Как найти ток базы

15

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE, и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I _B , сильно меняется ток коллектора I _С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I_b

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I_С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения V_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Расчет параметров биполярного транзистора

В соответствии с действующей рабочей программой по дисцип­лине «Промышленная электроника» студенты специальности ЭПП должны выполнить 4 самостоятельных расчетно-графические работы под контролем преподавателя. В настоящих методических ука­заниях изложены материалы по первой работе «Расчет параметров биполярного транзистора.

В основных положениях указаний изложен минимальный объем информации, позволяющий студенту выполнить предлагаемое зада­ние. Предполагается, что студент в процессе подготовки к непосредственному расчету должен изучить в полном объеме необходимый материал по рекомендуемым ниже учебникам и пособиям. При этом следует обратить внимание на физические явления, лежащие в основе работы транзистора, разобраться во взаимосвязи между его электрическими параметрами , хорошо представлять порядок величин параметров.

При сдаче работы со студентом проводится собеседование. Приведенные контрольные вопросы помогут студенту не только определить степень его готовности к выполнению расчетов, но и подготовиться к собеседованию.

Кроме формулировки задания, методические указания содержат справочные сведения по транзисторам, которыми студент обязан пользоваться.

Оформление выполненного задания в тетради должно быть аккуратным, с полной записью его условия. Графики выполняются с помощью графических принадлежностей.

Рекомендуются следующие учебники и пособия:

Забродин Ю.С. Промышленная электроника.-М.:Высшая школа, 1982 /стр. 42-64/.

Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988 /стр. 20-28/.

Основы промышленной электроники. / Под ред. проф. В.Г.Герасимова.-М.: Высшая школа, 1986 /стр. 28-34/.

1. Основные положения

1.1. Биполярный транзистор и схемы его включения

Биполярный транзистор представляет собой кристалл проводника, состоящий из трех слоев с различной проводимостью, как

условно показано на Рис.1. Каждый из слоев снабжён электродами, необходимыми для подключения к внешней цепи, которые называются эмиттер, база и коллектор. Возможны два типа транзисторов и в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних эмиттерном и коллекторном слоях, и в среднем-базовом слое. Как видно из Рис.1., в биполярном транзисторе два перехода, которые называются эмиттерным и коллекторным.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется типом основного носителя эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа – электроны.

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые в своем дрейфе от эмиттера к коллектору прохо­дят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заря­да нейтрализуется основными зарядами материала базового слоя. Биполярные транзисторы изготовлены так, что концентрация основ­ных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя, поэтому в базовом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей, поступающая из эмиттера, а 90-99 % рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Для обеспечения описанного выше процесса дрейфа рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжение от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора типа приведена на Рис.2.

Чтобы поток рабочих носителей заряда (электронов) из эмиттерного слоя поступал в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан «минус», а к базовому -«плюс». С увеличением напряжения эмиттер — база увеличивается поток носителей заряда, а поэтому и ток эмиттера.

Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источника внешней цепи. Это обуславливает протекание тока базы, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли потока рабочих носителей заряда, которая нейтрализуется в базовом слое.

Малая величина тока базы определяет функцию базового элект­рода как управляющего. Действительно, эффективное управление транзистором может быть только такое, которое потребляет малый уровень мощности.

Для достижения коллектора электронами эмиттера вошедшими в базовый слой, необходимо, чтобы источник ЭДС, включенный между коллекторным и базовым электродами, обеспечивал подачу на коллектор положительного потенциала относительно базы. Это иллюстрируется на Рис.2.

На Рис.2 представлено включение транзистора по схеме с общей базой. Наряду с такой схемой, на Рис.3. представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешних цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схемы) и выходная (правые части). Наименование схемы

включения транзистора определяется электродом, который явля­ется общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе происходит управление работой транзистора, и в эту цепь включается источник входного сигнала. Нагрузка включается в выходную цепь.

Входные и выходные токи в представленных схемах включения транзистора, а также напряжения между электродами транзистора, определяемые источниками ЭДС, различны и приведены в таблице 1.

Таблица 1

Токи и напряжения во входной и выходной цепях

схем включения транзистора

Полярность напряжений источников ЭДС, показанная на Рис.3. соответствует транзистору типа . При использовании транзистора типа в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников должны быть изменены.

1.2. Характеристики и параметры транзистора в схеме ОЭ

Сведения о конкретном типе транзистора, необходимые для правильного выбора режима его работы, обычно приводятся в виде характеристик и систем параметров.

