|
Поиск по сайту: |
|
По базе: |
 |
| Главная страница > Статьи > Силовая электроника | |||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Преимущества применения биполярных транзисторов BISSВ статье рассмотрены современные биполярные транзисторы BISS с уменьшенным напряжением насыщения и меньшей мощностью рассеяния. Оценены преимущества и проанализированы особенности применения BISS транзисторов в различных схемах взамен традиционных биполярных транзисторов. Приведены типы, характеристики и система маркировки BISS транзисторов. Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно - "прорыв в малом сигнале") - биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счет изменения конструкции зоны эмиттера, изображенной на рис. 1.
Здесь показано, что, по сравнению с традиционными биполярными транзисторами (ТБТ), в транзисторах BISS зона эмиттера максимально увеличена и максимально (даже двухслойно) металлизирована. Благодаря этому, ток эмиттера распределен более равномерно по всей зоне и уменьшено омическое сопротивление. В результате, в транзисторах BISS обеспечено значительное уменьшение напряжения VCEsat насыщения коллектор-эмиттер. На рис. 2 приведена зависимость напряжения VCEsat от тока IC коллектора для трех поколений транзисторов BISS компании NXP Semiconductors.
По кривым на рис. 2 легко определить, что, например, при токе 1000 мА напряжение насыщения транзистора BISS типа PBSS302ND почти в 8 раз меньше аналогичного напряжения транзистора ТБТ ВС817-40. Вследствие этого в транзисторах BISS существенно уменьшается мощность рассеяния и, соответственно, температура кристалла, то есть появляется возможность либо уменьшить габариты (корпус), либо при тех же габаритах увеличить мощность, передаваемую транзистором в нагрузку, либо увеличить максимально допустимую температуру транзистора. Кроме того, благодаря особому выполнению зоны эмиттера, у транзисторов BISS не только понижается температура, но и существенно уменьшается градиент ее распределения по корпусу. Это обстоятельство наглядно продемонстрировано на рис. 3, где приведены результаты измерений теплового состояния тех же сравниваемых транзисторов.
Отсюда следует, что в транзисторах BISS устранены зоны локального перегрева, то есть существенно улучшен тепловой режим, в результате чего значительно повышена надежность. Транзисторы BISS применяются в диапазоне коллекторных токов до 10 А при напряжении коллектор - эмиттер до 100 В и отличаются от транзисторов ТБТ более низким напряжением насыщения, значительно меньшими габаритами, расширенным температурным диапазоном и более высокой степенью надежности. Обобщим преимущества применения транзисторов BISS по сравнению с транзисторами ТБТ:
Рассмотрим преимущества использования транзисторов BISS взамен ТБТ в наиболее распространенных схемах. Инвертор и эмиттерный повторитель
На рис. 4 изображены основные каскады транзисторов: инверторы и эмиттерный повторитель. В зависимости от уровня входного напряжения транзистор в схеме инвертора (рис. 4a или рис. 4б) может находиться в режиме усиления или в режиме насыщения. В режиме усиления транзисторы BISS отличаются б?льшим, чем в ТБТ, коэффициентом усиления по току, поэтому режим насыщения в транзисторах BISS наступает при меньшем базовом токе, а напряжение насыщения коллектор - эмиттер имеет меньшее, чем в ТБТ, значение. Инверторы, построенные на транзисторах BISS, обладают всеми перечисленными выше преимуществами. В схеме с эмиттерным повторителем (рис. 4в) выходное (то есть эмиттерное) напряжение примерно равно напряжению на базе. Поскольку коэффициент усиления по напряжению схемы примерно равен 1, то характеристики эмиттерного повторителя могут быть улучшены только за счет высокого коэффициента усиления по току и высокого значения выходного тока коллектора транзистора BISS. Управление электропитаниемКонвертор постоянного тока Конверторы постоянного тока предназначены для преобразования значений постоянного напряжения на входе и выходе (DC/DC конверторы). Они широко используются для обеспечения питанием электронных устройств различной мощности: от милливатт (мобильные телефоны и PDA) до многих киловатт. На рис. 5 показаны три типичные схемы конверторов: повышающий или понижающий напряжение (рис. 5а), понижающий напряжение (рис. 5б) и повышающий напряжение (рис. 5в). Преобразование напряжения основано на том, что по командам от контроллера изменяется интервал времени, в течение которого основной (проходной) транзистор находится в состоянии "открыт/закрыт", в результате чего изменяется среднее значение напряжения на выходе конвертора.
