Буквально відразу після появи напівпровідникових приладів, скажімо, транзисторів вони стрімко почали витісняти електровакуумні прилади і, зокрема, тріоди. Нині транзистори займають провідне становище у схемотехніці.
Початківцю, а часом і досвідченому радіоаматору-конструктору, не відразу вдається знайти потрібне схемотехнічне рішення або розібратися у призначенні тих чи інших елементів у схемі. Маючи ж під рукою набір "цеглинок" з відомими властивостями набагато легше будувати "будівлю" того чи іншого пристрою.
Не зупиняючись докладно на параметрах транзистора (про це досить написано в сучасній літературі, наприклад, в), розглянемо лише окремі властивості та способи їхнього поліпшення.
Одна з перших проблем, що постають перед розробником, - збільшення потужності транзистора. Її можна вирішити паралельним включенням транзисторів (). Струмовирівнюючі резистори в ланцюгах емітерів сприяють рівномірному розподілу навантаження.
Виявляється, паралельне включення транзисторів корисне як збільшення потужності при посиленні великих сигналів, а й зменшення шуму при посиленні слабких. Рівень шумів зменшується пропорційно до кореня квадратного з кількості паралельно включених транзисторів.
Захист від перевантаження струмом найбільш просто вирішується введенням додаткового транзистора (). Недолік такого самозахисного транзистора - зниження ККД через наявність датчика струму R. Можливий варіант удосконалення показаний на . Завдяки введенню германієвого діода або діода Шоттки можна в кілька разів зменшити номінал резистора R, а значить, і потужність, що розсіюється на ньому.
Для захисту від зворотної напруги паралельно висновкам емітер-колектор зазвичай включають діод, як, наприклад, складових транзисторах типу КТ825, КТ827.
При роботі транзистора в ключовому режимі, коли потрібно швидке його перемикання з відкритого стану в закритий і назад, іноді застосовують RC-ланцюжок, що форсує (). У момент відкриття транзистора заряд конденсатора збільшує його базовий струм, що сприяє скороченню часу включення. Напруга на конденсаторі досягає падіння напруги на базовому резистори, викликаного струмом бази. У момент закриття транзистора конденсатор, розряджуючись, сприяє розсмоктування неосновних носіїв у основі, скорочуючи час вимкнення.
Підвищити крутість транзистора (ставлення зміни струму колектора (стоку) до зміни напруги, що викликало його, на базі (затворі) при постійному Uке Uсі)) можна за допомогою схеми Дарлінгтона (). Резистор в ланцюзі бази другого транзистора (може бути відсутнім) застосовують для завдання струму колектора першого транзистора. Аналогічний складовий транзистор з високим вхідним опором (завдяки застосуванню польового транзистора) представлений на . Складові транзистори представлені на рис. і зібрані на транзисторах різної провідності за схемою Шиклаї.
Введення в схеми Дарлінгтона та Шиклаї додаткових транзисторів, як показано на рис. і збільшує вхідний опір другого каскаду по змінному струму і відповідно коефіцієнт передачі. Застосування аналогічного рішення на транзисторах рис. і дає відповідно схеми і, лінеаризуючи крутість транзистора.
Широкополосний транзистор з високою швидкодією представлений на . Підвищення швидкодії досягнуто результаті зменшення ефекту Міллера аналогічно і .
"Діамантовий" транзистор за патентом ФРН представлений на . Можливі варіанти включення зображені на . Характерна риса цього транзистора - відсутність інверсії на колекторі. Звідси і збільшення вдвічі здатності навантаження схеми .
Потужний складовий транзистор з напругою насичення близько 1,5 зображений на рис.24. Потужність транзистора може бути значно збільшена шляхом заміни транзистора VT3 на складовий транзистор ().
Аналогічні міркування можна навести і транзистора p-n-p типу, а також польового транзистора з каналом p-типу. При використанні транзистора в якості регулюючого елемента або в ключовому режимі можливі два варіанти включення навантаження: ланцюг колектора () або ланцюг емітера ().
