книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

может закрываться при определенном уровне сигнала на входе. В данной схеме максимальный ток транзистора Т2 не зависит от максимума Іц и транзистор Т2 оказывается автоматически защи­ щенным от всплесков входного напряжения ' (тока). Схема за-

щиты рис. 16. 27, в действует аналогично. При выборе типа схемы и транзистора в импульсных усилителях с непосредственными связями необходимо руководствоваться следующим:

а) после каскада с общим эмиттером необходимо включить транзистор такого же типа:

б) после каскада с общим коллектором (эмиттерный повто­ ритель, необходимо включить транзистор другой проводимости) после транзистора р—п—/7-типа следует включить транзистор п—р—п. Эти два правила общие и всегда обеспечивают защиту при больших значениях R і.

6. Защита полупроводниковых диодов в цепях релейных схем. При монтаже реле на плате прибора следует учитывать мон­ тажные емкости. При обесточивании обмотки реле контактами или электронным ключом в контуре ударного возбуждения возникают колебания, амплитуда первого импульса которых достигает (несколько сот вольт при £ Шт несколько десятков вольт). Для защиты диода от этих импульсов необходимо шун­ тировать обмотку реле RC цепочкой или диодом.

7. Для защиты полупроводниковых приборов от перегрузок по току рекомендуются следующие способы:

232 ^

а) включение токоограничительных сопротивлений последова­ тельно с выводами полупроводниковых приборов. Для защиты транзистора необходимо включить два сопротивления — в эмит­ тер и коллектор.

б) шунтирование полупроводниковых приборов сопротивле­ ниями;

6)

Рис. 16.28. Перегрузки, возникающие в схеме мульти­

вибратора

в) параллельное включение полупроводниковых приборов.

мультивибраторы, инверторы, рис. 16.28,а) при форсированном запирании на эмиттерном переходе возникают импульсы, дости­ гающие по амплитуде коллекторного напряжения (рис. 16.28,6).

Пробивное напряжение дрейфовых транзисторов очень низ­ кое' (от 0,5 до ЗВ для разных типов). Таким образом, уже при напряжении коллекторного питания 5 В в этих схемах эмиттерный переход транзисторов окажется в режиме электрического пробоя и существенно превышает предельно допустимое напря­ жение Uб.э.макс-

Для ограничения положительного выброса на базе рекомен­ дуется ставить ограничительный диод Д (рис. 16.29).

Метод диодного ограничения эффективен при сравнительно низких временах переключения. При высоком быстродействии происходит лишь частичное ограничение. В этом случае необхо-

233

димо ограничивать величину тока и пиковой мощности, выделяе­ мой на переходе, для предупреждения локального перегрева перехода. Для ограничения тока последовательно с ускоряющей

(рис. 16.30).

Параллельное и последовательное включения диодов и транзисторов

На практике часто встречаются случаи, когда необходимая величина тока или напряжения превышает допустимые нормы для одного полупроводникового прибора. Применение же в этих случаях прибора следующей по мощности или по напряжению категории не всегда может быть оправдано экономически и кон­ структивно. Кроме того, применение более мощного прибора может привести к использованию его на начальном, наименее стабильном по температуре, участке вольт-амперной характери­ стики.

При необходимости получить максимальный ток, превышаю­ щий предельно допустимое значение полупроводникового при­ бора, применяют параллельное включение диодов или транзисто­ ров. При параллельном включении необходимо учитывать, что полупроводниковые выпрямительные диоды имеют разброс по величине ЯПрПри этом очевидно, что при различии і?Пр включен­ ных параллельно диодов, ток между ними будет распределяться неравномерно. Больший ток вызовет больший разогрев р—«-пе­ рехода, соответственно уменьшится _/?Пр и ток еще больше воз-

234 •

растет. В итоге ток через диод может превышать предельно допустимый и вывести его из строя. Так как различие по Rnр за­ висит от температуры и изменяется со временем, то подбор дио­ дов с идентичными параметрами не может привести к созданию надежной схемы. То же самое получается и при параллельном включеIIни транзисторов.

Для того чтобы обеспечить надежную работу полупроводни-. ковых приборов при параллельном включении, необходимо искусственно выравнять сопротивление приборов. Это достигает-

ся с помощью добавочных сопротивлений небольшой величины, включаемых ' послбдователы-ю в цепь каждого прибора (рис. 16. 31).

В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение полупроводниковых приборов. При последовательном соединении высокое рабочее напряжение распределяется между

напряжение цепи. Здесь так же, как и при параллельном вклю­ чении, необходимо учитывать, что полупроводниковые приборы имеют значительный разброс по величине неуправляемого тока. Кроме того, этот ток нестабилен во времени и нестабильность для каждого экземпляра различна. Совершенно очевидно, что при последовательном включении большая часть рабочего напря­ жения будет приложена к полупроводниковому прибору с мини­ мальным значением неуправляемого тока.

