Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

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 VКЭ (VCE). 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 VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 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 IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

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 IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе

. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

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 Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. 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 (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin 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 ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения V

out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

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

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. 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 Vout/Vin 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 Ib, 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 Vout

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 IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h31e, 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 Rin (Rвх). 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.

Rвх 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 Rout = 0 (Rвых = 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.

naf-st >> Радиокомпоненты >> Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Такая схема изображена на рисунке 1. Во всех книжках написано, что эта схема является наиболее распространненой, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.


Рис. 1 - Схема включения транзистора с общим эмиттером

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (Rк = 0). Численно он равен:



при Uк-э = const

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент ki всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение uб-э, а выходным - переменное напряжение на резике, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает единиц и десятков вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E2). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление Rвх, которое определяется по закону Ома:


и составляет обычно от сотен Ом до единиц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°

К достоинствам схемы ОЭ можно отнести удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например, в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Схема с общей базой (ОБ). Схема ОБ изображена на рисунке 2.


Рис. 2 - Схема включения транзистора с общей базой

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы:


т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:



при uк-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Схема включения с общим коллектором показана на рисунке 3. Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.


Рис. 3 - Схема включения транзистора с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен ki, т. е. нескольким десяткам.

В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

что это такое, как работает, схемы включения, режимы работы

Применение полупроводниковых приборов (ПП) широко распространено в радиоэлектронике. Благодаря этому уменьшились габариты различных устройств. Широкое применение получил биполярный транзистор, благодаря некоторым особенностям его функционал шире, чем у простого полевого транзистора. Чтобы понять, для чего он нужен и в при каких условиях применяется, необходимо рассмотреть его принцип действия, способы подключения и классификацию.

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского «выпускать») — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского «собиратель») служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

  1. Активный.
  2. Отсечки (РО).
  3. Насыщения (РН).
  4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Схемы включения

Для корректного применения и подключения БТ нужно знать их классификацию и тип. Классификация биполярных транзисторов:

  1. Материал изготовления: германий, кремний и арсенидогаллий.
  2. Особенности изготовления.
  3. Рассеиваемая мощность: маломощные (до 0,25 Вт), средние (0,25-1,6 Вт), мощные (выше 1,6 Вт).
  4. Предельная частота: низкочастотные (до 2,7 МГц), среднечастотные (2,7-32 МГц), высокочастотные (32-310 МГц), сверхвысокочастотные (более 310 МГц).
  5. Функциональное назначение.

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

  1. Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
  2. Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
  3. Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
  4. Усилительные мощные высоковольтные.
  5. Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
  6. Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
  7. Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

  1. Р-n-p.
  2. N-p-n.

Существует 3 схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:

  1. Общая Б.
  2. Общий Э.
  3. Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

Схема применяется на высоких частотах, позволяя оптимально использовать частотную характеристику. При подключении одного БТ по схеме с ОЭ, а потом с ОБ его частота работы усилится. Эту схему подключения применяют в усилителях антенного типа. Уровень шумов на высоких частотах снижается.

Достоинства:

  1. Оптимальные значения температуры и широкий диапазон частот (f).
  2. Высокое значение Uк.

Недостатки:

  1. Низкое усиление по I.
  2. Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

При подключении по этой схеме происходит усиление по U и I. Схему можно запитать от одного источника. Часто применяется в усилителях мощности (P).

Достоинства:

  1. Высокие коэффициенты усиления по I, U, P.
  2. Один источник питания.
  3. Происходит инвертирование выходного переменного U относительно входного.

Обладает существенными недостатками: наименьшая температурная стабильность и частотные характеристики хуже, чем при подключении с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Входное U полностью передается обратно на вход, и Кi аналогичен при подключении с ОЭ, но по U он низкий.

Этот тип включения применяют для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или при источнике входного сигнала, который имеет высокое выходное R (микрофон конденсаторного типа или звукосниматель). К достоинствам можно отнести следующие: большое значение входного и малого выходного R. Недостатком является низкий коэффициент усиления по U.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

  1. Коэффициент усиления по I.
  2. Входное и выходное R.
  3. Обратный Iк-э.
  4. Время включения.
  5. Частота передачи Iб.
  6. Обратный Iк.
  7. Максимальное значение I.

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех областях человеческой деятельности. Основное применение устройства получили в приборах для усиления, генерации электрических сигналов, а также выполняют роль коммутируемого элемента. Их применяют в различных усилителях мощности, в обыкновенных и импульсных блоках питания с возможностью регулирования значений U и I, в компьютерной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различной защиты потребителей от перегрузок, скачков U, короткого замыкания. Широкое применение получили в горнодобывающей, металлургической сферах.

Биполярный транзистор автосигнализации

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который может усиливать слабые сигналы и управлять большой мощностью при помощи относительно слабых воздействий.

Рисунок 48. Транзистор управляет большим током при помощи малого

Транзистор, в отличие от диода, имеет 3 вывода. У биполярных транзисторов эти выводы называются база, эмиттер и коллектор.

Рисунок 49. Виды корпусов биполярных транзисторов

Состоит биполярный транзистор из кристалла полупроводника (в нем имеются границы сочетания полупроводников с разными типами проводимости), корпуса и металлических выводов, которыми транзистор впаивается в электрическую цепь.

Биполярные транзисторы бывают двух типов — п-р-п и р-п-р.

Рисунок 50. Типы биполярных транзисторов

Р-п-р транзисторы пропускают ток от эмиттера к коллектору, п-р-п — наоборот. В п-р-п транзисторах основные носители заряда — электроны, а в р-п-р — так называемые «дырки», которые менее мобильны (в смысле скорости переноса мощности), соответственно п-р-п транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

В сигнализациях StarLine используются современные компактные транзисторы, предназначенные для поверхностного монтажа ( SMD-монтаж)

Рисунок 51. SMD-транзистор

Транзистор проявляет свои усилительные свойства в трех видах основных схем: схема с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Рисунок 52. Схема включения биполярного транзистора «общий эмиттер»

При включении транзистора по схеме ОЭ входной сигнал поступает между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и источником питания. Такая схема является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности (в тысячи раз).

Достоинствами схемы с общим эмиттером являются: большой коэффициент усиления по току и большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление.

Кроме того, для питания схемы требуются два однополярных источника, то есть, на практике можно обойтись одним источником питания.

Единственным серьезным недостатком является худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Рисунок 53. Схема включения биполярного транзистора «общая база»

В схеме ОБ входной сигнал подается на эмиттер и базу, а нагрузка подключается между коллектором и источником питания. Входная цепь транзистора представляет собой открытый эмиттерный переход, поэтому входное сопротивление мало (десятки Ом).

Недостатки схемы: не усиливает ток и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но схема с общей базой имеет хорошие температурные и частотные свойства.

Рисунок 54. Схема включения биполярного транзистора «общий коллектор»

В схеме О К входной сигнал поступает на переход эмиттер-база, проходит через нагрузку, а сама нагрузка подключается к эмиттеру и источнику питания. В этой схеме выходное напряжение равно входному, поэтому она получила название «эмиттерный повторитель». При включении общего коллектора напряжение сигнала не усиливается, а лишь повторяется. При этом эмиттерная нагрузка может быть очень небольшой, выходное сопротивление усилителя измеряется сотнями и даже десятками ом. В то же время входное сопротивление очень большое — сотни килоом и даже мегаомы.