Як видно з наведених формул, найменше падіння напруги, а відповідно і мінімальна потужність, що розсіюється - на простому транзисторі з навантаженням в ланцюги колектора. Застосування складеного транзистора Дарлінгтона та Шиклаї з навантаженням у ланцюги колектора рівнозначне. Транзистор Дарлінгтон може мати перевагу, якщо колектори транзисторів не об'єднувати. При включенні навантаження в ланцюг емітера перевага транзистора Шикла очевидна.
Література:
1. Степаненко І. Основи теорії транзисторів та транзисторних схем. - М: Енергія, 1977.
2. Патент США 4633100: Публ. 20-133-83.
3. А.с. 810093.
4. Патент США 4730124: Публ.22-133-88. - С.47.
1. Збільшення потужності транзистора.
Резистори в ланцюгах емітерів потрібні для рівномірного розподілунавантаження; рівень шумів зменшується пропорційно квадратному кореню із кількості паралельно включених транзисторів.
2. Захист від перевантаження струмом.
Недолік-зниження ККД через наявність датчика струму R.
Інший варіант - завдяки введенню германієвого діода або діода Шоттки можна в кілька разів зменшити номінал резистора R і на ньому буде розсіюватися менша потужність.
3. Складовий транзистор із високим вихідним опором.
Через каскодне включення транзисторів значно зменшений ефект Міллера.
Інша схема - за рахунок повної розв'язки другого транзистора від входу та живлення стоку першого транзистора напругою, пропорційною вхідному, складовий транзистор має ще вищі динамічні характеристики(єдина умова - другий транзистор повинен мати більше висока напругавідсічення). Вхідний транзистор можна замінити біполярним.
4. Захист транзистора від глибокого насичення.
Запобігання прямому зміщенню переходу база-колектор за допомогою діода Шоттки.
Більше складний варіант- Схема Бейкера. При досягненні напругою на колекторі транзистора напруги бази "зайвий" базовий струм скидається через колекторний перехід, запобігаючи насиченню.
5. Схема обмеження насичення щодо низьковольтних ключів.
З датчиком струму основи.
З датчиком струму колектора.
6. Зменшення часу вмикання/вимкнення транзистора шляхом застосування форсуючого RC ланцюжка.
7. Складовий транзистор.
Схема дарлінгтону.
Схема Шіклаї.
Складовий транзистор (транзистор Дарлінгтона) - об'єднання двох або більше біполярних транзисторів з метою збільшення коефіцієнта посилення струму. Такий транзистор використовується у схемах, що працюють з великими струмами (наприклад, схемах стабілізаторів напруги, вихідних каскадів підсилювачів потужності) і у вхідних каскадах підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс.
Умовне позначення складеного транзистора
Складовий транзистор має три висновки (база, емітер та колектор), які еквівалентні висновкам звичайного одиночного транзистора. Коефіцієнт посилення по струму типового складеного транзистора (іноді помилково званого «супербету»), у потужних транзисторів ≈ 1000 і малопотужних транзисторів ≈ 50000. Це означає, що невеликого струму бази достатньо для того, щоб складовий транзистор відкрився.
На відміну від біполярних, польові транзистори не використовують у складовому включенні. Об'єднувати польові транзистори немає необхідності, оскільки вони і без того мають надзвичайно малий вхідний струм. Однак існують схеми (наприклад, біполярний транзистор із ізольованим затвором), де спільно застосовуються польові та біполярні транзистори. У певному сенсі, такі схеми можна вважати складовими транзисторами. Також для складеного транзистораДосягти підвищення значення коефіцієнта посилення можна, зменшивши товщину бази, але це становить певні технологічні труднощі.
прикладом супербета (супер-β)транзисторів може бути серія КТ3102, КТ3107. Однак їх також можна поєднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм зміщення можна зробити рівним лише 50 пкА (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу LM111 і LM316).
Фото типового підсилювача на складових транзисторах
Схема Дарлінгтона
Один із видів такого транзистора винайшов інженер-електрик Сідні Дарлінгтон (Sidney Darlington).