Транзистор, описывается, в первую очередь, семейством вход­ных и выходных характеристик. Входными называется семейство вольтамперных характеристик входной цепи схемы включения тран­зистора, построенных для ряда фиксированных значений напряже­ния выходной цепи. Выходными называется семейство вольтамперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из таблицы 1 каждой схеме включения транзистора соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому и вход­ные и выходные характеристики транзистора будут определяться схемой его включения.

Ниже будут рассматриваться характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Эта схема включения нашла наибольшее распространение.

Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа представлены на рис.4 и 5*. Входная характеристика — это семейство вольтамперных характеристик I_Б (U_БЭ), построенных при постоянных значениях напряжения U_КЭ. Обычно, как видно из рис.4, приводятся две характеристики: одна для U_КЭ=0 , а другая для значения напряжения U_КЭ ,соответ­ствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольтамперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений U_КЭ практически не отличаются друг от друга.

Выходная статистическая характеристика транзистора, как показано на Рис.5 – это семейство вольтамперных характеристик I_К(U_КЭ), построенных для ряда значений тока I_Б. На выходной характеристике обычно строится рабочая область, т.е. область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора. Границы этой области представленной на Рис.5. связаны с тремя факторами:

*/ Для транзисторов типа напряжения U_БЭ и U_КЭ— отрицательной полярности.

— максимальным значением напряжения U_КЭмах , превышение которого приводит к электрическому пробою в коллекторном переходе транзистора;

— максимальным значением коллекторного тока I_Кмах , превышение которого может приводить к перегреву эмиттерного перехода;

— максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, превышение которого приводит к перегреву этого перехода, Р_Кмах.

На выходной характеристике, Рис.5., последнему фактору соответствует гипербола

(1)

Как видно из Рис.4 и 5, транзистор представляет собой нелинейный элемент, поскольку его входные и выходные вольтамперные характеристики нелинейные, а следовательно, величины входного и выходного сопротивлений зависят от соответствующих токов и напряжений. Однако на входных и выходных характеристиках транзистора можно выделить участки, где зависимости близки к линейным. В частности , линейными можно считать зависимости в рабочей области Рис.5 , если исключить малые значения напряжения коллектор – эмиттер. Область малых значений U_КЭ , где происходит резкое увеличение тока, не используются при работе транзистора в линейном режиме усилителей и генераторов.

Известно из ТОЭ, что на участках, где вольтамперные характеристики нелинейных элементов могут быть аппроксимированные отрезками прямых, эти элементы могут рассматриваться как линейные. Поэтому транзистор в рабочей области часто заменяется эквивалентным четырехполюсником, характеризующимся определенными значениями h параметров, которые являются коэффициентами в соотношениях, связывающих не величины токов и напряжений, а величины их приращений, т.е ∆I_Б, ∆I_K, ∆U_БЭ, ∆U_КЭ.

(2)

Из первого соотношения системы (2) при ∆U_КЭ=0 (или U_КЭ=const) следует

(3)

Из этого же соотношения при ∆I_Б=0 (или I_Б =const) следует

(4)

Аналогичным образом второе соотношение системы (2) позволяет записать:

(5)

(6)

Физический смысл h –параметров согласно соотношениям (3) – (6) следующий:

h₁₁ – входное сопротивление транзистора, при постоянном значении напряжения U_КЭ ;

h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению;

h₂₁ – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U_КЭ и часто обозначаемый через β;

h₂₂— выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы.

1.3. Определение h параметров транзистора

Расчет значений h параметров производится для электрического режима транзистора, соответствующего рабочей точке (точке покоя) на его статических характеристиках. При работе в линейном режиме эта точка обычно располагается в центре ра­бочей области. Поэтому расчету значений h — параметров должно предшествовать определение рабочей области на выходной характеристике и выбор электрических параметров (I_БП , I_КП , U_БЭП , U_КЭП ), соответствующих рабочей точке.

Значения h— параметров определяются с помощью построений на выходной или входной статической характеристике и с использованием соотношений (3) – (6). При этом обозначения параметров транзистора, входящих в соответствующее соотношение, показывают, какую именно характеристику следует использовать для определения конкретного h— параметра.

Величины приращений электрических параметров транзистора в соотношениях (3) – (6) вычисляется как разность между двумя крайними значениями соответствующих параметров. Величина же параметра в рабочей точке должна располагаться в центре интервала между крайними значениями.