При монтаже автомобильных охранных систем биполярный транзистор чаще всего используется в качестве ключа, который либо заперт (не проводит ток), либо открыт (пропускает ток).

на базу не поступает ток управления - транзистор закрыт, тока нет, лампа не горит

на базу поступил ток управления - транзистор открылся, ток пошел, лампа зажглась

Рисунок 55. Работа транзистора в качестве ключа

Отпирание или запирание транзистора в режиме ключа происходит при подаче тока на его базу. Например, часто в описании сигнализации пишут «дополнительный канал выполнен по схеме «открытый коллектор». Это значит, что внутри блока сигнализации спрятан биполярный транзистор п-р-п типа, включенный по схеме ОЭ. При срабатывании этого канала на выходе будет появляться масса (через проводящую структуру транзистора), а в исходном состоянии выход ни к чему не подсоединен.

Как правило, выходы, выполненные по схеме «открытый коллектор», допускают небольшой ток нагрузки (до 300 мА). То есть подключить к этому выходу напрямую мощную нагрузку нельзя — оборудование выйдет из строя. Для подключения к такому выходу необходимо использовать дополнительное реле.

Рисунок 56. Схема-подсказка "Транзистор"


Биполярные транзисторы - презентация онлайн

2. Общие сведения.

Транзистор- полупроводниковый прибор с двумя
электронно-дырочными переходами,
предназначенный для усиления и генерирования
электрических сигналов.
Используются оба типа носителей :
1. Основные.
2. Неосновные.
Поэтому его называют биполярным.
Биполярный транзистор состоит из трех областей
монокристаллического полупроводника с разным
типом проводимости: эмиттера, базы и
коллектора.
Переход, который образуется на границе эмиттербаза, называется эмиттерным, а на границе базаколлектор - коллекторным.
В зависимости от типа проводимости крайних слоев
различают транзисторы p-n-р и n-р-n

3. Обозначения транзистора

Обозначение биполярных
транзисторов на схемах
Простейшая наглядная схема
устройства транзистора

4. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p:

Схематическое изображение транзистора типа p-n-p.
Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, W- толщина базы,
ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход
База (Б) -область транзистора, расположенная между
переходами. Примыкающие к базе области чаще
всего делают неодинаковыми.
Одну изготовляют так, чтобы из неё эффективно
происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы
соответствующий переход наилучшим образом
осуществлял экстракцию инжектированных
носителей из базы.
Эмиттер (Э)- область транзистора, основным
назначением которой является инжекция носителей
в базу, а соответствующий переход эмиттерным.
Коллектор (К)- область, основным назначением
которой является экстракцией носителей из базы, а
переход коллекторным.
Каждый из переходов транзистора можно
включить либо в прямом, либо в обратном
направлении. В зависимости от этого
различают три режима работы транзистора:
1. Режим отсечки - оба p-n перехода закрыты,
при этом через транзистор обычно идёт
равнительно небольшой ток;
2. Режим насыщения - оба p-n перехода
открыты;
3. Активный режим - один из p-n переходов
открыт, а другой закрыт.
В режиме отсечки и режиме насыщения
управление транзистором почти отсутствует. В
активном режиме такое управление
осуществляется наиболее эффективно
• Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на
коллекторном переходе – обратное, то включение
транзистора считают нормальным, при
противоположной полярности – инверсным.
• По характеру движения носителей тока в базе
различают диффузионные и дрейфовые биполярные
транзисторы.
• Если при отсутствии токов в базе существует
электрическое поле, которое способствует движению
неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору,
то транзистор называют дрейфовым, если же поле в
базе отсутствует – бездрейфовым (диффузионным).

в БТ реализуются четыре физических процесса:
- инжекция из эмиттера в базу;
- диффузия через базу;
- рекомбинация в базе;
- экстракция из базы в коллектор.

9. Режим отсечки

1.
Эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к
внешним источникам в обратном направлении.
Через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи
эмиттера (IЭБО)и коллектора (IКБО).
Iб равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора
находится в пределах от единиц мкА (у кремниевых транзисторов) до
единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

10. Режим насыщения

1.
Эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к
внешним источникам в прямом направлении.
Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного
переходов будет ослабляться электрическим полем, создаваемым
внешними источниками UЭБ и UКБ.
В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший
диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение
(инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через
эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые
токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).

11. Активный режим

1. Применяется для усиления сигналов .
2. Эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный —
в обратном направлениях.
Под действием прямого напряжения UЭБ происходит инжекция
дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в
ней неосновными носителями заряда . Часть дырок в базе
заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными
электронами. Так как ширина базы небольшая (от нескольких ед.до
10 мкм), основная часть дырок достигает коллекторного р-nперехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор.
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока
коллектора и тока эмиттера.

12. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе .

x
pn ( x) pn0 exp( VG ) exp( )
Lp
• Процесс переноса инжектированных носителей через базу –
диффузионный.
• Характерное расстояние, на которое неравновесные носители
распространяются от области возмущения, – диффузионная
длина Lp.
• Чтобы инжектированные носители достигли коллекторного
перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной
длины Lp.
• Условие W
транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи
через изменение тока в первичной цепи.

14. Схемы включения биполярного транзистора

1. В предыдущей схеме( см. активный режим) электрическая цепь, образованная
источником UЭБ, эмиттером и базой транзистора, называется входной,
2. цепь, образованная источником UКБ, коллектором и базой этого же транзистора,—
выходной.
3. База - общий электрод транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое
его включение называют схемой с общей базой

15. Схемы включения биполярного транзистора

На рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной
цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером,
1. выходной ток - коллектора IК, незначительно отличающийся от тока эмиттера Iэ,
2. входной — ток базы IБ, значительно меньший, чем коллекторный ток.
3. Связь между токами IБ и IК в схеме ОЭ определяется уравнением: IК= h31ЕIБ + IКЭО

16. Схемы включения биполярного транзистора

Схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей
транзистора является коллектор . Это схема включения с общим
коллектором (эмиттерный повторитель).
Независимо от схемы
включения транзистора для
него всегда справедливо
уравнение, связывающее токи
его электродов:
Iэ = I к + I Б .

17. Сравнительная оценка схем включения биполярных транзисторов

KI - коэффициент усиления по току
KU - коэффициент усиления по
напряжению
KP - коэффициент усиления по мощности

18. Влияние температуры на характеристики транзисторов

1. Недостаток транзисторов - зависимость их
характеристик от изменения температуры
2. При повышении температуры увеличивается
электропроводность полупроводников и токи в них
возрастают. Возрастает обратный ток p-n
перехода(начальный ток коллектора). Это приводит к
изменению характеристик p-n перехода.
3. Схемы с общей базой и общим эмиттером имеют
различные значения обратного тока Iкбо. С
увеличением температуры T обратные токи
возрастают, но соотношение между ними остается
постоянным.

19. Влияние температуры на характеристики транзисторов

• Температурные изменения оказывают влияние на величину
коэффициентов передачи тока а и B
• Изменение обратных токов и коэффициентов усиления
приводит к смещению входных и выходных характеристик
транзисторов, что может привести к нарушению его
нормальной работы или схемы на его основе.

