3.9. Ключи на устройствах с Л-образной вольт-амперной характеристикой

Обычные ключи требуют постоянного присутствия управляющих сигналов. Между тем известно, что устройства с N-, Л- и S-образными ВАХ могут работать в качестве ключей с паметью (схема рис. 3.39, а, стабильные

Запуск

mpcmouvaa

Рис. 3.39. Ключ на приборе с 1/ и Л-образной ВАХ (а) и графи-л\ ческая иллюстрация его рабо-

ты (б)

состояния которой соответствуют точкам / и 3 на рис. 3.39,6).

Структуру, прн t/y=0, получившую название Л-днода [75], иллюстрирует рис. 3.40, а. При малых [/д оба транзистора открыты и с ростом (/л растет протекающий через них ток /д. Однако напряжение t/3Hi и V ЗИг каждого транзистора являются частью t/л, причем рост t/л ведет к посте-

¥тг

У + 9

о-- /W/7 С7/

Щ

+ 6 -

-о +

Рис. 3.40. Варианты схем иа полевых транзисторах с Л-образными ВАХ (а), (б) и (в) и семейство управляемых ВАХ (г)

пенному запиранию VT\ и В результате ток сначала растет, а затем па-

дает до нуля. Варианты таких устройств показывают рис. 3.40, б, в, причем устройства рис. 3.40 с управляемыми Л-образными ВАХ (рис. 3.40, г) называются Л-транзистором .

Вольт-амперная характеристика Л-траизистора описывается системой нелинейных уравнений:

fcl = fl(y3Hb f/CHi). fc2 = f2(£/3H2, №Иг), /л = /с1=-с2, УзИ1 = УсИ2+Уу,

(3.19)

УЗИ2=УСИг> Уд=УСИ1 + УСИ2.

В [76] решение (3.19) выполнено на ЭВМ при следующей аппроксимации ВАХ каждого из транзисторов:

/г. = /м

зи-зо

1-ехр

где / - ток стока при t/зи =0 и больших t/си; УЗо - напряжение отсечки; fe-параметр аппроксимации. На рис. 3.41 представлено семейство ВАХ

Рис. 3 41. Семейство Л-образных ВАХ пары ПТ КП302ВМ и КП101Л

Рис. 3.42. Семейства Л-образных ВАХ пары ПТ КП302А и КПЮЗЛ при 7=20°С (-) и 100° С (---);

а - экспериментальные зависимости; б - расчетные

0 12 5 Ол.О

3Uj e

для пары ПТ КП320ВМ и КП101Л (fe = 2, / i = 45 мА, t/3oi=-4,74 В, м2=4,15 мА и Узо2 = 2,5 В).

Температурная зависимость ВАХ может учитываться с помощью выражений [77]

и Jo (7) = Уз о (7о) [ 1 +х.и (Т-То)\, /м(7)=/ (7о)[1 + аг(7-Го)],

Рде - опорная температура (обычно 20° С); аг и а, - т.--ш.рптуриые коэффициенты для (/Зо и /м.

При малых Uy заметно сказьгоается уменьщение /м с ростом ie-пературы 7, а при больших (/у - зависимость (/Зо(7), ведущая к росту /с с ростом Т При промежуточных [/у можно получить термостабильнуго В \\. показанную на рис. 3 42, на котором даны Л-образные ВАХ пары КП302.\ и

КПЮЗЛ. . . г (п л

Емкости vt\ и vt2 можно свести к одной нелинейной емкости Сл((Ул). шунтирующей устройство и учитывающей его инерционность. Еслч измерить Сл при (/у и двух значениях [/л=-2(Ууо и (/л=0, то для зависимости Сл(л) можно использовать аппроксимацию

Сл((/) = Сл, + (Сл2-Сл1)ехр {2(U,-U,)IU \. (3.20)

Здесь f/yo -напряжение управления, при котором устройство заперто при любых (/л. На рис. 3.43 приведены зависимости C,{Uj,) для устройства на

f 2 3 i Uf Ui,B

Рис 3 43. Зависимости Сл([/л) .тля Рис. 3 44. Графическая итлюгтрация к пары ПТ КП302ВМ и КПЮЗЛ определению пороговых (/у

паре ПТ КП302ВМ и КПЮЗЛ

Электрическая модель Л-транзистора .уожет быть представ тегга в виде управляемого двухполюсника с Л-образной В.-Х, зашунтированного емкостью Сл((/л) [78]. На практике следует учитывать также емкость монтг,ка См и нагрузки Сн, которая нередко больше Сл((/л). В этом случае общ>ю емкость Со= (Сл + Сн + См) можно считать линейной.

