для измерения обратного тока коллектор-эмиттер нажимают кнопки SB1 и SB3. При этом отключается база контактами SB 1.2 и отключается шунт R1 контактами SB 1.1. Тогда предел измерения тока составляет 10 мА. Для измерения обратного тока коллектора отсоединяют вывод эмиттера от клеммы ХТ1, подключают к ней вывод базы транзистора и нажимают кнопки SB1 и SB3. Полное отклонение стрелки вновь соответствует току 10 мА.