20. Выходная и входная характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при различных температурах:

21. Классификация транзисторов

1. Транзисторы классифицируются по допустимой мощности
рассеивания и по частоте.
2. Транзисторы по величине мощности, рассеиваемой
коллектором, делятся на транзисторы малой (Рк ЗООО
мВт), средней (Рк 1,5 Вт) и большой (Рк 1,5 Вт)
мощности.
3. По значению предельной частоты, на которой могут
работать транзисторы, их делят на низкочастотные (З
МГц), среднечастотные ( ЗО МГц), высокочастотные (
300 МГц) и сверхвысокочастотные ( > ЗООМГц).
4. Низкочастотные маломощные транзисторы обычно
изготавливают методом сплавления, поэтому их называют
сплавными.

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные . На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

Входная статическая характеристика I Б от входного напряжения U БЭ при постоянном выходном напряжении U КЭ . Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ) при U ЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для U КЭ > 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а ). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U 1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I К от выходного напряжения U КЭ при постоянном входном токе I Б . Для схемы включения с общим эмиттером:

I К = f (U КЭ) при I Б = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I Э .

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R К , за счёт которого изменение входного тока или напряжения U ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U ВЫХ = U КЭ (Рис.10).


Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I Б от входного напряжения U БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ)

Поскольку в статическом режиме для U КЭ > 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а ).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U КЭ от выходного тока I К при фиксированных значениях входного тока I Б (Рис.11б ):

U КЭ = E К – I К R К

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А , В на Рис.11б .

Координаты точки А [U КЭ = 0; I K = Е К R К ] – на оси I K .

Координаты точки В [I K = 0; U КЭ = Е К ] – на оси U КЭ.

Координаты точки Р [U 0К; I 0 K ] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I К0 , а напряжение U КЭ = E К.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

I Б = max; I К ≈ I КН; U КЭ = E К – I КН R Н; U КЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I К доп, U КЭ доп, P К доп (Рис.11б ) и I Б нас, U БЭ доп (Рис.11а ) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.

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.


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 h31e , 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

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 h31e , 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)).

Страница 1 из 2

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью открыт, то полностью заперт с частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I ЭБО ) И коллектора (I КБО ). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения . Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками U ЭБ и U КБ . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э.нас ) и коллектора (I К.нас ).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора .
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора I К p не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I K p = h 21Б I э
Величина h 21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h 21Б = 0,90...0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I КБО , образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой

I к = h 21Б I э + I КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I Б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I Б = I Б.рек — I КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U ЭБ , эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U КБ , коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ» .

В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I К , незначительно отличающийся от тока эмиттера I э , а входным — ток базы I Б , значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I Б и I К в схеме ОЭ определяется уравнением: I К = h 21 Е I Б + I КЭО
Коэффициент пропорциональности h 21 Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h 21Б
h 21 Е = h 21Б / (1 —h 21Б )
Если h 21Б находится в пределах 0,9...0,998, соответствующие значения h 21 Е будут в пределах 9...499.
Составляющая I кэо называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h 21 Е раз больше, чем I КБО , т. е.I КЭО =(1+ h 21 Е) I КБО. Обратные токи I КБО и I КЭО не зависят от входных напряжений U ЭБ и U БЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока I КБО удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока I КЭО могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока I КБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.
На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор. Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК» (эмиттерный повторитель) .

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор - электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» - дважды). А в полевом (он же униполярный) - или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые - в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов - усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики


Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.


Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой - слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй - с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны - неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем - ток коллектора, а управляющий ток базы - то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора - коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая - очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.
  1. Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
  2. Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
  3. Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности - до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор - обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное - не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке - VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке - VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления - то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: Добавить метки

Являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

  1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
  2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
  3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
  4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей - электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками - основными носителями. Образуется базовый ток I б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I э = I б + I к.

Параметры транзисторов

  1. Коэффициенты усиления по напряжению U эк /U бэ и току: β = I к /I б (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
  2. Входное сопротивление.
  3. Частотная характеристика - работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R L , который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С 1 , а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R L , а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С 1 , препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R 1 , через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R L вместе равны величине ЭДС: V CC = I C R L + V CE .

Таким образом, небольшим сигналом V in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения - в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения V БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V CC , а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I C = (V CC - V CE)/R C . Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I C и напряжение V CE , будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I В.

Зона между осью V CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I C и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Добавлено 1 сентября 2017 в 07:00

Сохранить или поделиться

Поскольку коллекторный ток транзистора пропорционально ограничен его током базы, то транзистор можно использовать как своего рода ключ с токовым управлением. Относительно небольшой поток электронов, передаваемых через базу транзистора, обладает способностью управлять намного большим потоком электронов через коллектор.

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотели включать и выключать с помощью ключа. Такая схема была бы предельно простой, как на рисунке ниже (a).

Для иллюстрации, давайте вставим вместо ключа транзистор, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу. Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером. Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, то мы должны подключить коллектор и эмиттер нашего транзистора на место двух контактов ключа. Мы также должны убедиться, что поток электронов через лампу будет двигаться против направления стрелки эмиттера на условном обозначении (направление электрического тока должно совпадать с направлением стрелки), чтобы убедиться, что смещение перехода транзистора будет правильным, как показано на рисунке ниже (b).

(a) механический ключ, (b) ключ на NPN транзисторе, (c) ключ на PNP транзисторе.

Для этой работы может использоваться и PNP транзистор. Схема с ним показана на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP может быть произвольным. Всё, что имеет значение, заключается в правильных направлениях токов для правильного смещения перехода (поток электронов двигается против стрелки на обозначении транзистора).

Возвращаясь к NPN транзистору на схеме нашего примера, мы сталкиваемся с необходимостью добавить что-то еще для появления тока базы. Без подключения к выводу базы транзистора ток базы будет равен нулю, и транзистор не сможет включиться, в результате чего лампа всегда будет выключена. Помните, что для NPN транзистора ток базы должен состоять из электронов, протекающих от эмиттера к базе (против обозначения стрелки эмиттера, точно так же, как и поток электронов через лампу). Возможно, проще всего было бы подключить коммутатор между выводом базы транзистора и аккумулятором, как показано на рисунке ниже (a).

Транзистор: (a) закрыт, лампа выключена; (b) открыт, лампа включена (стрелками показано направление движения потока электронов)

Если ключ разомкнут, как показано на рисунке выше (a), вывод базы транзистора остается "висеть в воздухе" (не подключенным к чему-либо), и ток через этот вывод протекать не будет. В этом состоянии говорят, что транзистор закрыт. Если ключ замкнут, как показано на рисунке выше (b), электроны смогут перемещаться от эмиттера, через базу транзистора, через ключ, назад к положительному выводу батареи. Этот ток базы позволит протекать намного большему потоку электронов от эмиттера через коллектор, что приведет к тому, что лампа загорится. В этом состоянии максимального тока говорят, что транзистор открыт/насыщен.

Конечно, может показаться бессмысленным использование транзистора для этого способа управления лампой. В конце концов, мы всё еще используем в схеме ключ, не так ли? Если мы всё еще используем ключ для управления лампой – хотя и косвенно – тогда в чем смысл ставить транзистор для управления током? Почему бы просто не вернуться к нашей первоначальной схеме и использовать ключ напрямую для управления током лампы?