Эффективность конверторов постоянного тока зависит от статических и динамических параметров проходного транзистора, функционирующего в режиме переключения. По своим характеристикам транзисторы BISS наилучшим образом подходят для применения в качестве проходных транзисторов конверторов, в которых они обеспечивают увеличение КПД преобразования, уменьшение мощности рассеяния тепла, увеличение срока службы и, в конечном счете, защиту окружающей среды. Кроме рассмотренных схем конверторов, транзисторы BISS применяются в низковольтных конверторах обратного хода и в двухтактных конверторах. Комплементарный драйвер Комплементарный драйвер (табл. 1, рис. 6) представляет собой эмиттерный повторитель, построенный на комплементарной (взаимодополняющей) паре транзисторов разного типа проводимости. Этот драйвер используется в различных устройствах, в том числе в конверторах постоянного тока для управления КМОП-ключами. Главная задача такого драйвера: заряжать и разряжать емкость управляющего электрода с максимальным быстродействием (при допустимых токах), чтобы минимизировать потери на переключение. Кроме того, комплементарный драйвер снимает часть нагрузки со схемы управления. Высокий коэффициент усиления по постоянному току при максимальном токе коллектора и высокая нагрузочная (пиковая) способность коллектора - это важные критерии при выборе типа транзисторов. Именно в таком драйвере транзисторы BISS обладают существенными преимуществами перед другими транзисторами.
Таблица 1. Транзисторы BISS для комплементарных драйверов
* - не BISS транзисторы, только ссылка Если кросс-проводимость является проблемой, то между эмиттером NPN-транзистора и затвором КМОП-транзистора устанавливается низкоомный резистор. Он не влияет на закрывание транзистора, но задерживает открывание. Выключатель цепи питания В автономных, а также в мобильных устройствах, питание которых осуществляется от аккумуляторной батареи (например, в ноутбуках), необходимы выключатели цепей питания секций, не участвующих в информационном процессе. В результате удается значительно увеличить ресурс батареи. Для того чтобы уменьшить потери энергии при переключении, необходимо, чтобы падение напряжения на переключателе, то есть напряжение насыщения транзистора, было минимальным. На рис. 7 показано экономичное и компактное решение этой задачи с использованием сдвоенного BISS-транзистора PBSS3515VS и сдвоенного транзистора со встроенным резистором (RET) PEMHx. Оба транзистора размещены в ультракомпактном корпусе типа SOT666. По сравнению с транзисторами ТБТ, транзисторы BISS занимают значительно меньшую площадь печатной платы и имеют более высокую надежность и эффективность.
Таблица 2. Транзисторы BISS для выключателя цепи питания
Интегральный регулятор напряжения При использовании транзисторов BISS в линейном регуляторе напряжения (рис. 8) с интегральными микросхемами (например, типа MAX687, LT1123 или ADM666A) удается увеличить допустимую нагрузку по выходному току, увеличить коэффициент усиления по току управления и значительно уменьшить падение напряжения между входом и выходом. Обычно, при токе 0,1 A падение напряжения на транзисторе составляет 55 мВ, а при токе 1 A - 140 мВ. Благодаря тому, что вертикальный транзистор обладает большим коэффициентом усиления по току, требуется меньший управляющий (базовый) ток. Так, например, для транзистора PBSS5240T при IC = 1 А, IB = 3,45 мА.
Таким образом, как показано в таблице 3, эффективность регулятора с транзисторами BISS возрастает с 80 до 95%. Таблица 3. Эффективность регуляторов напряжения
Следует заметить, что регуляторы с низким падением напряжения более чувствительны к емкости нагрузки. Эта зависимость возникает из-за операции инвертирования, которую выполняет проходной PNP транзистор. Регулятор с низким падением напряжения можно построить по схеме рис. 9 с таким же улучшением параметров проходного транзистора, как и указано ранее.
Рекомендуемые типы указаны в таблице 4. Таблица 4. Транзисторы BISS для регуляторов напряжения
Зарядное устройство батареи В современных зарядных устройствах батарей применяются прогрессивные технические решения: непрерывное измерение напряжения батареи, измерение тока зарядки, а также температуры. Эти решения можно выполнить с помощью контроллеров и интегральных схем. Для многих интегральных схем необходим внешний дискретный выходной каскад, обеспечивающий управление токами порядка 10 А. Транзисторы BISS (табл. 5, 6), обладающие низким напряжением насыщения, высоким коэффициентом усиления и высокой нагрузочной способностью по току, наилучшим образом подходят для таких устройств. Таблица 5. Транзисторы BISS для зарядного устройства
Таблица 6. Параметры транзисторов ТБТ и BISS для зарядного устройства
На рис. 10 показано подключение транзистора BISS к микросхеме мониторинга состояния и быстрой зарядки NiCd и NiMn батарей TEA1104 фирмы NXP (
Устройство питания экономичных люминесцентных ламп Для питания люминесцентной лампы с холодным катодом (CCFL) необходим источник высокого напряжения. Альтернативой балластному драйверу UBA2070 компании NXP является двухтактный конвертор, показанный на рис. 11. Схема содержит микросхему управления (например, UCC3973, LT1172, MAX1610), резонансный двухтактный каскад и высоковольтный каскад. Для повышения эффективности схемы в качестве транзисторов двухтактного каскада целесообразно применять транзисторы BISS (табл. 7).