Ключ (см. рис. 3.39, а) переходит в открытое ((/л велико) состояние при UyUy и в закрытое при UyUy. Определение порогозич значений Uy, равных Uy и Uy . иллюстрирует рис. 3 44. Степень проз.и.лт.я управляющим сигналом значений U/ и U/ определяется коэффициентами

\Uy\-\Uy

I Cf. i

Переходные процессы для полной схемы (рис. 3.45, а) и эгсзивалентчой ей упрощенной схемы (рис. 3.45, б) определяются решением нелинейного дифференциального уравнения

+ 7Гэ + А ( V

(3.21)

где R,==RRJ{R+R) и U3=URIR. Аналитически (3.21) ие решается, но это уравнение легко решить с помощью ЭВМ или программируемых микрокалькуляторов.

На рис. 3.46 представлены результаты расчета переходных процессов переключения лри разных y и у , Со=60 пФ, /? ==500 кОм, R=27 кОм и

и=5 В. Решение выполнялось иа ЭВМ с табличным заданием семейства А-образных ВАХ. Переходные процессы имеют три характерные стадии (задержки, регенерации и установления), плавно переходящие из одной стадии в другую. Значения f и у сильно влияют лишь иа задержку. Длительность регенеративной стадии уменьшается пропорционально параметру InjCg, определяющему скорость изменения напряжения dujjdi в ходе регенеративного процесса

ел/ У

Рис. 3.45. Полная (а) и упрощенная (б) эквивалентные схемы ключа на приборе с Л-образными ВАХ

Л-траизисторы на основе пары маломощных ПТ имеют малые пиковые токи /п -доли или единицы миллиампер. Предложенная в [79] структура (рис, 3.47, о) позволяет получать большие /ц. В ней маломощный Л-транзи-

S г2 г; мкс

Рис. 3.46 Переходные процессы включения (а) и выключения [б) ключа на приборе с Л-образной ВАХ

стор включен между затвором и стоком мощного iV1fln-Tpa:T3HCT0pa Vr3. Величина R должна удовлетворять условию Р</?омакс1, где /омакс - максимальное по модулю отрицательное сопротивление Л-транзиегора Другая схема (рис. 3.47,6) использует для увеличения тока /п биполяр.1Ь1й транзистор. Семейство Л-образных ВАХ для нее представлено на рис 3 48 (приборы vn -КП302ВМ, 1/Г2-КПЮЗЛ и 1/73 - КТ312А). При R = u имеем ВАХ собственно Л-транзистора.

Функционально Л-диоды и Л-транзисторы могут выполнять многие функции обычных схем. На них можно строить триггеры и пороговые устройства, /,С-генераторы и усилители синусоидальных колебаний, релаксационные генераторы и другие устройства. Устройства этого типа пополняют класс так называемых негатронов, описанных в [80] и имеющн.х вольт-амперные ха-

Рис. 3.47. Структуры Л-траизисторов Рис. 3.48. Семейство Л-образных

ВАХ устройств рис. ЗЛ7,б

рактеристики с участками отрицательного дифференциального сопротивления или проводимости.

Глава 4.

Мощные полевые транзисторы в источниках электропитания

4.1. Возможности мощных полевых транзисторов в источниках

электропитания

Источники электропитания-устройства, питающие нагрузку (или ряд нагрузок) электрической энергией с заданными параметрами.

Первичные источники - это сеть переменного тока (например, 127 или 220 В при частоте 50... 60 Гц) и батареи гальванических элементов либо акку.муляторов. Здесь рассматриваются лишь вторичные источники электропитания, преобразующие электроэнергию первичных источников в энергию постоянного тока, питающую нагрузку.

Рассмотрим пять основных типов источников вторичного электропитания.

Тип 1. Линейные стабилизаторы постоянного напряжения и тока с непрерывным регулированием.