На самом деле здесь можно обратить внимание на два момента. Во-первых, тот факт, что при таком способе через контакты ключа должен проходить лишь небольшой ток базы, необходимый для открытия транзистора; транзистор сам обрабатывает большой ток лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель может пропускать небольшой ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно мощной нагрузкой. Что еще более важно, управляемое током поведение транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения и выключения лампы. Рассмотрим рисунок ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1В для преодоления 0,7В напряжения база-эмиттер, что позволит протекать току через базу, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит в качестве датчика освещенности (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Или мы можем использовать термопару (несколько соединенных последовательно термопар), чтобы обеспечить протекание тока базы, необходимого для открывания транзистора, как показано на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает напряжение менее 40 мВ. Несколько соединенных последовательно термопар могут обеспечить напряжение, превышающее 0,7 В напряжения VБЭ транзистора, что вызовет появление тока базы и, следовательно, тока коллектора через лампу (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Даже микрофон (рисунок ниже) с достаточным напряжением и током (от усилителя) может открыть транзистор, если сигнал на его выходе выпрямляется из переменного напряжения в постоянное так, чтобы на PN-переход эмиттер-база транзистора подавалось прямое смещение.

Усиленный сигнал микрофона выпрямляется в постоянное напряжение для смещения базы транзистора, обеспечивающего больший ток коллектора (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

К настоящему времени должен быть очевиден следующий момент: любой достаточный источник постоянного тока может использоваться для открывания транзистора, и от этого источника требуется лишь малая часть тока, необходимого для включения лампы. Здесь мы видим, что транзистор работает не только как коммутатор, но и как настоящий усилитель: использует относительно слабый сигнал для управления относительно большой величиной мощности. Обратите внимание, что фактическое питание для зажигания лампы исходит от батареи справа на схеме. Это не малый ток сигнала от солнечного элемента, термопары или микрофона магически трансформируется в большее количество энергии. Скорее эти маломощные источники просто контролируют мощность батареи для зажигания лампы.

Подведем итоги:

  • Транзисторы могут использоваться в качестве коммутирующих элементов для управления постоянным напряжением, поступающим на нагрузку. Переключаемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
  • Когда через транзистор не протекает ток, говорят, что транзистор находится в закрытом состоянии (полностью не проводит ток).
  • Когда через транзистор протекает максимальный ток, говорят, что транзистор находится в открытом состоянии, состоянии насыщения (полностью проводит ток).

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКоммутаторКоммутацияОбучениеТранзисторный ключЭлектроника

Сохранить или поделиться

Введение в биполярные переходные транзисторы (BJT) | Биполярные переходные транзисторы

Изобретение биполярного транзистора в 1948 году произвело революцию в электронике. Технические достижения, ранее требовавшие относительно больших, механически хрупких, энергоемких вакуумных ламп, внезапно стали возможны с помощью крошечных, механически прочных, энергоемких частичек кристаллического кремния. Эта революция сделала возможным разработку и производство легких и недорогих электронных устройств, которые мы сейчас воспринимаем как должное.Понимание того, как работают транзисторы, имеет первостепенное значение для всех, кто интересуется современной электроникой.

Функции и применение биполярных переходных транзисторов

Я намерен здесь сосредоточиться как можно более исключительно на практических функциях и применении биполярных транзисторов, а не на исследовании квантового мира теории полупроводников. На мой взгляд, обсуждение дырок и электронов лучше оставить в отдельной главе. Здесь я хочу изучить, как использовать эти компоненты, а не анализировать их внутренние детали.Я не хочу преуменьшать важность понимания физики полупроводников, но иногда пристальное внимание к физике твердого тела отвлекает от понимания функций этих устройств на уровне компонентов. Однако, принимая этот подход, я предполагаю, что читатель обладает определенным минимальным знанием полупроводников: разница между полупроводниками, легированными «P» и «N», функциональные характеристики PN (диодного) перехода и значения терминов «Смещенный назад» и «смещенный вперед».Если вам непонятны эти концепции, лучше всего обратиться к предыдущим главам этой книги, прежде чем переходить к этой.

Слои BJT

Биполярный транзистор состоит из трехслойного «сэндвича» из легированных (внешних) полупроводниковых материалов (a и c) либо P-N-P, либо N-P-N (b и c). Каждый слой, образующий транзистор, имеет определенное имя, и каждый слой снабжен проводным контактом для подключения к цепи. Условные обозначения показаны на рисунках (а) и (с).

Биполярный транзистор : (a) схематическое обозначение PNP, (b) расположение (c) схематическое обозначение NPN, (d) расположение.

Функциональное различие между транзистором PNP и транзистором NPN заключается в правильном смещении (полярности) переходов во время работы.

Биполярные транзисторы работают как регуляторы тока . Другими словами, транзисторы ограничивают количество проходящего тока в соответствии с меньшим управляющим током.Основной ток, которым управляет , идет от коллектора к эмиттеру или от эмиттера к коллектору, в зависимости от типа транзистора (NPN или PNP, соответственно). Небольшой ток, которым управляет , основной ток идет от базы к эмиттеру или от эмиттера к базе, опять же, в зависимости от типа транзистора (NPN или PNP, соответственно). Согласно стандартам символики полупроводников, стрелка всегда указывает в направлении тока.

Направление малого управляющего тока и большого управляемого тока для (a) PNP и (b) NPN-транзистора.

Биполярные транзисторы содержат два типа полупроводникового материала

Биполярные транзисторы

называются bi полярными, потому что основной ток через них происходит в двух типах полупроводниковых материалов : P и N, поскольку основной ток идет от эмиттера к коллектору (или наоборот). Другими словами, два типа носителей заряда - электроны и дырки - составляют этот основной ток через транзистор.

Как вы можете видеть, , управляющий током , и , управляемый ток , всегда соединяются вместе через эмиттерный провод, и их токи текут в направлении стрелки транзистора.Это первое и главное правило при использовании транзисторов: все токи должны течь в правильном направлении, чтобы устройство могло работать как регулятор тока. Небольшой управляющий ток обычно называют просто базовым током , потому что это единственный ток, который проходит через базовый провод транзистора. И наоборот, большой контролируемый ток называется коллекторным током , потому что это единственный ток, который проходит через коллекторный провод.Ток эмиттера - это сумма токов базы и коллектора в соответствии с законом Кирхгофа о токах.

Отсутствие тока через базу транзистора отключает транзистор, как разомкнутый переключатель, и предотвращает прохождение тока через коллектор. Базовый ток включает транзистор, как замкнутый переключатель, и пропускает пропорциональную величину тока через коллектор. Ток коллектора в основном ограничивается базовым током, независимо от величины напряжения, доступного для его толкания.В следующем разделе более подробно рассматривается использование биполярных транзисторов в качестве переключающих элементов.

ОБЗОР:

  • Биполярные транзисторы названы так потому, что управляемый ток должен проходить через два типа полупроводникового материала : P и N. Ток состоит из потока электронов и дырок в разных частях транзистора.
  • Биполярные транзисторы состоят из полупроводниковой «сэндвич-структуры» типа P-N-P или N-P-N.
  • Три вывода биполярного транзистора называются эмиттером , базой и коллектором .
  • Транзисторы
  • функционируют как регуляторы тока, позволяя маленькому току управлять большим током. Величина допустимого тока между коллектором и эмиттером в первую очередь определяется величиной тока, проходящего между базой и эмиттером.
  • Для того, чтобы транзистор мог правильно функционировать в качестве регулятора тока, управляющий (базовый) ток и контролируемый (коллекторный) токи должны идти в правильных направлениях: аддитивно сцепляться на эмиттере и двигаться в направлении, указанном стрелкой на эмиттере. .