Расчет величины параметра h₁₁ проводится по соотношению (3), где приращения значений тока базы и напряжения база-эмиттер определяются как разность соответствующих координат двух точек (крайних) на зависимости I_Б(U_БЭ) входной характеристи­ки, показанной на Рис.6. Напряжение U_КЭ , для которого приводятся построения, должно совпадать с рабочей точкой транзистора.

Построения для расчета величины параметра h₂₂ с помощью соотношения (6) проводится аналогичным образом (см .Рис. 7) на выходной характеристике. Вольтамперная характеристика, на кото­рой выполняются построения, должна соответствовать току базы рабочей точки.

Расчет величины параметра h₂₁ (или β) проводится в два этапа. Сначала по выходным характеристикам строится зависимость I_К (I_Б) для значения напряжения коллектор-эмиттер в рабочей точ­ке. Фиксированные значения I_К этой зависимости, как видно из построения на Рис.8, определяются ординатами точек пересечения вертикальной прямой, проведенной через точку U_КЭП, с вольтамперными характеристиками для фиксированных значений I_Б. Затем по построенной кривой зависимости I_К (I_Б) (см. Рис.9) определяются приращения токов коллектора и базы для подстановки в соотношение (4).

Величина параметра h₁₂ близка к нулю. Об этом свидетельствует тот факт, что в рабочем интервале значений напряжения U_КЭ вольтамперных характеристики I_Б(U_БЭ) транзисторов практически не отличаются друг от друга. Обычно величина параметра h₁₂ не определяется.

1.4. Схема замещения транзистора и определении значений ее параметров

Рассмотренные выше h -параметры транзистора вводятся, в известной степени, формально. Поэтому для расчетов электрических схем на транзисторах предпочтительнее использовать схему

замещения полупроводникового прибора. Под схемой замещения пони­мают электрическую схему, составленную из линейных элементов (сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряжений), по своим свойствам отличающихся от реального объекта (в данном случае — транзистора).

В соответствии с Рис.3 схему замещения транзистора целесооб­разно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема приведена на Рис.10. Очевидно, схема замещения справедлива для тех участков статических характеристик транзистора, где вольтамперные характеристики можно считать линейными, т.е. для тех участков, для которых выше определялись значения h –параметров. В связи с этим на Рис.10 токи и напряжения, обозначенные прописными буквами, являются малыми величинами (по сравнению со значениями параметров в рабочей точке) и соответствуют приращениям токов и напряжений, которые использовались при расчете h –параметров.

Схема замещения Рис.10 справедлива для области низких час­тот к включает в себя три активных сопротивления, величины которых можно определить как отношение приращений напряжений в цепях транзистора к соответствующим им приращениям токов:

дифференциальное сопротивление эмиттерного p—n перехода,

численные значения которого обычно лежат в пределах от

единиц до десятков Ом;

объёмное сопротивление базы, величина которого в зависимости от типа транзистора составляет 100 — 400 Ом:

дифференциальное сопротивление коллекторного p—n перехода, величина которого при включении транзистора по схеме ОЭ составляет несколько кОм и выше.

Кроме того, схема замещения включает генератор тока в цепи коллектора, указывающий на то, что транзистор является активным элементом. Значение тока этого генератора пропорционально значению тока базы (βiб).

С целью учета частотных свойств транзистора в схеме замещения обычно предусматривается емкость коллекторного p—n перехода, шунтирующая источник тока. В связи с тем, что при низких частотах влияние этой емкости незначительно, определение величины этого параметра ниже не предусматривается. Поэтому на схеме Рис.10 присоединение емкости коллекторного перехода обозначено пунктиром.

Как видно из Рис.10 в схему замещения транзистора входят четыре элемента. Величину электрических параметров этих элементов можно связать с величинами четырех h –параметров. Для этого можно использовать законы Кирхгофа, рассмотрев схему замещения транзистора при тех же условиях, при которых были получены соотношения (3) – (6), т.е. при или .

При условии , т.е при коротком замыкании выходных клейм схемы 10 выходной ток, по существу, определяется только величиной тока источника, поскольку сопротивление весьма велико, а , т.е.

(7)

Так как i_k и i_б эквивалентны приращениям соотвествующих токов и

(8)

Таким образом, параметры h₂₁ и β эквивалентны, о чем отмечалось выше.

