что такое ток смещения транзистора

Методы смещения (биполярные транзисторы)

В разделе данной главы про схему усилителя с общим эмиттером мы видели результаты SPICE анализа, где выходной сигнал был похож по форме на сигнал на выходе полуволнового выпрямителя: воспроизводилась только одна полуволна входного сигнала, а вторая полностью отсекалась. Поскольку наша цель на тот момент заключалась в воспроизведении всей формы сигнала, это представляло собой проблему. Решением этой проблемы было добавление на вход усилителя небольшого напряжения смещения, так чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. Это дополнение называлось напряжением смещения.

Для некоторых приложений полуволновый выход не является проблемой. На самом деле, некоторые приложения могут потребовать усиление такого рода. Поскольку возможно работать с усилителем в режимах, отличных от полуволнового воспроизведения, и для конкретных приложений требуются воспроизведение разных диапазонов форм сигнала, полезно описать степень, в которой усилитель воспроизводит форму входного сигнала, назначая ей соответствующий класс. Усилители подразделяются по классам с помощью букв: A, B, C и AB.

При работе класса A воспроизводится вся форма входного сигнала. Хотя я еще не представил эту концепцию в разделе про схему с общим эмиттером, это то, чего мы хотели достичь в наших моделированиях. Работа в классе A может быть получена только тогда, когда транзистор всё время находится в активном режиме, никогда не достигая режимов отсечки или насыщения. Для достижения этого обычно постоянное напряжение смещения устанавливается на уровне, необходимом для того, чтобы вывести транзистор в режим, ровно посередине между отсечкой и насыщением. Таким образом, входной сигнал переменного напряжения будет идеально «центрирован» между минимальным и максимальным ограничивающими сигнал уровнями.

Класс A: Выходной сигнал усилителя точно воспроизводит по форме входной сигнал

Работа в классе B – это то, что мы впервые получили, подав сигнал переменного напряжения на вход усилителя с общим эмиттером без постоянного напряжения смещения. Транзистор провел половину периода синусоиды в активном режиме, а вторую половину – в режиме отсечки с входным напряжением, слишком низким (или даже противоположной полярности!) для прямого смещения перехода база-эмиттер.

Класс B: смещение такое, что воспроизводится половина (180°) синусоиды

Сам по себе усилитель, работающий в режиме класса B, не очень полезен. В большинстве случаев сильное искажение, введенное в форму сигнала путем отсечки ее половины, было бы неприемлемым. Однако работа в режиме класса B является полезным режимом смещения, если два усилителя работают как двухтактная пара, каждый усилитель обрабатывает за период синусоиды только одну полуволну:

Двухтактный усилитель класса B: каждый транзистор воспроизводит только половину формы сигнала. Объединение этих половинок дает точное воспроизведение всей формы сигнала.

Транзистор Q1 «толкает» (подает выходное напряжение в положительном направлении относительно земли), в то время как транзистор Q2 «тянет» (в отрицательном направлении относительно земли). Отдельно каждый из этих транзисторов работает в режиме класса B, активен только во время одной половины периода входной синусоиды. Однако вместе они работают как команда для формирования выходного сигнала, идентичного по форме входному сигналу.

Решающим преимуществом схемы усилителя класса B (двухтактного) по сравнению со схемой класса A является большая выходная мощность. В схеме класса A транзистор рассеивает значительную энергию в виде тепла, так как он никогда не прекращает проводить ток. Во всех точках периода синусоиды он находится в активном (проводящем) режиме, проводя значительный ток, и на нем падает значительное напряжение. Существенная мощность рассеивается транзистором на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. В схеме класса B каждый транзистор проводит половину периода синусоиды в режиме отсечки, где он рассеивает нулевую мощность (нулевой ток = нулевая рассеиваемая мощность). Это дает каждому транзистору время для «отдыха» и охлаждения, в то время как другой транзистор переносит сигнал на нагрузку. Усилители класса A более просты в разработке, но, как правило, их применение по простой причине (рассеяние тепла на транзисторе) ограничено низкочастотными сигнальными приложениями.