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Поваренная книга по биполярным транзисторам

- Часть 1


Биполярный транзистор является наиболее важным «активным» элементом схемы, используемым в современной электронике, и он составляет основу большинства линейных и цифровых ИС, операционных усилителей и т. Д. В своей дискретной форме он может функционировать либо как цифровой переключатель, либо как как линейный усилитель и доступен во многих формах низкой, средней и высокой мощности. В этом вводном эпизоде ​​основное внимание уделяется теории, характеристикам и конфигурациям схем транзисторов.Остальные семь частей серии представят широкий спектр практических схем применения биполярных транзисторов.

ОСНОВА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Биполярный транзистор (впервые изобретен в 1948 году) представляет собой трехконтактное устройство усиления тока (база, эмиттер и коллектор), в котором небольшой входной ток может управлять величиной гораздо большего выходного тока. Термин «биполярный» означает, что устройство изготовлено из полупроводниковых материалов, в которых проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных (основных и неосновных) носителей заряда.

Обычный транзистор сделан из трехслойного полупроводникового материала n-типа и p-типа, с базовым или «управляющим» выводом, подключенным к центральному слою, а выводы коллектора и эмиттера подключены к внешним слоям. Если он использует многослойную конструкцию n-p-n, как в рис. 1 (a) , он известен как npn-транзистор и использует стандартный символ на рис. 1 (b) .

РИСУНОК 1. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) npn-транзистора.


Если он использует структуру p-n-p, как на рис. 2 (a) , он известен как pnp-транзистор и использует символ на рис. 2 (b) .

РИСУНОК 2. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) pnp-транзистора.


При использовании для транзисторов npn и pnp требуется источник питания соответствующей полярности, как показано на рис. 3 .

РИСУНОК 3. Подключение полярности к (a) npn-транзисторам и (b) pnp-транзисторам.


Устройству npn требуется источник питания, который делает коллектор положительным по отношению к эмиттеру - его выходной или выходной ток сигнала (I c ) течет от коллектора к эмиттеру, а его амплитуда регулируется входным «управляющим» током ( I b ), который течет от базы к эмиттеру через внешний токоограничивающий резистор (R b ) и положительное напряжение смещения. Транзистору pnp требуется отрицательное питание - ток его основного вывода течет от эмиттера к коллектору и управляется входным током эмиттер-база, который течет до отрицательного напряжения смещения.

В первые годы использования биполярных транзисторов большинство транзисторов были изготовлены из германиевых полупроводниковых материалов. У таких устройств было много практических недостатков: они были хрупкими, чрезмерно чувствительными к температуре, с электронным шумом и очень низкими показателями мощности. Германиевые транзисторы уже устарели. Практически все современные биполярные транзисторы изготовлены из кремниевых полупроводниковых материалов. Такие устройства надежны, обладают хорошей мощностью, не слишком чувствительны к температуре и генерируют незначительный электронный шум.

Сегодня доступно очень большое количество превосходных типов кремниевых биполярных транзисторов. На рис. 4 перечислены основные характеристики двух типичных маломощных типов общего назначения - 2N3904 (npn) и 2N3906 (pnp), каждый из которых размещен в пластиковом корпусе TO-92 и имеет нижний штифт. соединения показаны на схеме.

РИСУНОК 4. Общие характеристики и схема маломощных кремниевых транзисторов 2N3904 и 2N3906.


Обратите внимание, что при чтении списка Рисунок 4 , V CEO (max) - это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером, когда база разомкнута, и V CBO (max) - максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и базой при разомкнутой цепи эмиттера. I C (макс.) - это максимальный средний ток, который может протекать через клемму коллектора устройства, а P T (макс.) - максимальная средняя мощность, которую устройство может рассеять без использования внешний радиатор, при нормальной комнатной температуре.

Одним из наиболее важных параметров транзистора является его коэффициент передачи прямого тока, или h fe - это коэффициент усиления по току или отношение выходного / входного тока устройства (обычно от 100 до 300 в двух перечисленных устройствах). Наконец, цифра f T показывает доступное произведение коэффициента усиления / ширины полосы частот устройства, т. Е. Если транзистор используется в конфигурации обратной связи по напряжению, которая обеспечивает усиление по напряжению x100, ширина полосы составляет 1/100 от f T цифра, но если коэффициент усиления по напряжению уменьшается до x10, полоса пропускания увеличивается до f T /10 и т. Д.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Чтобы получить максимальное значение от транзистора, пользователь должен понимать как его статические (постоянный ток), так и динамические (переменный ток) характеристики. На рисунке 5 показаны статические эквивалентные схемы npn- и pnp-транзисторов.

РИСУНОК 5. Статические эквивалентные схемы npn и pnp транзисторов.


Стабилитрон неизбежно формируется каждым из np- или pn-переходов транзистора, и, таким образом, транзистор (в статических терминах) равен паре обратно соединенных стабилитронов, подключенных между выводами коллектора и эмиттера, с выводом базы. подключены к их «общей» точке.В большинстве маломощных транзисторов общего назначения переход база-эмиттер имеет типичное значение стабилитрона в диапазоне от 5 В до 10 В - типичное значение стабилитрона перехода база-коллектор находится в диапазоне от 20 В до 100 В.

Таким образом, переход база-эмиттер транзистора действует как обычный диод при прямом смещении и как стабилитрон при обратном смещении. В кремниевых транзисторах смещенный в прямом направлении переход пропускает небольшой ток, пока напряжение смещения не возрастет примерно до 600 мВ, но при превышении этого значения ток быстро увеличивается.При прямом смещении фиксированным током прямое напряжение перехода имеет тепловой коэффициент около -2 мВ / 0 C. Когда транзистор используется с разомкнутой цепью эмиттера, переход база-коллектор действует так же. описан, но имеет большее значение стабилитрона. Если транзистор используется с разомкнутой базой, путь коллектор-эмиттер действует как стабилитрон, включенный последовательно с обычным диодом.

Динамические характеристики транзистора можно понять с помощью , рис. 6, , на котором показаны типичные характеристики прямого перехода маломощного кремниевого npn-транзистора с номинальным значением 100 h fe (коэффициент усиления по току).

РИСУНОК 6. Типичные передаточные характеристики маломощных npn-транзисторов со значением h fe , равным 100 номиналу.


Таким образом, когда ток базы (I b ) равен нулю, транзистор пропускает только небольшой ток утечки. Когда напряжение коллектора превышает несколько сотен милливольт, ток коллектора почти прямо пропорционален токам базы и мало зависит от значения напряжения коллектора. Таким образом, устройство можно использовать в качестве генератора постоянного тока, подавая фиксированный ток смещения в базу, или можно использовать как линейный усилитель, наложив входной сигнал на номинальный входной ток.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Транзистор может использоваться во множестве различных конфигураций основных схем, и оставшаяся часть этого вступительного эпизода представляет собой краткое изложение наиболее важных из них. Обратите внимание, что хотя все схемы показаны с использованием транзисторов типа npn, их можно использовать с типами pnp, просто изменив полярность схемы и т. Д.