С учетом эквивалентности параметров и второй закон Кирхгофа, записанный для входного контура схемы Рис.10, дает

(9)

Поскольку токи, протекающие через электроды транзистора, связаны между собой первым законом Кирхгофа

, (10)

а также в соответствии с соотношением (7)

(11)

После замены и эквивалентными им приращениями параметров соотношение (11) представляется в виде

(12)

(13)

Условие I_Б=const эквивалентно режиму, при котором I_Б=0 . Для этого режима второй закон Кирхгофа для выходной цепи позволяет записать соотношение

(14)

С учетом того, что r_К(Э)>>r_Э , а величины и эквивалентны величинам приращений параметров и , из соотношения (14) следует

(15)

Второй закон Кирхгофа для входной цепи схемы Рис.10 в режиме с I_Б=const позволяет записать

(16)

Откуда вследствие соотношения (14) и эквивалентности и соответственно и получается

(17)

Из соотношений (8), (13), (15), (17) нетрудно получить выражения для определения параметров схемы замещения транзистора через его h—параметры

(18)

(19)

(20)

(21)

Расчет транзистора

Транзистор — это полупроводниковый прибор как минимум с двумя с р-h-переходами и тремя выводами, который предназначен для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний.

Основная классификация транзисторов осуществляется по:

1. Исходному полупроводниковому материалу. По данному критерию транзисторы подразделяются на кремниевые и германиевые.
2. Мощности. По данному критерию транзисторы подразделяются на транзисторы большой, средней и малой мощности.
3. Частоте. По данному критерию транзисторы подразделяются на сверхвысокочастотные, высокочастотные, среднечастотные, низкочастотные.

В радиотехнике самыми распространенными транзисторами являются полевые и биполярные. У полевых транзисторов управление выходным электрическим током осуществляется электрическим полем. У полевых трансформаторов три электрода: сток, исток и затвор. Достоинство полевого транзистора заключается в том, что электрический ток затвора (входного электрода очень мал), что определяет высокое входное сопротивление каскадов на них, что способствует устранению влияния последующих каскадов схемы на предыдущие. К основным параметрам полевых транзисторов можно отнести:

1. Напряжение отсечки.
2. Напряжения между стоком и затвором, между затвором и истоком, между стоком и истоком.
3. Максимальный электрический ток стока.

В полупроводниковой структуре биполярного транзистора сформировано два р-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется двумя носителями — дырками и электронами. Данный транзистор используется в устройствах, которые генерируют или усиливают электрические колебания, а иногда в качестве коммутирующего элемента. Основными параметрами этого типа транзисторов являются: входное сопротивление, максимально допустимы электрический ток, входная проводимость, коэффициент передачи по току, обратный ток коллектора, время включения, выходная проводимость и другие.

Пример расчета транзистора с общим эмиттером

Эмиттер — это область транзистора, назначение которой заключается в инжекции носителей заряда на базу.

Сначала нам необходимо рассчитать максимальную статическую мощность, рассеивающуюся на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала через рабочую точку при статическом режиме его функционирования. Формула выглядит следующим образом:

Рст. макс = 0,8 • Рмакс

где, Рмакс — максимальная мощность транзистора по справочнику или инструкции

После этого определим электрический ток коллектора без сигнала (то есть в статическом режиме работы):

Iко = Рст. Макс / Uкэо = Рст. Макс / (Uп / 2)

где, Uп — напряжение питания.

Так как в статическом режиме на транзисторе напряжение питания уменьшается на половину, то вторая половина будет уменьшаться на резисторах, то есть:

(Rk + Rэ) = (Uп / 2) / Iко

Где, Rк — коллекторное сопротивление; Rэ — эмиттерное сопротивление.

Напряжения в коллекторе в статическом режиме транзистора можно вычислить по следующей формуле:

Uко = (Uкэо + Iко • Rэ) = (Uп – Iко • Rк)

Электрический ток базы, которая управляет транзистором, рассчитывается следующим образом:

Iб = Iк / h21 = [Uп / (Rк + Rэ)] / h21

где, h21 – коэффициент усиления электрического тока базы (при условии включения с общим эмиттером).

Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, заданным делителями Rб1 и Rб2 (рисунок ниже, там же изображена вольтамперная характеристика). Резистивный ток должен быть в 5-10 раз больше, чем ток управления базы.