При этом максимальное напряжение на нем может превы­ сить предельно допустимое и прибор окажется в режиме пробоя. Зависимость величины обратного тока от температуры, возмож­ ность изменения его за счет старения, а также различного рода

235

нестабильности исключают возможность подбора полупроводни­ ковых приборов для последовательного включения.

На практике для обеспечения надежной работы диодов и транзисторов прибегают к искусственному выравниванию по­ даваемых на них напряжений с помощью шунтирующих сопро­ тивлений. Шунтирующие сопротивления одинаковой величины включают параллельно каждому прибору (рис. 16.32). При достаточно малой величине Rm по сравнению с обратным сопро­ тивлением диодов (или входным сопротивлением транзисторов) напряжения на них, а следовательно, и на полупроводниковых приборах будут равны.

Величина выравнивающих и шунтирующих сопротивлений может быть определена графо-аналитическим методом с по­ мощью известных вольт-амперных характеристик или по при­ ближенным формулам, учитывающим наибольший возможный относительный разброс параметров диодов:

ваемое к вентильной цепи;

’Лэбр.макс — максимальный обратный ток;

п— число диодов, включенных параллельно или по­

следовательно.

При .расчете схем с параллельным и последовательным соеди­ нением диодов следует иметь в виду, что при приближении коэф­ фициентов использования диодов по току и напряжению к еди­ нице, мощность, рассеиваемая на выравнивающих и шунтирую­ щих сопротивлениях, растет и, следовательно, коэффициент полезного действия падает; падает и вероятность безотказной работы диодов.

Необходимо также иметь в виду, что с ростом частоты увели­ чивается величина / 0бр.макс, при расчетах Rm ее нужно определить экспериментально для конкретных режимов работы схемы.

Для выравнивания импульсных или синусоидальных напря­ жений часто используют также шунтирование диодов конденса-

236

торами. Применение емкостных шунтов обеспечивает равномер­ ное распределение напряжений в широком диапазоне частот и не приводит к дополнительным тепловым потерям. Величины шунтирующих емкостей, как правило, подбирают эксперимен­ тально. ■

Отбор полупроводниковых приборов с одинаковыми парамет­ рами для выравнивания напряжений или токов приводит, как правило, к выходу их из строя, так как в процессе работы пара­ метры приборов могут значительно изменяться.

§ 16.6. М Е Х А Н И Ч Е С К И Е И К Л И М А Т И Ч Е С К И Е У С Л О В И Я Р А Б О Т Ы Т Р АНЗИСТОРОВ И Д И О Д О В

При эксплуатации аппаратуры с транзисторами и диодами

вусловиях внешних воздействий, превышающих нормы ТУ, или

вусловиях, являющихся предельно допустимыми, может приве­ сти к их порче.

Нередко полупроводниковые приборы быстро выходят из строя при эксплуатации в недопустимых климатических условиях.

Так, например, эксплуатация полупроводниковых приборов' в температурных режимах, выше предельных, может вызвать Механические напряжения на кристалл, возникающие из-за раз­ ности коэффициентов термического расширения полупроводни­ кового кристалла и контактируемых с ним материалов. Ввиду большой хрупкости кремния механические напряжения могут вызвать появление трещин и отслаивание контактов, что приво­ дит в конечном итоге к выходу полупроводникового прибора из строя. Механические напряжения, связанные с разностью терми­ ческих коэффициентов расширения, увеличиваются с пониже­ нием температуры.

При импульсной нагрузке и низких температурах происходит резкое многократное колебание температуры полупроводника.

Работа полупроводниковых приборов в тропических условиях

Работа в условиях тропического климата требует применения специальных мер.

Основными климатическими факторами, воздействующими на полупроводниковые приборы при эксплуатации их в тропиче­ ских условиях, являются повышенная температура и влажность, обильная и частая конденсация водяных паров (роса), солнеч­ ная радиация, пыль и песок, морской туман, плесневые грибы.

Из-за несоблюдения определенных условий при проектирова­ нии аппаратуры на полупроводниковых приборах последние мо­ гут выйти из строя. Например, наличие коррозии на корпусе при­ бора может ухудшить теплообмен, а после определенного вре­ мени (при. более глубоком проникновении коррозии) может

237

произойти разгерметизация. Наличие коррозии на выводах полу­ проводниковых приборов может значительно уменьшить их ме­ ханическую прочность.

Если на поверхность полупроводниковых приборов попаДают пыль и влага, а также имеет место грибообразоваине, то могут увеличиться токи утечек между выводами до недопустимых для конкретных схем величин.