ДИОД И ЦЕПИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Переход база-эмиттер или база-коллектор кремниевого транзистора может использоваться как простой диод или выпрямитель, или как стабилитрон, используя его с соответствующей полярностью. Рисунок 7 показывает два альтернативных способа использования npn-транзистора в качестве простого диодного зажима, который преобразует прямоугольный входной сигнал, связанный по переменному току, в прямоугольный выходной сигнал, который колеблется между нулем и положительным значением напряжения, т. Е. Который «фиксирует» выходной сигнал. к нулевой контрольной точке либо через внутреннюю базу-эмиттер транзистора, либо через «диодный» переход база-коллектор.

РИСУНОК 7. Схема ограничивающего диода, использующая npn-транзистор в качестве диода.


На рисунке 8 показан npn-транзистор, используемый в качестве стабилитрона, который преобразует нерегулируемое напряжение питания в стабилизированный выходной сигнал с фиксированным значением с типичным значением в диапазоне от 5 В до 10 В, в зависимости от конкретного транзистора. Для этого приложения подходит только переход база-эмиттер транзистора с обратным смещением. Если используется переход база-коллектор с обратным смещением, значение стабилитрона обычно возрастает до диапазона 30–100 В, и транзистор может самоуничтожиться (из-за перегрева) при довольно низких уровнях тока стабилитрона.

РИСУНОК 8. Транзистор, используемый в качестве стабилитрона.


На рисунке 9 показан транзистор, используемый в качестве простого электронного переключателя или цифрового инвертора. Его база приводится в действие (через R b ) цифровым входом, имеющим либо нулевое напряжение, либо положительное значение, а нагрузка R L подключается между коллектором и положительной шиной питания. Когда входное напряжение равно нулю, транзистор отключен и через нагрузку протекает нулевой ток, поэтому между коллектором и эмиттером появляется полное напряжение питания.Когда на входе высокий уровень, транзисторный ключ полностью включен (насыщен), и в нагрузке протекает максимальный ток, и между коллектором и эмиттером вырабатывается всего несколько сотен милливольт. Таким образом, выходное напряжение представляет собой инвертированную форму входного сигнала.

РИСУНОК 9. Транзисторный переключатель или цифровой инвертор.


Базовая схема Рисунок 9 предназначена для использования в качестве простого цифрового переключателя или инвертора, управляющего чисто резистивной нагрузкой.Его можно использовать в качестве электронного переключателя, который приводит в действие катушку реле или другую высокоиндуктивную нагрузку (например, двигатель постоянного тока), подключив его, как показано на рис. 10 , как показано на рис. 10 , в котором диоды D1 и D2 защищают транзистор от высокоточного переключателя. - индуцированные обратные ЭДС от индуктивной нагрузки в момент отключения питания.

РИСУНОК 10. Транзисторный переключатель (цифровой инвертор), управляющий катушкой реле (или другой индуктивной нагрузкой).


ЦЕПИ ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Транзистор можно использовать в качестве линейного усилителя тока или напряжения, подав соответствующий ток смещения в его базу, а затем подав входной сигнал между соответствующей парой клемм.В этом случае транзистор может использоваться в любом из трех основных режимов работы, каждый из которых обеспечивает уникальный набор характеристик. Эти три режима известны как «общий эмиттер» (, рисунок 11, ), «общая база» (, рисунок 12, ) и «общий коллектор» (, рисунки 13 и 14, ).

В схеме с общим эмиттером (которая показана в очень простой форме на , рис. 11, ) резистивная нагрузка R L подключена между коллектором транзистора и положительной линией питания, а ток смещения подается в базу через резистор R b , значение которого выбирается для установки коллектора на значение половины напряжения покоя (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала).Входной сигнал подается между базой транзистора и эмиттером через конденсатор C, а выходной сигнал (который инвертирован по фазе относительно входа) принимается между коллектором и эмиттером. Эта схема дает среднее значение входного импеданса и довольно высокий общий коэффициент усиления по напряжению.

РИСУНОК 11. Линейный усилитель с общим эмиттером .


В схеме с общей базой в Рис. 12 база смещена через R b и развязана по переменному току (или заземлена по переменному току) через конденсатор C b .Входной сигнал эффективно применяется между эмиттером и базой через C1, а усиленный, но не инвертированный выходной сигнал эффективно берется между коллектором и базой. Эта схема отличается хорошим коэффициентом усиления по напряжению, почти единичным коэффициентом усиления по току и очень низким входным сопротивлением.

РИСУНОК 12. Линейный усилитель с общей базой.


В цепи общего коллектора постоянного тока в Рис. 13 коллектор закорочен на низкоомную положительную шину питания и, таким образом, фактически находится на уровне импеданса «виртуальной земли».Входной сигнал подается между базой и землей (виртуальный коллектор), а неинвертированный выходной сигнал берется между эмиттером и землей (виртуальный коллектор). Эта схема дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению, а ее выход «следует» за входным сигналом. Таким образом, он известен как повторитель постоянного напряжения (или эмиттерный повторитель) и имеет очень высокий входной импеданс (равный произведению значений R L и h fe ).

РИСУНОК 13. Линейный усилитель с общим коллектором постоянного тока или повторитель напряжения.


Обратите внимание, что указанная выше схема может быть модифицирована для использования переменного тока, просто смещая транзистор на половину напряжения питания и связывая входной сигнал с базой по переменному току, как показано в базовой схеме на рис. 14 , в котором делитель потенциала R1-R2 обеспечивает смещение половинного напряжения питания.

РИСУНОК 14. Усилитель с общим коллектором переменного тока или повторитель напряжения.


Диаграмма на Рис. 15 суммирует рабочие характеристики трех основных конфигураций усилителя.Таким образом, усилитель с общим коллектором дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению и высокий входной импеданс, в то время как усилители с общим эмиттером и общей базой дают высокие значения усиления по напряжению, но имеют значения входного сопротивления от среднего до низкого.

РИСУНОК 15. Сравнительные характеристики трех основных схемных конфигураций.


ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Рисунок 16 показывает - в базовой форме - как пару усилителей основного типа Рисунок 11 можно соединить вместе, чтобы образовать «дифференциальный» усилитель или «длиннохвостую пару», которая выдает пропорциональный выходной сигнал. на разницу между двумя входными сигналами.В этом случае Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а схема смещена (через R1-R2 и R3-R4), так что два транзистора пропускают одинаковые токи коллектора (таким образом, обеспечивая нулевую разницу между токами коллектора). два напряжения коллектора) в условиях покоя с нулевым входом.

РИСУНОК 16. Дифференциальный усилитель или длиннохвостая пара.


Если в приведенной выше схеме возрастающее входное напряжение подается только на вход одного транзистора, это приводит к падению выходного напряжения этого транзистора и (в результате действия связи эмиттеров) вызывает выходное напряжение другого транзистора. транзистор поднимается на аналогичную величину, что дает большое дифференциальное выходное напряжение между двумя коллекторами.С другой стороны, если на входы обоих транзисторов подаются идентичные сигналы, оба коллектора будут перемещаться на одинаковые величины, и, таким образом, схема будет производить нулевой дифференциальный выходной сигнал. Таким образом, схема выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными сигналами.

ДАРЛИНГТОНСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Входной импеданс схемы эмиттерного повторителя Рис. 13 равен произведению значений R L и значений h fe транзистора - если требуется сверхвысокий входной импеданс, его можно получить, заменив одиночный транзистор на пара транзисторов, подключенных по схеме «Дарлингтон» или «Супер-Альфа», как показано на Рис. 17 .Здесь эмиттерный ток входного транзистора подается непосредственно на базу выходного транзистора, и пара действует как один транзистор с общим значением h fe , равным произведению двух отдельных значений hfe, т. Е. Если каждое из них Транзистор имеет значение h fe , равное 100, пара действует как одиночный транзистор с h fe , равным 10 000, а полная схема имеет входное сопротивление 10 000 x R L .

РИСУНОК 17.Излучатель Darlington или Super-Alpha DC.


ЦЕПИ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Мультивибратор - это, по сути, цифровая схема с двумя состояниями, которая может переключаться из состояния с высоким выходом в состояние с низким выходом или наоборот, с помощью сигнала запуска, который может быть получен от внешнего источника или с помощью автоматического или срабатывающий механизм синхронизации. Транзисторы могут использоваться в четырех основных типах схем мультивибратора, как показано на рис. 18–21 .

Схема Рис. 18 Схема представляет собой простой бистабильный мультивибратор с перекрестной связью, запускаемый вручную, в котором смещение базы каждого транзистора происходит от коллектора другого, так что один транзистор автоматически отключается при включении другого. , наоборот.

РИСУНОК 18. Бистабильный мультивибратор с ручным запуском.


Таким образом, выход может быть понижен путем кратковременного отключения Q2 через S2, таким образом закорачивая путь Q2 база-эмиттер. Когда Q2 отключает привод базы питания R2-R4 на базу Q1, схема автоматически блокируется в этом состоянии до тех пор, пока Q1 не будет аналогичным образом отключен через S1, после чего выход снова блокируется в высоком состоянии и так до бесконечности.

На рисунке 19 показан - в базовой форме - моностабильный мультивибратор или схема генератора однократных импульсов.Его выход (от коллектора Q1) обычно низкий, так как Q1 обычно смещается через R5, но переключается на высокий уровень в течение заданного периода (определяемого значениями компонентов C1-R5), если Q1 на короткое время выключается кратковременным закрытием кнопки « Пуск »переключатель S1.

РИСУНОК 19. Моностабильный мультивибратор с ручным запуском.


Фактический период времени моностабильности начинается при отпускании кнопочного переключателя «Пуск» и имеет период (P) приблизительно 0.7 x C1 x R5, где P выражено в мкСм, C в мкФ, а R в килом.

На рисунке 20 показан нестабильный мультивибратор или автономный генератор прямоугольной волны, в котором периоды включения и выключения прямоугольной волны определяются значениями компонентов C1-R4 и C2-R3. По сути, эта схема действует как пара перекрестно связанных моностабильных схем, которые последовательно автоматически запускают друг друга. Если периоды синхронизации C1-R4 и C2-R3 идентичны, схема генерирует свободный прямоугольный выходной сигнал.Если два периода синхронизации не идентичны, схема генерирует асимметричный выходной сигнал.

РИСУНОК 20. Нестабильный мультивибратор или автономный прямоугольный генератор.


Наконец, На рис. 21 показан базовый триггер Шмитта или схема преобразователя синусоидальной формы в прямоугольную. Действие схемы здесь таково, что Q2 внезапно переключается из состояния «включено» в состояние «выключено» или наоборот, когда база Q1 поднимается выше или ниже заранее определенных уровней «триггерного» напряжения.

РИСУНОК 21. Триггер Шмитта или преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.


Если на вход схемы подается синусоидальный сигнал разумной амплитуды, схема, таким образом, генерирует выходной сигнал в виде симпатической прямоугольной волны. NV


Поваренная книга по биполярным транзисторам

- Часть 3


В прошлогоднем выпуске этой книги рецептов транзисторов серии описаны практические способы использования биполярных транзисторов в полезных схемах с общим коллектором (повторителем напряжения), включая драйверы реле, генераторы постоянного тока, линейные усилители и повторители дополнительного эмиттера.В этом месяце статья продолжается и показывает различные способы использования биполярных транзисторов в простых, но полезных конфигурациях с общим эмиттером и общей базой.

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА

Усилитель с общим эмиттером (также известный как схема с общей землей или заземленным эмиттером) имеет среднее значение входного импеданса и обеспечивает существенное усиление напряжения между входом и выходом. Вход схемы подключается к базе транзистора, а выход снимается с его коллектора - основные принципы работы схемы были кратко описаны во вводной части этой серии из восьми частей.Усилитель с общим эмиттером может использоваться в широком спектре цифровых и аналоговых усилителей напряжения. Этот раздел поваренной книги серии начинается с рассмотрения «цифровых» прикладных схем.

ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ

На рисунке 1 показан простой цифровой усилитель, инвертор или переключатель npn с общим эмиттером, в котором входной сигнал имеет либо нулевое напряжение, либо существенно положительное значение, и подается на базу транзистора через последовательный резистор R b . , а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора.Когда на входе ноль, транзистор отключен, а на выходе полное положительное значение шины питания. Когда на входе высокий уровень, транзистор смещен, и ток коллектора течет через R L , тем самым подтягивая выход к низкому уровню. Если входное напряжение достаточно велико, Q1 полностью включается, а выходная мощность падает до значения «насыщения» в несколько сотен мВ. Таким образом, выходной сигнал представляет собой усиленную и инвертированную версию входного сигнала.

РИСУНОК 1. Цифровой инвертор / переключатель (npn)


В , рис. 1 , резистор R b ограничивает входной ток возбуждения базы до безопасного значения.Входное сопротивление схемы немного больше, чем значение R b , что также влияет на время нарастания и спада выходного сигнала - чем больше значение R b , тем хуже они становятся. Эту проблему можно преодолеть за счет шунтирования резистора R b «ускоряющего» конденсатора (обычно около 1n0), как показано пунктиром на схеме. На практике R b должен быть как можно меньше, соответствовать требованиям безопасности и входному сопротивлению, и не должен превышать R L x h fe .

На рисунке 2 показана схема цифрового инвертора / переключателя в версии pnp. Q1 полностью включается, его выход на несколько сотен мВ ниже положительного значения напряжения питания, когда на входе нулевое напряжение, и выключается (с его выходом при нулевом напряжении), когда входной сигнал поднимается до уровня менее 600 мВ от положительного напряжения питания. железнодорожная стоимость.

РИСУНОК 2. Цифровой инвертор / переключатель (pnp)


Чувствительность схем Figure 1 и 2 можно увеличить, заменив Q1 парой транзисторов Дарлингтона или Super-Alpha.В качестве альтернативы можно сделать неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления, используя пару транзисторов, подключенных любым из способов, показанных на рис. 3 или рис. 4 .

Схема Рис. 3 использует два npn-транзистора. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 полностью включается через R2, а выход низкий (насыщенный). Когда входной сигнал «высокий», Q1 приводится в состояние насыщения и подтягивает базу Q2 до значения менее 600 мВ, поэтому Q2 отключен, а выход высокий (при V +).

