Защита транзисторов от пробоя.
Область безопасной работы транзистора определяет границы интервала надежной работы транзистора без захода в область одного из видов пробоя. Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в координатах IК (UКЭ). Различают статическую и импульсную ОБР. Статическая ОБР (рис. 1, 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.
Импульсная ОБР определяется максимальным импульсным током коллектора IК.И.МАКС и максимальным импульсным напряжением пробоя UКЭ. 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 IК.И.МАКС и UКЭ. И.МАКС . При увеличении длительности импульса появляются участки, ограничивающие ОБР за счет развития вторичного пробоя (3) и теплового пробоя (2).
Рис. 1. Области безопасной работы биполярного транзистора в статистическом режиме (а) и импульсном режиме (б) при различных длительностях импульсов тока коллектора
Границы областей безопасной работы транзистора зависят от температуры его корпуса. С увеличением температуры корпуса транзистора границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещаются влево. Границы ОБР, обусловленные лавинным или вторичным пробоем, практически от температуры не зависят.
При использовании транзистора необходимо обеспечить нахождение его рабочей точки внутри ОБР без 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. 2.
Простейшая цепь, используемая при индуктивной нагрузке транзистора, состоит из последовательно соединенных элементов R и С, как показано на рис. 2 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:
где UМ — разность между напряжением источника питания ЕКи максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, определяемым по соответствующей ОБР. Вместо RC-цепи можно использовать диодно-резистивную цепь, представленную на рис. 2 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. 2. Защита транзистора от лавинного пробоя при помощи ЛС-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. 2, 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. 3. Схема содержит устройство управления тиристором D защиты, который шунтирует транзистор Т при появлении в его базе колебаний, предшествующих развитию вторичного пробоя.
Рис. 3. Защита транзистора от вторичного пробоя