Тип 2. Преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение, содержащие импульсный преобразователь (инвертор), питаемый от первичного источника, ВЧ-трансформатор и выпрямитель. На их выходах могут устанавливаться линейные стабилизаторы.

Тип 3. Трансформаторный источник питания от сети переменного тока, содержащий силовой низкочастотный трансформатор и выпрямители, подключаемые к вторичным обмоткам трансформатора. К их выходам часто подключают линейные стабилизаторы.

Тнп 4. Бестрансформаторный источник с импульсными преобразованием и управлением электроэнергией. Этим достигается устранение низкочастотного силового трансформатора, и.иеющего большие габаритные размеры и массу. Источники этого типа имеют выпрямитель, питаемый от сети переменного тока, импульсный преобразователь (обычно с широтно-импульсным (ШИМ) регулированием и с ВЧ-трансформатором) и ряд выпрямителей, питающих нагрузки. На их выходе могут включаться линейные стабилизаторы.

Тип 5. Бестрансформаторный резонансный источник. Отличается от источника типа 4 лишь тем, что в не.м используется резонансный преобразователь (инвертор) с почти синусоидальной формой выходного сигнала. Это обеспечивает меньший уровень помех.

Входное напряжение источников характеризуется номинальным значением и и допустимым диапазоном его изменения (от Уп май до Упмакс). Часто изменения задаются в абсолютных или относительных единицах.

Выходные напряжения для каждой из нагрузок характеризуются но.ми-налом Ун и допустимыми изменениями ДУ или (ДУн/Ун)-100. Качество выходного напряжения (пли тока) оценивается не только его отклонениями от номинала, но и пульсациями, ВЧ- и импульсными по.мехами. Коэффициент пульсаций D= (Уяп/Ун) 100, где Уяп - напряжение пульсаций (обычно их полный размах) на нагрузке. Обычно fen<5%, ио в особых применениях нередки значения Ац<0,01%. Самым высоким качеством (ввиду отсутствия ВЧ-и импульсных помех) характеризуются источники электропитания первого типа.

Основными энергетическими показателями источников являются суммарная мощность, отдаваемая в нагрузку Я , и энергетический КПД г1 = Рн/Яп, где Рп-Потребляемая мощность. Важны и массогабаритные параметры, из которых главный-удельная мощность (в ваттах на 1 кг массы).

Источники типа 1 имеют низкие энергетические показатели, поэтому оии обычно используются совместно с другими источниками. Применение в источниках типа 1 мощных ПТ дает следующие преимущества: повышение КПД за счет отсутствия потерь мощности в цепях управления регулирующим транзистором, упрощение схем стабилизаторов, малая инерционность при колебаниях напряжения сети или быстрых изменениях нагрузки, отсутствие тепловой неустойчивости.

В источниках типа 2 применение мощных ПТ позволяет существенно увеличить частоты преобразования (до сотеи килогерц и даже нескольких мегагерц). Это резко уменьшает габаритные размеры и массу ВЧ-трансфор-маторов и фильтров, а также инерционность при изменении Уп и нагрузки. При высоких частотах преобразования качество выходного напряжения может приближаться к реализуемому источника.мн типа 1. Удельная мощность .может достигать 400.. .500 Вт/кг и выше. Такие источники часто используются в переносной и перевозимой аппаратуре, устанавливаются на борту самолетов и космических аппаратов. Источники типа 3 из-за при.менения низкочастотного силового трансформатора имеют наихудшие массогабаритные показатели Это связано и с необходимостью фильтрации низкочастотных пульсаций, что увеличивает массу и габаритные размеры фильтров. Удельная .мощность таких источников не выше 20.. .50 Вт/кг, КПД при отсутствии стабилизации не выше 0,8.. .0,9, а при наличии стабилизаторов не выше 0,4.. .0,5. В связи с этим источники этого типа почти повсе.местно вытесняются источника.ми типов 4 и 5. Можно говорить лишь о частном при.мене-нии мощных ПТ в источниках типа 3, например в синхронных выпрямителях или в составе стабилизаторов и активных фильтров.

Источники типа 4 - наиболее обширный и перспективный потребитель мощных ПТ. В этих источниках используется выпрямитель, питаемый от