Любой полупроводник имеет ограничения по напряжению, току и времени, в течение которого комбинации напряжения и тока могут поддерживаться в нормальном режиме работы. Иногда эта информация содержится в техническом описании устройства, а иногда отсутствует. Однако в любом случае существуют определенные ограничения, которые необходимо соблюдать.

При использовании любого полупроводника в переключающей схеме должны учитываться аспекты, связанные с напряжением и током. Если не касаться вопросов управления, с точки зрения «области безопасной работы» (safe operating area, SOA) принципиальное значение для силового MOSFET имеют напряжение исток-сток V_DS и ток стока I_DS, а для биполярного транзистора – напряжение коллектор-эмиттер V_CE и ток коллектора I_C.

Посмотрите, пожалуйста, на следующую неразумно спроектированную схему на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Плохо спроектированная переключающая схема, заставляющая транзистор Q1 периодически сбрасывать заряд конденсатора C1 емкостью 0.01 мкФ.

Что мы здесь сделали неправильно, так это потребовали, чтобы транзистор Q1 типа 2N2222 многократного сбрасывал заряд конденсатора C1 емкостью 0.01 мкФ. Зависимость напряжения V_CE и тока I_C от времени для транзистора Q1 показана на рисунке. Пиковый ток, составляющий почти 500 мА, довольно велик, и, к нашему сожалению, он возникает, когда напряжение V_CE еще достаточно высокое, а это означает значительную пиковую нагрузку на транзистор Q1.

Построив фигуру Лиссажу для зависимости V_CE от I_C, показанную на Рисунке 2, мы проанализируем ее.

Рисунок 2.	Фигура Лиссажу для зависимости напряжения от тока.

Одно замечание по поводу получения этой фигуры Лиссажу. В используемой мной программе Multisim-SPICE модель осциллографа не поддерживает независимый доступ к входам X и Y, и, следовательно, не может обеспечить получение фигур Лиссажу. Я создал эту фигуру, считывая значения напряжения и тока на каждом временнóм шаге с экрана осциллографа, а затем строя графики с помощью GWBASIC. Использовались 240 точек данных, для чего было считано 480 показаний, что было довольно утомительно. Обычно я не могу одновременно сосредоточиться на работе и слушать музыку, но на этот раз прослушивание записей Петулы Кларк помогло немного скрасить монотонность этой процедуры.

За все годы моего знакомства с 2N2222 я ни разу не видел ни инструкции, ни какого-либо технического описания, в которых были бы указаны границы SOA для этого устройства. На самом деле, я никогда не видел границ SOA ни для одного устройства в корпусе TO-18. Для устройств в корпусах TO-5 и TO-39 информация о границах SOA встречалась мне лишь однажды для транзисторов 2N3053 и 2N3053A, и даже сегодня в некоторых технических описаниях эти сведения отсутствуют.

В результате нам приходится довольствоваться тем, что есть, а именно этой частичной реконструкцией диаграммы SOA для транзисторов 2N3053 и 2N3053A, взятой из очень старого технического описания от компании RCA, которое я припрятал давным-давно (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Реконструкция области безопасной работы, сделанная на основе графика SOA для транзисторов 2N3053 и 2N3053A, взятого из очень старого технического описания от RCA.

Мы перестроили график зависимости V_CE от I_C, используя логарифмический масштаб, а затем наложили полученный результат на границы SOA нашего n-p-n транзистора, но столкнулись с трудностями (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Исследование SOA с использованием логарифмического масштаба.

Допустимая пиковая мощность рассеивания транзистора 2N2222 равна 1.2 Вт, в то время как для 2N2219 она составляет 3 Вт против 7 Вт у 2N3053. Поэтому я бы предположил, что границы SOA транзистора 2N2222 чуть ниже, чем у 2N3053. Мы отмечаем, что кривая SOA транзистора Q1, работающего в этой схеме, выходит за пределы рабочей области по постоянному току для 2N3053 и, следовательно, по всей вероятности, выходит далеко за пределы аналогичных параметров для 2N2222.

Спады напряжения и тока в верхней правой части этого графика не являются хорошим признаком.

Используемый здесь транзистор 2N2222 вполне может выйти из строя, возможно, раньше, возможно, позже, но, в конечном счете, его ждет катастрофа. Независимо от других факторов, относящихся к данной конструкции, следует рассмотреть меры по исправлению SOA.

Первое заключается в уменьшении емкости конденсатора C1 (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Влияние уменьшения емкости C1.

Использование конденсатора C1 меньшей емкости или, возможно, полный отказ от C1 снизит пиковый ток коллектора и ускорит переключение. Это удалит нас от верхнего правого угла графика SOA, и с этой точки зрения это очень хорошо.

Добавление резистора R3, как показано на Рисунке 6, также может снизить пиковый ток коллектора.

Рисунок 6.	Влияние добавления коллекторного сопротивления.

Хотя использование R3 замедлит скорость разряда C1, это позволит снизить пиковый ток коллектора, что является желаемым результатом для SOA.

Если по какой-либо причине конденсатор C1 обязательно должен присутствовать, то исключать R3 – не лучшая идея.