При установлении полупроводниковых приборов на теплоот­ воды следует избегать зазоров между теплоотводом и прибором, что, помимо ухудшения теплоотдачи, способствует скоплению влаги и пыли в зазоре и вследствие этого ускоряет коррозию. При конструировании теплоотводов 'следует избегать острых углов, которые будут быстрее подвергаться коррозии, так как при покрытии на острых кромках толщина покрытия может быть недостаточной. Также следует избегать без надобностей глубоких впадин и щелей, где покрытие может быть недостаточной тол­ щины.

Собранный узел (полупроводниковый прибор+теплоотвод) ■следует покрыть влагостойким лаком.

Механические условия работы транзисторов и диодов

Стойкость полупроводниковых приборов к механическим воз­ действиям в основном определяется свойствами проводников, которые соединяют внутренний элемент с внешними выводами и прочностью стеклянных заполнителей выводов полупроводни­ ковых приборов. С точки зрения механической прочности они являются наиболее слабыми частями полупроводникового при­ бора. Это особенно важно для точечных диодов.

При вибрации на собственную резонансную частоту полупро­ водниковых приборов влияет длина выводов, диаметр и вес при­ бора. Если прибор подвергается вибрации на своей собственной резонансной частоте, то, как правило, происходит разрыв внут­ ренних проводников. В результате удара механические напряже­ ния могут привести к растрескиванию.

Заливка схем — эффективный метод предупреждения порчи полупроводниковых приборов под действием ударов и вибраций. Заливка пенопластами и покрытие эпоксидным лаком позволяет увеличить жесткость и улучшить ударо- и виброустойчивость.

При применении пластических смол некоторая часть энергии сообщается материалу с высокими внутренними потерями на ги­ стерезис. Эта энергия будет рассеиваться, не причиняя никакого вреда полупроводниковому прибору.

Эпоксидные покрытия, обладающие хорошей адгезией, погло­ щают падающую энергию и таким образом защищают полупро­ водниковые приборы от возникновения вибрационных усилий. Можнопредохранитьаппаратуру -с полупроводниковыми прибо-

238

.рами от чрезмерных вибраций и ударов с помощью вибро- и удароамортизаторов. Амортизаторы оберегают от кратковременных сильных ударов и уменьшают скорость нарастания внезапно приложенного длительного удара. Они защищают от высокоча­ стотных составляющих колебаний ударной волны и, таким обра­ зом, сильно уменьшают влияние ударного возбуждения конст­ рукции и резонанса полупроводниковых приборов. Амортизаторымогут быть изготовлены из таких упругих материалов как резина, которая, обладает в сжатом состоянии сравнительно невысокой собственной частотой колебаний (25—30 Гц).

Необходимо выполнять условия, чтобы резонансная частота ■полупроводниковых приборов была выше удвоенной наивысшен частоты вибрации амортизатора. Желательно, чтобы резонанс­ ная частота аппарата на полупроводниковых приборах была выше 100 Гц. Это может быть достигнуто путем расчета на ран­ ней стадии конструирования.

Эффективен метод защиты от вибраций с помощью динами­ ческих поглотителей. Динамический поглотитель представляет -собой механизм, обладающий той .же частотой' резонанса, что и полупроводниковый прибор или аппарат, но рассчитан таким •образом, что стремится вибрировать со смещением по фазе на 180°. В результате общин уровень вибрации существенно сни­ жается.

Применение заливки амортизаторов и других средств может ухудшить теплоотвод от полупроводниковых приборов. Необхо­ димо следить, чтобы применение указанных средств защиты полупроводниковых приборов от механических перегрузок не снижали надежность аппаратуры в результате нарушения тепло-

.вого режима полупроводниковых приборов.

Работа полупроводниковых приборов в условиях глубокого вакуума

. При работе полупроводниковых приборов в условиях глубо­ кого вакуума ухудшается теплообмен вследствие уменьшения коэффициентов конвекции и теплопроводности и начиная с дав­ ления 10-1—102 Н/м2 (10_3—ІО-4 мм рт. ст.) практически отдача тепла от нагретого, полупроводникового прибора происходит только за счет излучения.

Для полупроводниковых приборов, применяемых без тепло­ отводов, предельно допустимая мощность, рассеиваемая на при­ боре при давлении ІО-4 Н/м2, снижается в 3—4 раза по сравне­ нию с нормальными атмосферными условиями. Поэтому при про­ ектировании схем на полупроводниковых приборах, работающих в условиях глубокого вакуума без теплоотвода коэффициент на­ грузки по мощности не должен превышать 0,25.

Для полупроводниковых приборов, применяемых с теплоотво­ дом в условиях глубокого вакуума до ІО-6 мм рт. ст., предельно

23)

допустимая мощность может снизиться более чем в 4 раза. Вели­ чина предельно-допустимой мощности в этом случае будет опре­ деляться конструкцией теплоотвода.