Другой класс работы усилителя, известный как класс AB, находится где-то между классами A и B: транзистор проводит ток во время более 50%, но менее 100% длительности периода входного сигнала.

Если смещение входного сигнала для усилителя будет немного отрицательным (противоположно полярности смещения для режима класса A), то форма выходного сигнала будет «обрезана» больше, чем при смещении класса B, что приведет к такой работе, когда транзистор проводит большую часть времени в режиме отсечки:

Класс C: ток проводится во время менее половины периода (

Сначала эта схема может показаться совершенно бессмысленной. В конце концов, насколько полезным может быть усилитель, если он так обрезает сигнал? Если выходной сигнал используется напрямую без каких-либо обработок, польза от этого усилителя действительно будет сомнительной. Однако с применением схемы резонансного контура (параллельно включенных индуктивности и конденсатора) на выходе усилителя редкие всплески выходного сигнала, выдаваемые усилителем, могут привести в движение непрерывные колебания, поддерживаемые резонансным контуром. Это можно сравнить с машиной, где тяжелый маховик получает редкие «толчки», чтобы он вращаться:

Усилитель класса C подает выходной сигнал на резонансный контур

Схема усилителя класса C обладает высокой энергоэффективностью, поскольку транзистор(ы) проводят большую часть времени в режиме отсечки, где они рассеивают нулевую мощность. Величина отсечки формы выходного сигнала (уменьшение амплитуды колебаний «толчков» от усилителя) здесь для наглядности преувеличена. Из-за наличия резонансного контура на выходе эта схема используется только для усиления сигналов определенной фиксированной амплитуды. Усилитель класса C может использоваться в радиопередатчиках с FM (частотной модуляцией). Однако из-за искажений он не может напрямую усилить AM (амплитудно-модулированный) сигнал.

Еще один режим работы усилителя, значительно отличающийся от классов A, B, AB и C, называется классом D. Он не зависит от прикладывания определенной величины напряжения смещения, как другие классы режимов, а требует радикального изменения схемы усилителя. В этой главе слишком рано исследовать, как построен усилитель класса D, но не слишком рано обсудить основной принцип его работы.

Усилитель класса D воспроизводит очертание формы входного напряжения, создавая высокочастотные импульсы на выходе. Коэффициент заполнения этого выходного сигнала (отношение времени «включения» к периоду сигнала) изменяется в зависимости от мгновенного напряжения сигнала на входе. Графики на рисунке ниже демонстрируют этот принцип работы.

Усилитель класса D: входной сигнал и нефильтрованный выходной сигнал

Чем больше мгновенное напряжение входного сигнала, тем больше коэффициент заполнения прямоугольных импульсов выходного сигнала. Если и есть цель использования схемы усилителя класса D, то это избегание работы транзистора в активном режиме. Поскольку выходной транзистор усилителя класса D никогда не находится в активном режиме, а только в режимах отсечки и насыщения, на нем будет рассеиваться мало тепловой энергии. Это приводит к очень высокой энергоэффективности этого усилителя. Конечно, недостатком этой технологии является подавляющее присутствие гармоник на выходе. К счастью, поскольку частоты этих гармоник обычно намного превышают частоту входного сигнала, они могут быть относительно легко отфильтрованы с помощью фильтра нижних частот, в результате чего выходной сигнал очень близко напоминает по форме входной. Технология класса D обычно встречается там, где используются чрезвычайно высокие уровни по мощности и относительно низкие частоты, например, в промышленных инверторах (устройствах, преобразующих постоянное напряжение в переменное для запуска двигателей и других крупных устройств) и высокопроизводительных аудиоусилителях.