Таблица 7. Транзисторы BISS для экономичных люминесцентных ламп
Периферийный драйверПростой драйвер нагрузки Для переключения больших токов в реле, лампах и двигателях используются транзисторы в схемах инвертора или эмиттерного повторителя (рис. 4). Благодаря высокой нагрузочной способности по току коллектора и высокому коэффициенту усиления по току, в таких устройствах целесообразно применять транзисторы BISS. Кроме того, в низковольтных схемах для обеспечения эффективной передачи энергии в нагрузку необходимо использовать транзисторы BISS, имеющие пониженное напряжение насыщения коллектор - эмиттер. Так, например, при использовании транзистора BISS типа PBSS4350T в схеме с напряжением питания 3 В, напряжение на нагрузке составляет 2,9 В. При использовании в этой же схеме транзистора ТБТ типа BC817 напряжение составляет 2,3 В. Известно, что входное сопротивление эмиттерного повторителя высоко, то есть является пренебрежимо малой нагрузкой для источника. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя - низкое, что облегчает согласование с нагрузкой. Если нагрузка индуктивна, то для защиты транзистора от избыточного напряжения применяется шунтирующий диод. Драйвер матрицы светодиодов На рис. 12 показана выходная часть светодиодного дисплея, которая используется в больших графических дисплеях и в дисплеях типа "бегущая строка". Выходная часть может содержать сотни светодиодов, для которых требуется множество линий управления, если каждым светодиодом управлять по отдельности. Современное решение состоит в том, что светодиоды объединены в матрицу, при управлении которой удается значительно сократить число требуемых драйверов и проводов.
Каждый светодиод матрицы питается импульсным током. Для обеспечения того же среднего значения, которое было бы при питании постоянным током, значение тока в импульсе должно быть увеличено с учетом скважности: Ipulse = Icont/цикл. Например, если постоянный ток в столбце из 25 светодиодов должен составлять 20 мА, то при рабочем цикле 4% ток в импульсе должен составлять 500 мА. Для использования преимуществ матричной конфигурации требуются транзисторы с высокой нагрузочной способностью по току. Каждый транзистор драйвера столбца должен выдерживать импульсный ток, равный 500 мА, и каждый драйвер строки должен выдерживать импульсный ток, равный n х 500 мА, где n - число рядов. Кроме того, поскольку транзисторы управляются стандартной логической схемой с ограниченной нагрузочной способностью по току, важно, чтобы транзистор имел высокий коэффициент усиления по току, как в транзисторах BISS. Например, при токе базы 1,7 мА обеспечивается насыщение транзистора BISS типа PBSS4350T при токе коллектора IC = 500 мА. В связи с тем, что логические элементы не могут обеспечить управление базовым током 100 мА, для драйвера строки требуется дополнительный буфер на транзисторах ТБТ, на парах транзисторов (например, BC847BS), на транзисторах с дополнительным резистором (например, RET) или на парах транзисторов с дополнительными резисторами. В том случае, когда напряжение питания составляет 5 В, большое значение имеет величина напряжения насыщения транзистора, так как напряжения насыщения транзисторов драйверов столбца и строки суммируются. В таблице 8 для сравнения приведены характеристики транзисторов ТБТ и BISS, которые используются в таких схемах. Таблица 8. Характеристики транзисторов ТБТ и BISS для матрицы светодиодов
Драйверы двигателей На рис. 13 показана схема управления 4-фазным шаговым двигателем, который используется, например, в сканерах, копирах и в некоторых устройствах автомобилей. На рис. 14 показана мостовая схема управления реверсивным двигателем. В таких схемах с помощью дискретных биполярных транзисторов осуществляется согласование стандартных интегральных микросхем (контроллеров) с цепями управления двигателей.
При использовании транзисторов BISS, обладающих низким напряжением насыщения, повышается эффективность драйвера двигателя, особенно при низком напряжении питания. Это важно, поскольку значения напряжения насыщения транзисторов (рис. 14) суммируются.
Кроме того, в связи с уменьшенной мощностью рассеяния можно использовать транзисторы BISS в маленьких и дешевых корпусах, например SOT457/SC-74 вместо SOT223/SC-73. Таблица 10. Транзисторы ТБТ и BISS для мостовых схем
Выводы При использовании транзисторов BISS (табл. 11, 12, 13, 14, 15 рис. 15) взамен традиционных биполярных транзисторов удается реализовать следующие преимущества:
Таблица 11. Двойные транзисторы BISS
* IC= 0.5(A); IB=0.025(A) Таблица 12. Ключевые транзисторы BISS
Таблица 13. Высоковольтные транзисторы BISS
Таблица 14. Транзисторы BISS с низким напряжением насыщения (NPN)
* IC/IB=20 Таблица 15. Транзисторы BISS с низким напряжением насыщения (PNP)
* IC/IB=20 Область применения транзисторов BISS Портативная электроника, компьютеры, MP3 плееры, игровые приставки, гарнитуры, мобильные телефоны, цифровые видеокамеры, (управление вентилятором, питанием LAN, ADSL, конвертор DC/DC, переключатели нагрузки), автомобильная электроника (радионавигационные приборы, управление подушкой безопасности, управление топливной системой), промышленность (выключатели питания, выключатели подсветки LCD (ЖКИ), инверторы для TFT, блоки питания, схемы управления двигателем, драйвер светодиода, микросхемы балластов, дополнение к MOSFET драйверу). Егоров Алексей,  Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
%