Рисунок 1. Полный базовый ток. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 2. Полный базовый ток. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Rб1Rб2: Iдел = 10 • Iб

Таким образом полное сопротивление резисторов будет равняться:

Rб1 + Rб2 = Uп / Iдел

Напряжение на эмиттере равняется:

где, Iк0 — ток покоя транзистора

Напряжение на базе рассчитывается следующим образом:

где, Uбэ-напряжение рабочей точки транзистора.

И через формулу делителя рассчитываем:

Rб2 = (Rб1 + Rб2) • Uб / Uп

Разделительные конденсаторы подбираются с учетом требуемой амплитудно-частотной характеристики каскада. На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика зависит от времени перезарядки разделительных конденсаторов. Емкость должна быть такого значения, которое не позволит конденсаторам успевать перезаряжаться. Входное сопротивление каскада транзистора намного больше, чем выходное сопротивление. Амплитудно-частотная характеристика определяется постоянной времени:

где, Rвх = Rэ • h21; Свх — разделительная входная емкость каскада.

Спад амплитудно-частотной характеристики в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда:

tв = Rвых • Ck = Rk • Ck

где, Ск — паразитная емкость коллекторного перехода, указываемая в справочнике или инструкции. При расчете звуковых частот паразитной емкостью можно пренебречь, так как она незначительна.

Как найти ток базы

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1. Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2. Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

• p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
• n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

• В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
• В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1. Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база < 0 – для n-p-n транзисторов),

2. Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3. Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

4. Отсечка (напряжение коллектор-база < 0, на эмиттере напряжение менее порогового),

5. Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H_fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V_c. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V_ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V_ce= V_c — 0 = V_c. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки R_L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения R_b: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R_b может быть рассчитано по следующей формуле:

где V₁ является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V₁ = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R_b известно, транзистор «настроен» на работу в качестве переключателя, что также называется «режим насыщения и отсечки «, где «насыщение» — когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а «отсечение» – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

H_FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V_CEsat. Но V_CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший H_FE, крупнейший V_CEsat и V_CEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение V_CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V_CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Шпакунов А. Опубликована: 2012 г. 0 1
Вознаградить Я собрал 0 0

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Расстояние между металлургическими границами переходов называется физической толщиной базы «L» .

Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает

10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет

10 13 – 10 14 ат/cм 3 . В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

низкочастотные­ не более 3 МГц;

средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;

высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;

сверхвысокочастотные — более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

маломощные — не более 0,3 Вт;

средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;

большой мощности — более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10 17 см -3 , а справа 10 6 см -3 . Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α <1. При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника U_эб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток I_кб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения U_кб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора I_кб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

Согласно первому закону Кирхгофа,

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

3. Режимы работы и способы включения

Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры и n-p-n структуры .

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.

Режим насыщения— оба перехода открыты.

Режим отсечки— оба перехода закрыты.

Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение U_бэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение U_кэ той же полярности распределяется между обоими переходами: U_кэ = U_кб + U_бэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие U_кб = U_кэ — U_бэ> 0, что обеспечивается неравенством U_кэ> U_бэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: U_вх = U₁, U_вых = U₂, I_вх = I₁, I_вых = I₂. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ.

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ <U_пор, I_б = — I_кэ0, что соответствует режиму отсечки.

При U_кэ <U_бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

Ток I_кэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение U_кэ распределено между обоими переходами. При U_кэ <U_бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при U_кэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост I_к при увеличении U_кэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока I_к с ростом напряжения U_кэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем I_кб0, сквозного теплового тока I_кэ0 (4.11).

Биполярный транзистор в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 4.3 — Ключевая схема на транзисторе и графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-р показана на рисунке 4.3, а. Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R_K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а — б по постоянному току (рисунок 4.3, б).

Линия нагрузки описывается соотношением U_кэ = − (Е_к − I_кR_к) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (U_вх > 0), указанной на рисунке 4.3, а без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U_бэ > 0) и его ток I_э = 0. Вместе с тем через резистор R_б протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I_к0. Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка М_з (см. рисунок 4.3, б).