Термин, который вы, скорее всего, встретите во время изучения электроники, называется точка покоя, что означает условие нулевого сигнала на входе схемы. Ток точки покоя представляет собой величину тока в схеме с приложенным нулевым напряжением входного сигнала. Напряжение смещения в транзисторной схеме вынуждает транзистор работать при таком значении тока коллектора при нулевом напряжении входного сигнала, которое отличается от значения тока коллектора при отсутствии смещения. Следовательно, величина смещения в схеме усилителя определяет параметры его точки покоя.

В усилителе класса A ток покоя должен быть равен точно половине его значения насыщения (на полпути между насыщением и отсечкой, отсечка определяется по нулю). В усилителях классов B и C токи покоя равны нулю, поскольку при отсутствии сигнала на входе они должны быть в режиме отсечки. Усилители класса AB имеют очень низкие значения тока покоя, чуть выше отсечки. Чтобы проиллюстрировать это графически, на графике выходных характеристик транзистора иногда рисуется «нагрузочная линия», чтобы проиллюстрировать диапазон работы транзистора при подключении определенного сопротивления нагрузки (рисунок ниже).

Пример нагрузочной линии, нарисованной через выходные характеристики транзистора от V_{питания} до тока насыщения

Нагрузочная линия представляет собой график напряжения коллектор-эмиттер в диапазоне токов коллектора. В нижнем правом конце нагрузочной линии напряжение находится на максимуме, а ток равен нулю, что представляет собой состояние отсечки. В верхнем левом конце линии напряжение равно нулю, а ток максимален, что представляет собой состояние насыщения. Точки отмечают, где нагрузочная линия пересекается с различными выходными характеристиками транзистора, и представляют реальные рабочие состояния для данных токов базы.

На этом графике может быть отмечена точка покоя в виде одной точки на нагрузочной линии. Для усилителя класса A точка покоя будет находиться на середине нагрузочной линии, как показано на рисунке ниже.

Точка покоя для класса A

На этой иллюстрации точка покоя попадает на выходную характеристику, соответствующую току базы 40 мкА. Если бы мы изменили в схеме сопротивление нагрузки на большее значение, это повлияло бы на наклон нагрузочной линии, так как большее сопротивление нагрузки ограничило бы максимальный ток коллектора при насыщении, но не изменило бы напряжение коллектор-эмиттер при отсечке. Графически результат представляет собой нагрузочную линию с левым верхним концом в другой точке и правым нижним концом на том же месте (рисунок ниже).

Нагрузочная линия при увеличенном сопротивлении нагрузки

Обратите внимание, что новая нагрузочная линия теперь не пересекает выходную характеристику 75 мкА на ее прямом участке, как это было ранее. Это очень важно понимать, поскольку негоризонтальная часть выходной характеристики представляет собой состояние насыщения. При пересечении нагрузочной линии выходной характеристики 75 мкА вне горизонтального участка характеристики означает, что усилитель при такой величине тока базы будет находиться в состоянии насыщения. Увеличение значения сопротивления нагрузки вызывает то, что нагрузочная линия пересекает выходную характеристику 75 мкА в новой точке, и это указывает на то, что насыщение будет происходить при меньшем значении тока базы.

При использовании в схеме старого резистора нагрузки меньшего номинала ток базы 75 мкА даст пропорциональный ток коллектора (ток базы, умноженный на β). На первом графике нагрузочной линии ток базы 75 мкА давал ток коллектора почти в два раза больше, чем при токе базы 40 мкА, что можно было бы предугадать в соответствии с коэффициентом β. Однако на последнем графике ток коллектора между токами базы 40 мкА и 75 мкА увеличивается незначительно, поскольку на транзисторе начинает падать напряжение коллектор-эмиттер, недостаточное для продолжения регулирования тока коллектора.

Для поддержания линейной (без искажений) работы транзисторные усилители не должны работать в точках, где транзистор будет насыщаться; то есть, когда нагрузочная линия может не попадать на горизонтальный участок выходной характеристики коллекторного тока. Нам нужно добавить еще несколько выходных характеристик на график на рисунке ниже, прежде чем сможем сказать, насколько сильно мы сможем «раскачать» транзистор, увеличивая ток базы, до того, как он уйдет в режим насыщения.

