Электроника:Полупроводники/Биполярные транзисторы/Параметры и корпуса транзисторов с биполярным переходом (ТБП)

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Параметры и корпуса транзисторов с биполярным переходом (ТБП)[1]

Как и любые другие электрические/электронные компоненты, транзисторы ограничены по величине напряжения и тока, с которыми каждый из них может справиться, не взорвавшись при этом. Поскольку транзисторы более сложны, чем некоторые другие компоненты, с которыми мы уже часто имели дело до сего момента, у них, как правило, больше характеристик, отличающих транзисторы друг от друга. Подробности – в этом разделе ниже.

Рассеяние мощности

Когда транзистор проводит ток между коллектором и эмиттером, также между этими двумя точками наблюдается падение напряжения. В любой момент времени мощность, рассеиваемая транзистором, равна произведению силы тока коллектора на напряжение на переходе коллектор/эмиттер. Подобно резисторам, транзисторы рассчитаны на то, чтобы безопасно рассеивать определённое количество ватт без ущерба для собственной целостности.

Высокая температура - злейший враг всех полупроводниковых устройств, а биполярные транзисторы, как правило, подвергаются даже повышенному тепловому воздействию. Номинальная мощность всегда завязана на обычную комнатную температуру воздушной внешней среды (в окрестностях транзистора). Если предполагается использование в более жарких условиях (при температуре более 25°), действуют сниженные номинальные мощности, чтобы избежать сокращения срока службы.

Обратные напряжения

Как и диоды, биполярные транзисторы рассчитаны на максимально допустимое напряжение обратного включения на их P-N-переходах. Сюда входят номинальные напряжения для перехода эмиттер/база VЭБ, перехода коллектор-база VКБ, а также от коллектора к эмиттеру VКЭ.

VЭБ (максимальное обратное напряжение от эмиттера к базе) составляет примерно 7 В для некоторых слаботочных транзисторов. Некоторые разработчики схем используют дискретные ТБП в качестве 7-вольтных стабилитронов, соединённых последовательно с резистором, ограничивающим ток. Входные напряжения транзисторов в аналоговых интегральных схемах также имеют рейтинг VЭБ, превышение которого приведёт к повреждению, если стабилизация входного напряжения не предполагается.

Номинальное значение максимального напряжения коллектор/эмиттер VКЭ можно рассматривать как максимальное напряжение, которое он может выдерживать в режиме отсечки (без базового тока). Этот рейтинг особенно важен при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя. Типичное значение для слаботочного транзистора составляет от 60 до 80 В. В силовых транзисторах это может быть до 1000 В, например, для транзистора горизонтального отклонения в дисплее на электронно-лучевой трубке.

Коллекторный ток

Максимальное значение силы тока коллектора IКамперах) обычно указывается производителем. Типичные значения для слаботочных транзисторов составляют от 10 до 100 мА, а для силовых транзисторов – десятки ампер. Следует понимать, что это максимальное значение предполагает состояние насыщения (с минимальным падением напряжения на переходе коллектор/эмиттер). Если транзистор не насыщен и между коллектором и эмиттером падает значительное напряжение, максимальная мощность рассеиваемой мощности, вероятно, будет превышена с учётом максимального номинального тока коллектора. Просто об этом следует всегда помнить при проектировании транзисторной схемы.

Напряжения насыщения

В идеале насыщенный транзистор действует как замкнутый переключающий контакт между коллектором и эмиттером, сбрасывая нулевое напряжение при полном токе коллектора. На самом деле это никогда не бывает правдой. Производители указывают максимальное падение напряжения транзистора при насыщении как между коллектором и эмиттером, так и между базой и эмиттером (прямое падение напряжения на соответствующем P-N-переходе). Падение напряжения на переходе коллектор/эмиттер при насыщении обычно ожидается на уровне 0,3 В или меньше, но это значение, конечно, зависит от конкретного типа транзистора. Низковольтные транзисторы с низким VКЭ показывают более низкое напряжение насыщения. Напряжение насыщения также ниже при более высоком базовом токе возбуждения.

Прямое падение напряжения на переходе база/эмиттер VБЭ аналогично падению напряжения эквивалентного диода 0,7 В, что вполне логично.