Протекание через нагрузку теплового тока I_к0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R_к от источника питания. Малое значение I_к0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения U_{вх. зan} выбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резистор R_б тепловом токе было обеспечено выполнение условия:

Напряжение U_6э для германиевых транзисторов составляет 0,5…2,0 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U_вх

где ΔU_{кэ.откр} — падение напряжения (остаточное напряжение) на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение ΔU_{кэ.откр}, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. В зависимости от типа прибора напряжение ΔU_{кэ.откр} лежит в пределах 0,05…1,0 В. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с Е_к расчет тока I_к открытого транзистора проводится по формуле:

С учетом формулы (4.1) находят граничное значение тока базы I_{б. гр} открытого транзистора, при котором наблюдается пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы:

Таким образом, точка М_о на рисунке 4.3, б представляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора при I_б = I_б.гр.

При дальнейшем увеличении тока базы (I_б > I_{б. гр}) остаточное напряжение ΔU_{кэ..откр} остается почти неизменным, так как все коллекторные характеристики транзистора при I_б > I_{б. гр} практически проходят через точку М_о на рисунке 4.3, б. Режим работы открытого транзистора при I_б > I_{б. гр} называют насыщенным, а отношение S = I_б /I_{б. гр} — коэффициентом насыщения транзистора.

Режим насыщения широко используют для обеспечения открытого состояния транзистора. Его открытое состояние при этом становится более устойчивым к воздействию помех во входной цепи, а положение точки М_о не зависит от изменения коэффициента передачи тока β_ст транзистора, в частности, с понижением температуры. В режиме насыщения ток базы транзистора

,

где коэффициент S для надежного насыщения транзистора в требуемом температурном диапазоне может составлять 1,5…3,0. Найденный ток базы обеспечивается параметрами входной цепи ключевой схемы:

Рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения (рисунок 4.4, а). Это необходимо для выяснения свойств схемы при передаче импульсных сигналов. Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы (длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю).

На интервале t — t₁, когда входной импульс напряжения отсутствует, транзистор заперт напряжением U_вх..зап положительной полярности. Токи I_б, I_к определяются тепловым током транзистора I_к (рисунок 4.4, б, в). Напряжение на транзисторе U_кэ = – (Е_к – I_к R_к) (рисунок 4.4, г).

С момента времени t₁ (cм. рисунок 4.4, а) процессы в схеме обусловливаются отпиранием транзистора входным импульсом напряжения отрицательной полярности U_вх.отп. Это сопровождается изменением тока i_к и напряжения u_кэ транзистора (рисунок 4.4, в, г). Как видно из диаграмм, характер трансформирования i_к и u_кэ при отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения

а — входной импульс напряжения; б — ток базы; в — ток коллектора;г — напряжение на коллекторе

Рисунок 4.4 — Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы

входного напряжения. Отличие обусловлено инерционностью транзистора и проявляется в постепенных нарастании тока i_к и уменьшении напряжения u_кэ. В первом приближении можно принять, что изменения i_к(t) и u_кэ(t) происходят по экспоненте. Тогда инерционность транзистора может быть учтена эквивалентной постоянной времени τ_В = τ_β + τ_к в предположении τ_к = />_к(э) R_к, где />_к(э) — интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ.

Если принять, что ток базы в интервале отпирания имеет прямоугольную форму с амплитудой I_б.отп ≈ U_вх.отп / R_б > I_б.гр (см. рисунок 4.4, б), то вызванный им ток i_к (t) будет изменяться по закону:

Коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к β_ст I_б.отп > E_к / R_к (см. рисунок 4.4, в). Однако, достигнув предельного значения I_к ≈ E_к / R_к, ток i_к в дальнейшем не изменяется и формирование фронта импульса i_к заканчивается. Положив в формуле (4.2) i_к = I_к, находим длительность фронта нарастания коллекторного тока транзистора:

Из соотношения (4.4) следует, что длительность фронта импульса сокращается с увеличением коэффициента насыщения транзистора. Это объясняется тем, что большему коэффициенту S соответствует больший отпирающий базовый ток, вследствие чего ток коллектора достигает установившегося значения за меньший интервал времени. Так, например, при τ_В = 5 мкс и S = 3 получаем t_ф = 2,03 мкс. При S = 1 (транзистор при отпирании работает в активном режиме) соотношение (4.4) не может быть использовано для определения t_ф. В этом случае уместно говорить об активной длительности фронта, определяемой относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока (4.2): t_ф = τ_В ln 0,9/0,1 = 2,2 τ_В.