Большее количество выходных характеристик при разных токах базы показывает более подробную информацию о насыщении

На этом графике видно, что самая высокая точка на нагрузочной линии, попадающая на прямой участок выходной характеристики, является точкой на кривой при токе базы 50 мкА. Эта новая точка должна считаться максимально допустимым уровнем входного сигнала для работы в режиме класса A. Также для работы в режиме класса A смещение должно быть установлено так, чтобы точка покоя находилась на полпути между этой новой точкой и отсечкой, как показано на рисунке ниже.

Новая точка покоя исключает работу в области насыщения

Теперь, когда мы знаем немного больше о последствиях различных уровней постоянного напряжения смещения, пришло время исследовать практические методы смещения. До сих пор я показывал источник небольшого постоянного напряжения (батарею), подключенный последовательно с входным сигналом переменного напряжения, для смещения усилителя в требуемый класс режима работы. В реальной жизни подключение точно калиброванной батареи к входу усилителя просто не практично. Даже если бы можно было настроить батарею для выдачи только необходимой величины напряжения для любого заданного смещения, эта батарея не оставалась бы в своем первоначальном состоянии неограниченно долго. Как только она начнет разряжаться, ее выходное напряжение опустится, а усилитель начнет постепенно переходить к работе в режиме класса B.

Возьмем для примера схему, которую мы использовали для SPICE моделирования в разделе про каскад с общим эмиттером (рисунок ниже).

Непрактичное смещение с помощью батареи

Эту батарею с напряжением V_смещ = 2.3 вольта в реальную схему усилителя включать нецелесообразно. Более практичный способ получения напряжения смещения для этого усилителя состоял бы в получении необходимых 2.3 вольт с помощью делителя напряжения, подключенного к батарее 15 вольт. В конце концов, батарея 15 вольт уже есть, а схемы делителей просты в проектировании и сборке. Посмотрим, как это может выглядеть на рисунке ниже:

Смещение делителем напряжения

Если мы выберем пару номиналов резисторов R₂ и R₃, которые дадут 2,3 вольта на R3 из общих 15 вольт (например, 8466 Ом для R2 и 1533 Ом для R3), то получим необходимое значение 2,3 вольта между базой и эмиттером для смещения без сигнала на входе. Единственная проблема заключается в том, что эта схема помещает источник сигнала переменного напряжения непосредственно параллельно с R₃ в нашем делителе напряжения. Это неприемлемо, так как источник переменного напряжения будет стремиться подавить любое постоянное напряжение, падающее на R₃. Параллельные компоненты должны иметь одинаковое напряжение, поэтому, если источник переменного напряжения напрямую подключен к одному резистору делителя постоянного напряжения, источник переменного напряжения «победит», и к сигналу не добавится постоянное напряжение смещения.

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть пока и не понятно, почему она будет работать, заключается в установке конденсатора между источником переменного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке ниже.

Разделительный конденсатор предотвращает попадание постоянного напряжения смещения с делителя на генератор сигнала

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником переменного напряжения и делителем постоянного напряжения, передавая правктически всё переменное напряжение сигнал на транзистор, блокируя при этом всё постоянное напряжения от замыкания через источник сигнала переменного напряжения. Это имеет смысл, если вы понимаете теорему суперпозиции, и как она работает. В соответствии с суперпозицией любая линейная, двухсторонняя схема может быть проанализирована по частям, рассматривая за раз только один источник питания, а затем алгебраически сложить влияния всхе источников питания, чтобы получить конечный результат. Если бы мы отделили конденсатор и делитеьл напряжения R₂–R₃ от остальной части схемы усилителя, было бы легче понять, как работает эта суперпозиция переменного и постоянного напряжений.

