Методы защиты транзисторов от пробоя.

Методы защиты транзисторов от пробоя.

 

Область безопасной работы транзистораопределяет границы интервала надежной работы транзистора без захода в область одного из видов пробоя. Применение транзисторов в цифровых и импульсных устройствах копиров связано с возмож­ностью их использования в качестве основы для построения различных схем управления исполнительными узлами и механизмами. 

Границы областей безопасной работы (ОБР) транзистора зависят от температуры его корпуса. С увеличением температуры корпуса транзистора границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещаются влево (рис. 1). Границы ОБР, обуслов­ленные лавинным или вторичным пробоем, практически от температуры не за­висят.

. Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в ко­ординатах I_К (U_КЭ). Различают статическую и импульсную ОБР. Статическая ОБР (рис. 2, а) ограничивается участками: то­кового пробоя (1), теплового пробоя (2), вторичного пробоя (3) и лавинного про­боя (4). При построении ОБР в логарифмическом масштабе все ее участки имеют вид прямых линий.

 

 

Рис. 1. Температурная зависимость тока стока полевого транзистора с p/n-переходом

 

Импульсная ОБР определяется максимальным импульсным током коллектора I_{К.И.МАКС}  и максимальным импульсным напряжением пробоя U_{КЭ. И.МАКС} . При малых длительностях импульсов на ней могут отсутствовать участки, обусловленные тепловым пробоем. При длительности импульса менее 1 мкс импульсная ОБР име­ет только две границы I_{К.И.МАКС}  и U_{КЭ. И.МАКС} . При увеличении длительности импульса появляются участки, ограничивающие ОБР за счет развития вторичного пробоя (3) и теплового пробоя (2).

 

 

 

Рис. 2. Области безопасной работы биполярного транзистора в статистическом режиме (а) и импульсном режиме (б) при различных длительностях импульсов тока коллектора.

 

При использовании транзистора необходимо обеспечить нахождение его рабочей точки внутри ОБРбез выхода за ее пределы. Даже кратковременный выход рабочей точки за пределы соответствующей ОБР влечет за собой попадание транзистора в область пробоя. С целью защиты тран­зистора от возможного пробоя обычно формируют траекторию его переключения при работе в ключевом режиме. Для этого к транзистору подключают дополни­тельные цепи, содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны. Парамет­ры этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным путем. Неко­торые из таких схем приведены на рис. 3.

Простейшая цепь, используемая при индуктивной нагрузке транзистора, состоит из последовательно соединенных элементов Rи С, как показано на рис. 3 а. Эта цепь работает следующим образом. При запирании транзистора с индуктивной нагрузкой ток в индуктивности, не меняя своего значения и направ­ления, поступает в RC-цепь и заряжает конденсатор С. При этом часть энергии, запасенной в индуктивности, будет израсходована в резисторе R. Благодаря этому исключается импульс большой амплитуды на коллекторе транзистора, который вывел бы рабочую точку за пределы ОБР.

Элементы такой цепи рассчитываются по формулам: 

C³2L_НE_К 2/U_МR_Н , R = U_МR_Н /Ö2E_К                                                                 

где U_М — разность между напряжением источника питания Е_Ки максимально допу­стимым напряжением коллектор-эмиттер, определяемым по соответствующей ОБР. Вместо RC-цепи можно использовать диодно-резистивную цепь, представлен­ную на рис. 3 б. В этой схеме при запирании транзистора отпирается диод D, и через него проходит ток индуктивной нагрузки. Для снижения амплитуды им­пульса тока в диоде последовательно с ним иногда включается сопротивление R. Перепад напряжения на транзисторе равен прямому падению напряжения на дио­де, т. е. практически отсутствует.

 

 

 

Рис. 3. Защита транзистора от лавинного пробоя при помощи LС-цепи (а), шунтирующего диода (б) и стабилитрона (в)

 

Для ограничения выброса напряжения на коллекторе транзистора при его запирании можно использовать ограничитель на стабилитроне D, как показано на рис. 3, в. Все рассмотренные цепи ограничивают предельное напряжение на транзисторе и тем самым предохраняют транзистор от попадания в режим лавин­ного пробоя.

Для защиты транзистора от перегрева и связанного с этим теплового пробоя применяют охладители, к которым крепится корпус транзистора. Применение охладителей  позволяет  уменьшить     перегрев транзистора.

Наиболее сложной проблемой является за­щита транзисторов от вторичного пробоя. При развитии вторичного пробоя транзистор теряет управление по базе, и даже подавая на базу об­ратное смещение, запереть его нельзя. Един­ственным способом защиты транзистора в этом случае является распознавание развития вто­ричного пробоя во время задержки и шунтиро­вание выводов коллектор-эмиттер транзистора с помощью быстродействующего тиристора.

Упрощенная схема защиты транзистора от вторичного пробоя приведена на рис. 4. Схема содержит устройство управления тиристором Dзащиты, который шунтирует транзистор Т при появлении в его базе колебаний, предшествую­щих развитию вторичного пробоя.

 

 

 

Рис. 18. Защита транзистора от вторичного пробоя.