Принципова схема складеного транзистора
Складовий транзистор є каскадним з'єднанням кількох транзисторів, включених таким чином, що навантаженням в емітері попереднього каскаду є перехід база-емітер транзистора наступного каскаду, тобто транзистори з'єднуються колекторами, а вхідний емітер вихідного транзистора з'єднується. Крім того, у складі схеми для прискорення закривання може використовуватися резистивне навантаження першого транзистора. Таке з'єднання в цілому розглядають як один транзистор, коефіцієнт посилення струму якого при роботі транзисторів в активному режимі приблизно дорівнює добутку коефіцієнтів посилення першого і другого транзисторів:
β с = β 1 ∙ β 2
Покажемо, що складовий транзистор справді має коефіцієнтβ значно більший, ніж у його обох компонентів. Задаючи прирістdlб= dlб1, отримуємо:
dlе1 = (1 + β 1) ∙ dlб= dlб2
dlдо= dlк1+ dlк2= β 1 ∙ dlб+ β 2 ∙ ((1 + β 1) ∙ dlб)
Ділячи dl дона dlб, знаходимо результуючий диференціальний коефіцієнт передачі:
β Σ = β 1 + β 2 + β 1 ∙ β 2
Оскільки завждиβ >1 , можна вважати:
β Σ = β 1 ∙ β 1
Слід наголосити, що коефіцієнтиβ 1 і β 1 можуть відрізнятися навіть у разі однотипних транзисторів, оскільки струм емітераI е2в 1 + β 2разів більше струму емітераI е1(це випливає з очевидної рівностіI б2 = I е1).
Схема Шиклаї
Парі Дарлінгтона подібно до з'єднання транзисторів за схемою Шиклаї, назване так на честь його винахідника Джорджа Шиклаї, також іноді зване комплементарним транзистором Дарлінгтона. На відміну від схеми Дарлінгтона, що складається з двох транзистори одного типу провідності, схема Шиклаї містить транзистори різної полярності ( p - n - p і n - p - n ). Пара Шиклаї поводиться як n – p – n -Транзистор з великим коефіцієнтом посилення Вхідна напруга - це напруга між базою і емітером транзистора Q1, а напруга насичення дорівнює принаймні падіння напруги на діоді. Між базою та емітером транзистора Q2 рекомендується включати резистор з невеликим опором. Така схема застосовується у потужних двотактних вихідних каскадах під час використання вихідних транзисторів однієї полярності.
Каскад Шиклаї, подібний до транзистора з n – p – n переходом
Каскодна схема
Складовий транзистор, виконаний за так званою каскодною схемою, характеризується тим, що транзистор VT1 включений за схемою із загальним емітером, а транзистор VT2 - за схемою із загальною базою. Такий складовий транзистор еквівалентний одиночному транзистору, включеному за схемою із загальним емітером, але при цьому він має набагато кращі частотні властивості і велику неспотворену потужність у навантаженні, а також дозволяє значно зменшити ефект Міллера (збільшення еквівалентної ємності інвертуючого на вхід даного елемента при вимкненні).
Переваги та недоліки складених транзисторів
Високі значення коефіцієнта посилення у складових транзисторах реалізуються лише статичному режимі, тому складові транзистори знайшли широке застосування у вхідних каскадах операційних підсилювачів. У схемах на високих частотах складові транзистори вже не мають таких переваг - гранична частота посилення струму і швидкодія складових транзисторів менше, ніж ці параметри для кожного з транзисторів VT1 і VT2.
Переваги:
а)Високий коефіцієнт посилення струму.
б)Cхема Дарлінгтона виготовляється як інтегральних схем і за однаковому струмі робоча поверхня кремнію менше, ніж в біполярних транзисторів. Дані схеми становлять великий інтерес при високих напругах.
Недоліки:
а)Низька швидкодія, особливо переходу з відкритого стану до закритого. Тому складові транзистори використовуються переважно в низькочастотних ключових і підсилювальних схемах, на високих частотах їх параметри гірші, ніж у одиночного транзистора.
б)Пряме падіння напруги на переході база-емітер у схемі Дарлінгтона майже вдвічі більше, ніж у звичайному транзисторі, і становить для кремнієвих транзисторів близько 1,2 - 1,4 (не може бути менше, ніж подвоєне падіння напруги на p-n переході) .