При наличии только одного источника сигнала переменного напряжения и конденсатора с очень низким сопротивлением на частоте сигнала, почти всё переменное напряжение появится на резисторе R₃:

Из-за очень низкого сопротивления разделительного конденсатора на частоте сигнала, он ведет себя как кусок провода, поэтому на этом этапе в суперпозиционном анализе его можно опустить

При наличии только источника постоянного напряжения конденсатор оказывается разомкнутой цепью, и поэтому ни он, ни источник сигнала переменного напряжения не будут влиять на работу делителя напряжения R₂–R₃ (рисунок ниже).

Когда речь идет об анализе по постоянному току, конденсатор ведет себя как разрыв в цепи

Объединив эти два отдельных анализа на рисунке ниже, мы получим суперпозицию (почти) 1,5 вольт переменного напряжения и 2,3 вольт постоянного напряжения, готовых к подаче на базу транзистора.

Объединение цепей переменного и постоянного тока

Достаточно разговоров, пора промоделировать в SPICE схему всего усилителя на рисунке ниже. Мы будем использовать конденсатор номиналом 100 мкФ, чтобы получить очень низкое (0,796 Ом) сопротивление на частоте 2000 Гц:

SPICE моделирование смещения делителем напряжения

Обратите внимание на существенное искажение выходного сигнала на рисунке выше. Синусоида обрезается в течение большей части отрицательного полупериода входного сигнала. Это говорит о том, что транзистор переходит в режим отсечки, хотя и не должен (я предполагал работу в режиме класса A). Почему? Этот новый способ смещения должен давать нам точно такое же постоянное напряжение смещения, как и старый, верно?

Ненагруженная цепь из конденсатора и резисторов R₂–R₃ обеспечивает точно 2,3 вольта постоянного напряжения смещения. Однако, как только мы подключаем эту схему к транзистору, она больше не является ненагруженной. Ток, протекающий через базу транзистора, буде нагружать делитель напряжения, тем самым уменьшая постоянное напряжение смещения, доступное для транзистора. Использование модель транзистора с диодом и источником тока (рисунок ниже) делает проблему смещения очевидной.

Диодная модель транзистора показывает нагрузку делителя напряжения

Напряжение на выходе делителя зависит не только он номиналов составляющих его резисторов, но и от того, какой ток протекает от него через нагрузку. PN переход база-эмиттер транзистора представляет собой нагрузку, которая уменьшает постоянное напряжение на R₃, из-за того, что ток смещения складывается с током R₃ и вместе с ним проходит через R₂, нарушая коэффициент деления, установленный ранее значениями сопротивлений R₂ и R₃. Чтобы получить постоянное напряжение смещения 2,3 вольта, значения R₂ и R₃ должны быть скорректированы для компенсации влияния нагрузки тока базы. Чтобы увеличить постоянное напряжение на R₃, уменьшите сопротивление R₂ или увеличьте сопротивление R₃, или сделайте и то, и другое.

После подстройки R2 и R3 на выходе нет никаких искажений

Новые значение резисторов 6 кОм и 4 кОм (R₂ и R₃ соответственно) на рисунке выше приводят к воспроизведению формы сигнала в режиме класса A, как мы и хотели.

Источник

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт. Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим». Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду. Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше. Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): IБ*β=IK. Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α). В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить hFE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора». Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор. Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (IК=β*IБ) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз — напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа. И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости. Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу. В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя. Мы устали… отдохнём немного… Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости) В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое. Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В. Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА? 50 мА/ 20 раз = 2,5 мА Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА? Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм. Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов. Вернёмся опять к теории. В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы): 1) Схема с общим эмиттером. Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается). Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем). 2) Схема с общей базой. Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ. Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. 3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(IК+IБ)/IБ=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1. Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление. Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой). Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру. Источник ← Окошко в аккумуляторе что означает что такое рифмовать на глаголы → Вам также понравится что такое судороги у ребенка во сне без температуры 18.12.202308.07.2022 admin 0 что значит 17 граней в бриллианте 16.12.202306.07.2022 admin 0 что делать с сгоревшей машиной 19.12.202305.07.2022 admin 0 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.