5.3. Составной транзистор

Составной транзистор используют для повышения коэффициента передачи по току транзисторов. Это часто необходимо для схем, работающих с большими токами: в усилителях мощности или стабилизаторах тока. В этих схемах используются мощные транзисторы, у которых коэффициент передачи по току не большие. Составные транзисторы также используются для повышения входного сопротивления. Схема составного транзистора показана на рис.5.3. Данную схему можно рассматривать как новыйn-p-nтранзистор относительно выводов б (база), э (эмиттер), к (коллектор). Параметры составного транзистора следующие:

 = ₁ ₂,

r_бэ= 2r_бэ1= 2(U_T/I_к),

r_кэ= (2/3)r_кэ2,

где ₁ и ₂– коэффициенты передачи транзистораVT1 иVT2 соответственно,- коэффициент передачи по току составного транзистора,I_к– коллекторный ток составного транзистора,r_кэ2– сопротивление коллектор-эмиттер транзистораVT2.

Для увеличения быстродействия составного транзистора между базой и эмиттером VT2 подключают сопротивлениеR. Это необходимо для того, чтобы транзисторVT2 быстрее закрывался, т.к. транзисторVT1 не может быстро его закрыть. Величину резистора выбирают так, чтобы падение напряжение на нем при закрытых транзисторах за счет токов утечки не превышало напряжение отпирания транзистора. С другой стороны через него должен протекать малый ток по сравнению с током базыVT2, чтобы обеспечить высокий коэффициент передачи по току. Обычно сопротивлениеRсоставляет несколько сотен Ом в мощном составном транзисторе и несколько тысяч Ом в транзисторе малой мощности. Промышленность выпускает микросхемы составных транзисторов, включающие в себя и сопротивленияR.

Для получения составного транзистора p-n-p– типа используют комплементарную схему составного транзистора. Такая схема показана на рис.5.2. Параметры схемы следующие:

 = ₁ ₂,

r_бэ= 2r_бэ1= 2(U_T/I_к),

r_кэ= (1/2)r_кэ2.

5.4. Расчет компенсационного стабилизатора напряжений непрерывного действия

Необходимо разработать источник положительного питания, схема которого приведена на рис.5.2 с следующими исходными данными: U_вых= 9 В,I_вых= 1 А,U_{вх min}= 13 В,U_{вх max} = 18 В.

1) Выбираем тип ОУ. Напряжение положительного питания ОУ должно быть больше максимального значения входного напряжения. Выходной ток ОУ должен быть больше тока базы составного транзистора, т.е. тока I_{б vт2}. Для этого может быть использован ОУ типаА741.

2. Выбираем стабилитрон на напряжение стабилизации, близкое к 6 В, т.к. в окрестности этого значения стабилитрон мало чувствителен к изменениям тока и температуры. Из справочника (см. приложение А) выбираем стабилитрон типа 1N4734cU_ст= 5,9 B. Выберем ток стабилизацииI_ст,равным 10 мА, т.к. при этом токе температурный коэффициент стабилитрона имеет минимальное значение. Теперь можем найти величину сопротивленияR₄= (U_вых–U_ст)/I_ст= (9В – 5,9В)/10мА = 0.31 кОм.

3. Определим величины сопротивлений делителя напряжения R₁иR_2.. Ток делителя напряжения должен быть намного больше входного тока ОУ и величины сопротивленийR₁иR₂должны быть достаточно малыми, чтобы не создавать существенного напряжения шума. Входной ток ОУА741 равен 0,5 мкА. Выберем токI_R1= 0,1 мА.

R₂=U_ст /I_R1= 5,9В/ 0,1мА = 59 кОм,

R₁= (U_вых–U_ст) /I_R1= (9В – 5,9В) / 0,1мА = 31 кОм.

2. Найдем значение резистора R₃. РезисторR₃ должен обеспечить необходимый базовый ток для транзистораVT2 при минимальном входном напряжении. Для его расчета необходимо знать ток базы транзистораVT2. Для этого подберем транзисторыVT1 иVT2.

Транзистор VT1 выбирается исходя из максимального тока проходного транзистора и рассеиваемой им мощности. Максимальный ток транзистора равен номинальному току стабилизатора, в нашем случае 1А. Мощность, рассеиваемую транзистором, можно определить по формуле

P_vт1=U_кэI_к= (U_{вх max}–U_вых)I_вых= (18 В – 9 В)/ 1 А = 9 Вт.

При выборе транзистора необходимо учитывать, что схемы защиты стабилизатора обычно ограничивают ток приблизительно на уровне 1,4I_вых. Кроме того, для надежной работы транзистора нельзя допускать его работу при близких к максимальным значениям параметров. Транзистор должен работать со значениями параметров хотя бы на 20% меньше максимальных. По справочнику (приложение В) выбираем тип транзистораVT1. Например,2N5191. Параметры транзистора следующие:U_кэ = 60 В,I_{к max} = 4A,= 100,P_расс = 40 Вт,U_{бэ вкл} = 0,8 В.

Ток базы транзистора VT1 равенI_{б vт1} =I_вых /= 1А / 100 = 0,01A= 10 мА.

При коротком замыкании выхода максимальное напряжение U_кэ транзистора VT2 будет равно приблизительно 18 В. Ток коллектора 10 мА. Рассеиваемая мощность незначительная. Поэтому в качестве транзистораVT2 можно выбрать транзистор малой мощности, например, КТ375А или его зарубежный аналог 2N3904. У негоU_{кэ max}= 60B,I_{к max} = 100 мА,Uбэ _вкл = 0,7 В, а= 50. Отсюда находим ток базы транзистораVT2

I_{б vт2} =I_{к vт2} /_vт2= 10 мА / 50 = 0.2 мА.

Теперь можем найти величину резистора R3.

Значение выходного тока ОУ выбирается таким, что бы он был больше тока базы VT2 и меньше максимального тока ОУ:I_{б vт2} <I_оу <I_{оу max}. Максимальный выходной ток ОУА741 равен 10 мА. ВыберемI_оу= 1 мА. И окончательно

R3 = (13 В – 9 В – 0,8 В – 0,7 В) / (0,2 мА + 1 мА) = 2,5 В / 1,2 мА = 2,08 кОм .

Теперь проверим, может ли ОУ дать необходимый ток при максимальном входном напряжении

I_оу=I_{R3 max}–I_{б vт2}= [U_{вх max}– (U_вых +U_{бэ vт1}+U_{бэ vт2})] /R3 –I_{б vт2}=

= (18 В – 9 В – 0,8 В – 0,7В) / 2,08 кОм – 0,2мА = 3,6 мА – 0,2 мА = 3,4 мА. Это значение меньше максимального выходного тока ОУ и вполне нас устраивает.

5) Найдем изменение выходного напряжения стабилизатора при максимальном изменении входного напряжения:

.

Здесь r_кэ=_vт2r_{кэ vт1}=150(120 В /I_{к vт1}) = 150 (120 В / 1А) = 18 кОм – сопротивление коллектор-эмиттер составного транзистора.R_н =U_вых/I_{вых max} = 9 В / 1 А =9 Ом. А_д = 20000 – минимальное значение коэффициента усиления ОУ.U_вх =U_{вх max}–U_{вх min}=18 В – 13 В = 5 В.

U_вых= [9 Ом5 В(31 кОм +59 кОм)]/(18 кОм2000059кОм) = 0,2 мкВ.

Изменение выходного напряжения при изменении тока от 0 до номинального значения 1А найдем из формулы

.