в)Велика напруга насичення колектор-емітер для кремнієвого транзистора близько 0,9 В (порівняно з 0,2 В у звичайних транзисторів) для малопотужних транзисторів і близько 2 В для транзисторів великої потужності(Не може бути менше ніж падіння напруги на p-n переході плюс падіння напруги на насиченому вхідному транзисторі).
Застосування резистора навантаження R1 дозволяє поліпшити деякі характеристики складеного транзистора. Величина резистора вибирається з таким розрахунком, щоб струм колектор-емітер транзистора VT1 у закритому стані створював на резисторі падіння напруги, недостатнє для відкриття транзистора VT2. Таким чином, струм витоку транзистора VT1 не посилюється транзистором VT2, тим самим зменшується загальний струм колектор-емітер складеного транзистора в закритому стані. Крім того, застосування резистора R1 сприяє збільшенню швидкодії складеного транзистора рахунок форсування закриття транзистора VT2. Зазвичай опір R1 становить сотні Ом у потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька ком в малосигнальному транзисторі Дарлінгтона. Прикладом схеми з емітерним резистором служить потужний n-p-n - транзистор Дарлінгтон типу кт825, його коефіцієнт посилення по струму дорівнює 10000 (типове значення) для колекторного струму, що дорівнює 10 А.
Дарлінгтона), часто є складовим елементів радіоаматорських конструкцій. Як відомо, при такому включенні коефіцієнт посилення струму, як правило, збільшується в десятки разів. Однак домогтися значного запасу працездатності з напруги, що впливає на каскад, не завжди вдається. Підсилювачі, що складаються з двох біполярних транзисторів (Рис. 1.23), часто виходять з ладу при впливі імпульсної напруги, навіть якщо вона не перевищує значення електричних параметрів, зазначених у довідковій літературі.
З цим неприємним ефектом можна боротися різними способами. Одним з них – найпростішим – є наявність у парі транзистора з великим (у кілька разів) запасом ресурсу за напругою колектор-емітер. Відносно висока вартість таких високовольтних транзисторів призводить до збільшення собівартості конструкції. Можна, звичайно, придбати спеціальні складові кремнієві в одному корпусі, наприклад: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 та ін. Цей список включає потужні і середньої потужності при радіотехнічних пристроїв. А можна скористатися класичною – з двома паралельно включеними польовими транзисторами типу КП501В – або використовувати прилади КП501А…В, КП540 та інші з аналогічними електричними характеристиками (Рис. 1.24). При цьому виведення затвора підключають замість бази VT1, а висновок витоку замість емітера VT2, виведення стоку замість об'єднаних колекторів VT1, VT2.
Мал. 1.24. Заміна польовими транзисторами складеного транзистора по
Після такого нескладного доопрацювання, тобто. заміни вузлів в електричних схемах, універсального застосування, Струм на транзисторах VT1, VT2 не виходить з ладу навіть при 10-кратній і більше перевантаженні по напрузі. Причому обмежувального резистора ланцюга затвора VT1 також збільшується в кілька разів. Це призводить до того, що мають вищу вхідну і, як наслідок, витримують навантаження при імпульсному характері управління цим електронним вузлом.
Коефіцієнт посилення струму отриманого каскаду щонайменше 50. Збільшується прямо пропорційно збільшення напруги живлення вузла.
VT1, VT2. За відсутності дискретних транзисторів типу КП501А ... можна без втрати якості роботи пристрою використовувати мікросхему 1014КТ1В. На відміну, наприклад, від 1014КТ1А і 1014КТ1Б ця витримує вищі перевантаження за прикладеним напругою імпульсного характеру - до 200 В постійної напруги. Цоколівка включення транзисторів мікросхеми 1014КТ1А ... 1014К1В показано на Мал. 1.25.
Так само, як і в попередньому варіанті (Рис. 1.24), включають паралельно.