В момент времени t_З действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. К базе транзистора прикладывается запирающее напряжение U_вх.зап (см. рисунок 4.4, а). При этом ток коллектора и напряжение u_кэ в течение некоторого времени остаются неизменными, а транзистор по прежнему открыт. Создается задержка в запирании транзистора. Это объясняется тем, что до момента времени t_З транзистор находился в режиме насыщения и при поступлении запирающего сигнала ток коллектора еще поддерживается уходящими из базы в коллектор избыточными носителями заряда (дырками). Только после ухода (рассасывания) избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе — возрастать (см. рисунок 4.4, в, г). Помимо ухода избыточных носителей заряда по цепи коллектора их рассасывание осуществляется и по цепи базы за счет протекания обратного тока I_б.обр, вызванного запирающим напряжением. Обратный (инверсный) ток базы при этом ограничивается сопротивлением R_б входной цепи: I_б.обр ≈ U_вх.зап /R_б.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания t_р (см. рисунок 4.4, в). Это время пропорционально коэффициенту насыщения S. Следующий затем интервал спадания тока i_к определяет время заднего фронта (среза) t_с коллекторного тока.

При определении t_p и t_c необходимо решать уравнение, описывающее изменение заряда в базе. Ввиду пропорциональности заряда в базе току коллектора (базы) процесс, протекающий в транзисторе после момента времени t₃, выражается через токи транзистора в следующем виде:

где τ_β‘ — эквивалентная постоянная времени, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения, но меньше постоянной времени τ_β, действительной для активного режима (τ_β‘ ≈ τ_β /2). Выражение (4.5) является уравнением экспоненциальной кривой, показанной в интервале t₃ — t₄ пунктиром (см. рисунок 4.4, в).

После выхода транзистора из насыщения ток i_к(t) уменьшается от значения I_к, также стремясь к β_ст I_б.гр (рисунок 4.4, в), т. е.

Положив в формуле (4.7) i_к = 0, получаем, что

Длительности t_ф, t_p, t_c характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Как следует из выражений (4.3), (4.6), (4.8), они зависят от частотных свойств транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до единиц микросекунды.

В настоящее время широко используется (особенно в интегральных микросхемах) ключевой режим работы кремниевых транзисторов типа п-р-п. По построению и характеру работы ключевая схема на таком транзисторе аналогична схеме рисунка 4.3, а. Отличие заключается в противоположных полярностях напряжения питания Е_к и отпирающего напряжения U_вх.отп, а также в противоположных направлениях токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые транзисторы, в частности типа п-р-п, имеют довольно малый тепловой ток I_к0. Влияние тока I_к0 в выходной и входной цепях закрытого транзистора пренебрежимо мало. По этой причине запирание этих транзисторов осуществимо при U_вх.зап = U_бэ = 0. Эта особенность кремниевых транзисторов дает важное практическое преимущество — возможность исключить дополнительные источники запирающего напряжения в базовых цепях, необходимые для германиевых транзисторов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: "Что-то тут концом пахнет". 8421 — | 8038 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 по­казана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для на­глядности— с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что на­пряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника— если соотношение 2 >IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напря­жение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет та­кой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реаль­но можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еле­дует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяет­ся к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенци­ал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзи­сторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полно­стью — лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень непри­ятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).

Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Самое интересное, что рассчитывать его практически не на­до — лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше чем 0,6 В. Чем он больше, тем лучше, но все же сопротив­ление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор Re, но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как ука­зано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот рези­стор будет так: если включающее напряжение на Re подано, то он не оказы­вает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую — примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R63 надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «зем­ле» или «висит в воздухе».

Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R63 при работе в ключевом режиме часто забывают — да­же в очень интересной во всех отношениях книге [16] повсеместно встреча­ется эта ошибка.

Простейшая ключевая схема есть вариант т. н. схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к пита­нию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой кни­ге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распростра­ненные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое питание, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.

Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвер­тирован (то есть противоположен по фазе) по отношению к входному сигна­лу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеет­ся — на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертиру­ет сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному ре­жиму работы, о котором будет рассказано). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке — то есть она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.

Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Транзистор Дарлинг­тона (его часто называют транзистор с «супербетой», мы будем называть его и так, и так) есть две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру само­стоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина Р для них равна произведению коэф­фициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до не­скольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обяза­тельно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение ме­жду базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величи­ну от обычного транзистора — то есть 1,2—1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных тран­зисторов может составлять несколько килоом.

Рис. 6.5. Другие схемы подключения: а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов

На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная схема па­раллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допусти­мого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естест­венно, не происходит— суммируются только предельно допустимые показатели. Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.