Бета-коэффициент

Отношение тока коллектора к току базы β является основным параметром, характеризующим усилительную способность биполярного транзистора. В схемных расчётах обычно предполагается, что β является постоянной величиной, но, к сожалению, на практике это далеко не так. Таким образом, производители предоставляют список β (они могут обозначаться как «hfe») – значения для конкретного транзистора в широком диапазоне условий эксплуатации, обычно в форме максимальных/минимальных/стандартных величин. Возможно, вы удивитесь, увидев, в насколько широких пределах могут меняться β в рамках нормальных рабочих процессов. Один популярный слаботочный транзистор, 2N3903, рекламируется как имеющий β в диапазоне от 15 до 150 в зависимости от величины тока коллектора. Обычно β достигает максимума для средних коллекторных токов и минимума для очень низких и очень высоких коллекторных токов. hfe (со строчными «fe») обозначает слабое усиление переменного тока; hFE (с прописными «FE») – это крупное усиление переменного тока (или усиление постоянного тока).

Альфа-коэффициент

Отношение коллекторного тока к эмиттерному, α = IК / IЭ, может быть получено из β: α = β / (β + 1). Биполярные транзисторы выпускаются в самых разных физических корпусах. Тип корпуса в первую очередь зависит от требуемой рассеиваемой мощности транзистора, как и резисторы: чем больше максимальная рассеиваемая мощность, тем больше должны быть габариты устройства, чтобы оставаться холодным. На рисунке ниже показано несколько стандартных типов корпусов для трёхконтактных полупроводниковых устройств, любой из которых может использоваться для размещения биполярного транзистора. Есть много других полупроводниковых устройств, помимо биполярных транзисторов, которые имеют три точки подключения. Обратите внимание, что выводы пластиковых транзисторов могут отличаться в пределах одного типа корпуса, например, для TO-92 на рисунке 1 ниже. Точно идентифицировать трёхконтактное полупроводниковое устройство не получится, если не известен номер детали или без проведения электрических испытаний.

Рис. 1. Корпуса транзисторов, размеры в мм.
Рис. 1. Корпуса транзисторов, размеры в мм.

Небольшие пластиковые корпуса транзисторов, такие как TO-92, могут рассеивать несколько сотен милливатт. Металлические ёмкости ТО-18 и ТО-39 рассеивают больше энергии, несколько сотен милливатт. Пластиковые корпуса силовых транзисторов, такие как (TO-220 и TO-247) рассеивают более 100 Вт, приближаясь к рассеиваемой мощности полностью металлического TO-3. Показатели рассеяния, указанные на рисунке 1 выше, являются максимальными, которые приходилось видеть автору для высокомощных устройств. Большинство силовых транзисторов рассчитаны на половину или меньше указанной мощности. Фактические характеристики смотрите в технических паспортах конкретных устройств.

Полупроводниковый кристалл в пластиковых корпусах TO-220 и TO-247 установлен на теплопроводной металлической вставке, которая передаёт тепло от задней части корпуса к металлическому радиатору (на рисунке не показано). Перед установкой транзистора на радиатор на металл наносится тонкий слой теплопроводящей смазки. Так как заглушки ТО-220 и ТО-247 (а также корпус ТО-3) подключены к коллектору, иногда необходимо электрически изолировать их от заземлённого радиатора с помощью вставной слюдяной или полимерной шайбы. Техпаспортные данные для силовых агрегатов действительны только при установке на радиатор. Без радиатора TO-220 безопасно рассеивает примерно 1 ватт в открытом воздухе.

Данные из техпаспорта для максимальной рассеиваемой мощности трудно достичь на практике. Максимальное рассеивание мощности основано на радиаторе, поддерживающем температуру корпуса транзистора не выше 25°C. Этого сложно достичь с радиатором с воздушным охлаждением. Допустимая рассеиваемая мощность уменьшается с повышением температуры. Это так называемое снижение номинальных характеристик. Многие спецификации устройств питания включают график зависимости рассеиваемой энергии от температуры корпуса.

Итог

  • Рассеяние мощности: максимально допустимое постоянное рассеяние мощности.
  • Обратные напряжения: максимально допустимые VКЭ, VКБ, VЭБ.
  • Коллекторный ток: максимально допустимый коллекторный ток.
  • Напряжение насыщения: падение напряжения VКЭ в насыщенном (полностью проводящем) транзисторе.
  • Бета-коэффициент: β = IК / IБ.
  • Альфа-коэффициент: α = IК / IЭ, α = β / (β + 1).
  • Транзисторные корпуса являются основным фактором рассеивания мощности. Чем больше размер – тем больше рассеивается энергии.

См.также

Внешние ссылки