Цоколівка польових транзисторіву мікросхемі 1014КТ1А…В
Автор випробував десятки електронних вузлів, включених за . Такі вузли використовуються в радіоаматорських конструкціях як струмові ключі аналогічно складовим транзисторам, включеним по . До перелічених вище особливостей польових транзисторів можна додати їх енергоекономічність, тому що в закритому стані через високий вхідний вони практично не споживають струму. Що стосується вартості таких транзисторів, то сьогодні вона практично така ж, як і вартість середньопотужних транзисторів типу (і аналогічним їм), які прийнято використовувати як підсилювач струму для управління пристроями навантаження.
Для отримання основних параметрів СТ слід задати модель самого біполярного транзистора (БТ) для низьких частот на рис. 1а.
Мал. 1. Варіанти схеми заміщення БТ n-p-n
Первинних розрахункових параметри всього два: коефіцієнт посилення струму і вхідний опір транзистора. Отримавши їх, для конкретної схеми за відомими формулами можна розрахувати коефіцієнт посилення напруги, вхідний і вихідний опору каскаду.
Схеми заміщення складових транзисторів Дарлінгтона (СТД) та Шиклаї (СТШ) наведено на рис. 2, готові формули для розрахунку параметрів - табл. 1.
Таблиця 1 - Формули для розрахунку параметрів СТ
Тут rе - опір емітера, що обчислюється за формулою:
Мал. 2 Варіанти складених транзисторів
Відомо, що b залежить від струму колектора (графік залежності вказується в датасіті). Якщо струм бази VT2 (він же - емітерний або колекторний струм VT1) виявиться занадто малим, реальні параметри СТ виявляться набагато нижче за розрахункові. Тому підтримки початкового колекторного струму VT1 досить встромити у схему додатковий резистор Rдоп (рис. 2в). Наприклад, якщо в СТД як VT1 використаний КТ315 з мінімальним необхідним струмом Ik.min, то додатковий опір дорівнюватиме
можна поставити резистор номіналом 680 Ом.
Шунтируюча дія Rдоп знижує параметри СТ, тому в мікросхемах та інших наворочених схемах його замінюють джерелом струму.
Як видно з формул у табл. 1, посилення та вхідний опір СТД більше, ніж у СТШ. Однак останній має свої переваги:
- на вході СТШ падає менша напруга, ніж у СТД (Uбе проти 2Uбе);
- колектор VT2 з'єднаний із загальним дротом, тобто. У схемі з ОЕ для охолодження VT2 можна посадити прямо на металевий корпус пристрою.
Практика роботи складеного транзистора
На рис. 3 показані три варіанти побудови вихідного каскаду (емітерний повторювач). При підборі транзисторів треба прагнути b1~b2 і b3~b4 . Відмінність можна компенсувати рахунок підбору пар по рівність коефіцієнтів посилення СТ b13~b24 (див. табл. 1).
- Схема на рис. 3а має найбільший вхідний опір, але це найгірша з наведених схем: вимагає ізоляцію фланців потужних транзисторів (або роздільні радіатори) і забезпечує найменший розмах напруги, оскільки між базами СТ повинно падати ~2 В, інакше сильно виявляться спотворення типу «сходинка».
- Схема на рис. 3б дісталася у спадок із тих часів, коли ще не випускалися комплементарні пари потужних транзисторів. Єдиний плюс у порівнянні з попереднім варіантом - менше падіння напруги ~1,8 В і більше розмах без спотворень.
- Схема на рис. 3в наочно демонструє переваги СТШ: між базами СТ падає мінімум напруги, а потужні транзистори можна посадити на загальний радіатор без ізоляційних прокладок.
На рис. 4 показано два параметричні стабілізатори. Вихідна напруга для варіанта зі СТД дорівнює:
Оскільки Uбе гуляє в залежності від температури і колекторного струму, то у схеми зі СТД розкид вихідної напруги буде більшим, а тому варіант зі СТШ кращим.
Мал. 3. Варіанти вихідних емітерних повторювачів на СТ
Мал. 4. Застосування СТ як регулятора в лінійному стабілізаторі
У лінійних ланцюгах можна використовувати будь-які відповідні комбінації транзисторів. Автору зустрічалася побутова радянська техніка, в якій використовувалися СТШ на парах КТ315+КТ814 та КТ3107+КТ815 (хоча прийнято /КТ361 та КТ3102/КТ3107). Як комплементарну пару можна взяти C945 і A733, які часто зустрічаються в старих комп'ютерних БП.