В условиях глубокого вакуума плоские теплоотводы, имею­ щие большую поверхность в открытое пространство, предпочти­ тельнее, чем ребристые, хотя в нормальных атмосферных усло­

Воздействие гамма-излучения на транзисторы и диоды вызывает иониза­ цию полупроводникового материала, поверхностных покрытий и наполнителя корпуса приборов. Это приводит к временному увеличению токов между вы­ водами приборов. При достаточно большой мощности дозы гамма-излучения р—/г-переход может оказаться в состоянии насыщения.

Под воздействием импульсного и непрерывного потока нейтронов в полу­ проводниковых приборах происходят остаточные изменения параметров. Так, например, радиационная стойкость транзисторов в основном определяется изменением коэффициента усиления по току и обратного тока переходов.

У германиевых диодов наиболее сильно изменяется обратная ветвь вольтамперной характеристики (увеличивается обратный ток, снижается пробив­ ное напряжение). Существенные изменения прямой ветви наступают при больших потоках нейтронов.

У кремниевых диодов более значительно изменяется прямая ветвь вольтамперной характеристики (растет прямое сопротивление). На обратной ветви- вольт-амперной характеристики кремниевых диодов увеличиваются ток и про­ бивное напряжение.

У переключающих управляемых и неуправляемых полупроводниковых диодов наблюдается остаточное увеличение напряжения включения, тока вы­ ключения, прямого напряжения на включенном диоде, сопротивление насы­ щения и уменьшение эффективности управления.

Укремниевых стабилитронов увеличивается напряжение стабилизации, прямая ветвь вольт-амперной характеристики изменяется незначительно.

Утуннельных диодов устойчивые изменения вольт-амперной характери­ стики выражаются в увеличении тока минимума, возрастании модуля отрица­

тельного сопротивления и смещении второго восходящего участка характе­ ристики.

У СВЧ смесительных диодов увеличиваются потери преобразования

икоэффициент шума.

Уфотодиодов уменьшается чувствительность.

В аппаратуре, предназначенной для эксплуатации в условиях воздейст­ вия радиации, применяют специальные полупроводниковые приборы. Д л» расчета радиационной стойкости схем на полупроводниковых приборах спра­ вочные данные по радиационной стойкости берутся с учетом спектра излуче­ ния в каждом отдельном случае.

Германиевые диоды необходимо использовать с большими запасами пообратному напряжению, кремниевые диоды — с большими запасами по пря­ мому току. В противном случае схема может отказать не из-за изменения па­

240

Сравнительно высокая радиационная стойкость туннельных диодов делает перспективным применение их в маломощных переключающих, генераторных

а усилительных схемах.

При проектировании схем па германиевых транзисторах необходимо учи­ тывать как изменение коэффициента усиления ß, так и изменение обратного тока 1„о и пробивного напряжения U n.o■ Для кремниевых транзисторов обычно достаточно учитывать только изменение ß.

Работа полупроводниковых приборов

вмагнитном поле

Вполупроводниковых приборах носители заряда перемещаются в твердом лоле, а рабочие объемы полупроводниковых приборов очень малы, поэтому •естественно предположить, что в условиях магнитных полей полупроводнико­

вые приборы будут работать достаточно надежно.

Однако было выяснено, что при благоприятных условиях сильное магнит­ ное поле оказывает заметное влияние на усилительные свойства транзисторов,

Влияние магнитного поля на параметры

а х а р а к т е р и с т и к и п о л у п р о в о д н и к о в ы х п р и б о р о в

Траектории носителей тока, перемещающихся в теле полупроводника под действием внешнего магнитного поля, искривляются. В общем случае сила,

Искривление траекторий носителей ведет к увеличению рассеяния на тепловых колебаниях решетки и ионизированных атомах примеси, к уменьше­ нию эффективной длины свободного пробега и, следовательно, подвижности. Удельное сопротивление полупроводника растет.

Изменение удельного сопротивления пропорционально квадрату напря­ женности магнитного поля

Кроме того, отклонение носителей заряда в магнитном поле повышает вероятность их рекомбинации, изменяется диффузионная длина носителей, сни­ жается их концентрация.

Перечисленные эффекты приводят к тому, что при работе полупроводни- •ковых приборов в сильных магнитных полях изменяются некоторые их пара­ метры.

Магнитное поле влияет как на параметры германиевых, так и кремниевых приборов, причем на кремниевые приборы влияние значительно меньше. Знак •изменения параметров п—р —п- и р —п—^-транзисторов в магнитном поле одинаков.

Величина изменения параметров в магнитном поле существенно зависит от направления магнитного поля. Она максимальна при направлении магнит­ ного поля -L электронному и дырочному току. ГѴ параллельном магнитном доле величина изменения параметров может быть уменьшена примерно на 1/3. Знак изменения параметров не зависит от полярности полюсов магнита. •

241