Обговорити статтю ТЕОРІЯ ТА ПРАКТИКА СКЛАДНОГО ТРАНЗИСТОРА
В інтегральних схемах та дискретній електроніці велике поширення набули два види складових транзисторів: за схемою Дарлінгтона та Шиклаї. У мікропотужних схемах, наприклад, вхідні каскади операційних підсилювачів, складові транзистори забезпечують великий вхідний опір та малі вхідні струми. У пристроях, що працюють з великими струмами (наприклад, для стабілізаторів напруги або вихідних каскадів підсилювачів потужності) для підвищення ККД необхідно забезпечити високий коефіцієнт посилення струму потужних транзисторів.
Схема Шиклаї реалізує потужний p-n-pтранзистор з великим коефіцієнтом посилення за допомогою малопотужного p-n-pтранзистора з малим Ута потужного n-p-nтранзистора ( малюнок 7.51). В інтегральних схемах це включення реалізує високобетовий p-n-pтранзистор на основі горизонтальних p-n-pтранзистора та вертикального n-p-nтранзистора. Також ця схема застосовується у потужних двотактних вихідних каскадах, коли використовуються вихідні транзистори однієї полярності ( n-p-n).
 |
|||
Малюнок 7.51 - Складовий p-n-pтранзистор Малюнок 7.52 - Складовий n-p-nза схемою Шиклаї транзистор за схемою Дарлінгтона
Схема Шиклаї або комплементарний транзистор Дарлінгтона поводиться як транзистор p-n-pтипу ( малюнок 7.51) з великим коефіцієнтом посилення по струму,
Вхідна напруга ідентична одиночному транзистору. Напруга насичення вища, ніж у одиночного транзистора на величину падіння напруги на емітерному переході n-p-nтранзистора. Для кремнієвих транзисторів ця напруга становить близько одного вольта на відміну частин вольта одиночного транзистора. Між базою та емітером n-p-nтранзистора (VT2) рекомендується включати резистор з невеликим опором для придушення некерованого струму та підвищення термостійкості.
Транзистор Дарлінгтон реалізується на однополярних транзисторах ( малюнок 7.52). Коефіцієнт посилення струму визначається добутком коефіцієнтів складових транзисторів.
Вхідна напруга транзистора за схемою Дарлінгтона вдвічі більше, ніж одиночного транзистора. Напруга насичення перевищує вихідний транзистор. Вхідний опір операційного підсилювачапри
.
Схема Дарлінгтона використовують у дискретних монолітних імпульсних транзисторах. На одному кристалі формуються два транзистори, два шунтуючі резистори і захисний діод ( малюнок 7.53). Резистори R 1 і R 2 пригнічують коефіцієнт посилення в режимі малих струмів ( малюнок 7.38), що забезпечує мале значення некерованого струму та підвищення робочої напруги закритого транзистора,
 |
|||
 |
|||
Малюнок 7.53 - Електрична схемамонолітного імпульсного транзистора Дарлінгтона
Резистор R2 (порядку 100 Ом) формується у вигляді технологічного шунта, подібно до шунтів катодного переходу тиристорів. З цією метою при формуванні – емітера за допомогою фотолітографії у певних локальних областях залишають окисну маску у вигляді кола. Ці локальні маски не дозволяють дифундувати донорної домішки і під ними залишаються. p-стовпчики ( малюнок 7.54). Після металізації по всій площі емітера ці стовпчики являють собою розподілений опір R2 та захисний діод D ( малюнок 7.53). Захисний діод захищає від пробою емітерні переходи при переполюсуванні колекторної напруги. Вхідна потужність споживання транзистора за схемою Дарлінгтона на півтора два порядки нижче, ніж одиночний транзистор. Максимальна частота перемикань залежить від граничної напруги та струму колектора. Транзистори на струми успішно працюють у імпульсних перетворювачахдо частот близько 100 кГц. Відмінною особливістюмонолітного транзистора Дарлінгтона є квадратична передавальна характеристика, оскільки В-амперна характеристика лінійно зростає зі зростанням струму колектора до максимального значення,