РИСУНОК 3. Неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления на npn-транзисторах


Схема Рис. 4 использует один npn и один pnp транзистор. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 также отключается (через R2-R3), а на выходе находится нулевое напряжение. Когда на входе высокий уровень, Q1 включается и переводит Q2 в насыщение через R3. В этом случае выходной сигнал принимает значение на несколько сотен мВ ниже положительного значения питающей шины.

РИСУНОК 4. Альтернативный неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с использованием пары транзисторов npn-pnp


Рисунок 5 показывает (в базовой форме), как дополнительную пару цепей Рисунок 4 можно использовать для создания сети управления направлением двигателя постоянного тока с использованием двойного источника питания. Схема работает следующим образом.

РИСУНОК 5. Цепь управления направлением двигателя постоянного тока


Когда SW1 установлен в положение «Вперед», Q1 включается через R1 и подтягивает Q2 через R3, но Q3 и Q4 отключены.Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q2) к положительной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в прямом направлении.

Когда SW1 установлен в положение «Off», все четыре транзистора отключены, и двигатель не работает.

Когда SW1 установлен в положение «Reverse», Q3 смещается через R4 и подтягивает Q4 через R6, но Q1 и Q2 отключены. Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q4) к отрицательной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в обратном направлении.

ДРАЙВЕРЫ РЕЛЕ

Базовые цифровые схемы , рисунки 1–4. можно использовать в качестве эффективных драйверов реле, если они оснащены подходящими схемами диодной защиты. На рисунках с 6 по 8 показаны примеры таких схем.

Схема , рис. 6, повышает чувствительность реле по току примерно в 200 раз (= коэффициент усиления по току транзистора Q1) и значительно увеличивает его чувствительность по напряжению. R1 обеспечивает базовую защиту привода и при желании может быть больше 1k0.Реле включается положительным входным напряжением.

РИСУНОК 6. Простая схема управления реле


Чувствительность реле по току можно повысить примерно в 20 000 раз, заменив Q1 парой транзисторов, соединенных Дарлингтоном. На рис. 7 показан этот метод, используемый для создания цепи, которую можно активировать, приложив сопротивление менее 2M0 к паре зондов из нержавеющей стали. Контакты воды, пара и кожи имеют сопротивление ниже этого значения, поэтому эту простую небольшую схему можно использовать в качестве реле, активируемого водой, паром или прикосновением.

РИСУНОК 7. Сенсорный, водяной или паровой релейный переключатель


Рисунок 8 показывает еще один сверхчувствительный драйвер реле, основанный на схеме Рисунок 4 , которому для активации реле требуется вход всего 700 мВ при 40 мкА. R2 обеспечивает полное отключение Q1 и Q2 при разомкнутой цепи входных клемм.

РИСУНОК 8. Сверхчувствительный драйвер реле (требуется вход 700 мВ при 40 мкА)


ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ

Схема с общим эмиттером может использоваться в качестве линейного усилителя переменного тока, подавая постоянный ток смещения на ее базу, чтобы ее коллектор принимал постоянное значение наполовину напряжения питания (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала), а затем подавать входной сигнал переменного тока к его базе и получение выходного переменного тока от его коллектора (как показано на рис. 9 ).

РИСУНОК 9. Простой npn-усилитель с общим эмиттером


Первым шагом в разработке схемы базового типа Figure 9 является выбор номинала нагрузочного резистора R2. Чем ниже это значение, тем выше будет верхняя граничная частота усилителя (из-за меньшего шунтирующего влияния паразитной емкости на эффективное сопротивление нагрузки), но тем выше будет рабочий ток покоя Q1. На диаграмме R2 имеет компромиссное значение 5k6, что дает верхнюю частоту «3 дБ вниз» около 120 кГц и потребление тока покоя 1 мА от источника питания 12 В.

Для смещения выхода схемы Рис. 9 на половину напряжения питания, R1 требуется значение R2 x 2h fe , и (при номинальном h fe 200) это работает примерно на 2M2 в показанном примере. . Формула для входного импеданса схемы (если смотреть на базу Q1) и коэффициента усиления по напряжению приведены на диаграмме. В показанном примере входное сопротивление составляет примерно 5 кОм и шунтируется R1 - коэффициент усиления по напряжению составляет примерно x200, или 46 дБ.

Точка смещения покоя схемы Рис. 9 зависит от значения Q1 h fe .Эту слабость можно преодолеть, изменив схему, как показано на рис. 10, , где резистор смещения R1 подключен в режиме обратной связи постоянного тока между коллектором Q1 и базой и имеет значение R2 x h fe . Действие обратной связи таково, что любой сдвиг выходного уровня (из-за изменений h fe , температуры или значений компонентов) вызывает встречное изменение уровня смещения основного тока, таким образом, стремясь отменить исходный сдвиг.

РИСУНОК 10. Усилитель с общим эмиттером и смещением обратной связи


Схема , рис. 10, имеет те же значения ширины полосы и усиления по напряжению, что и схема , рис. 9, , но имеет меньшее общее значение входного импеданса. Это связано с тем, что действие обратной связи по переменному току снижает кажущийся импеданс R1 (который шунтирует базовый импеданс Q1 5 кОм) в 200 раз (= В A), таким образом, общее входное сопротивление равно 2 к7. При желании шунтирующие эффекты цепи смещения могут быть устранены путем использования двух резисторов обратной связи и их развязки по переменному току, как показано на Рис. 11 .

РИСУНОК 11. Усилитель с развязкой по переменному току смещения обратной связи


Наконец, максимальная стабильность смещения обеспечивается схемой «смещения делителя потенциала» Рис. 12 . Здесь делитель потенциала R1-R2 устанавливает напряжение покоя, немного большее, чем V + / 3, на базе Q1, а действие повторителя напряжения приводит к появлению на эмиттере Q1 напряжения на 600 мВ меньше этого значения. Таким образом, напряжение V + / 3 создается на эмиттерном резисторе R3 5k6, и (поскольку токи эмиттера и коллектора Q1 почти идентичны) аналогичное напряжение падает на R4, который также имеет значение 5k6, таким образом устанавливая на коллекторе значение покоя 2V + / 3.R3 развязан по переменному току через C2, и схема дает усиление по переменному напряжению 46 дБ.

РИСУНОК 12. Усилитель со смещением делителя напряжения


ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕПИ

На рисунках 13–16 показаны некоторые полезные варианты усилителя с общим эмиттером. Рисунок 13 показывает базовую конструкцию на Рисунке 12, измененную так, чтобы получить коэффициент усиления переменного напряжения x10 - коэффициент усиления фактически равен значению нагрузки коллектора R4, деленному на эффективное значение импеданса «эмиттера», которое в данном случае (поскольку R3 развязан последовательно -connected C2-R5) равняется значению импеданса перехода база-эмиттер последовательно с параллельными значениями R3 и R5 и составляет примерно 560R, что дает усиление по напряжению в 10 раз.Альтернативные значения усиления можно получить, изменив значение R5.

РИСУНОК 13. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным усилением (x10)


На рис. 14 показан полезный вариант вышеупомянутой конструкции. В этом случае R3 равен R4 и не развязан, поэтому схема дает единичный коэффициент усиления по напряжению. Однако обратите внимание, что эта схема выдает два выходных сигнала с единичным усилением: выход эмиттера синфазен с входом, а сигнал коллектора - в противофазе.Таким образом, эта схема действует как фазоделитель с единичным усилением.

РИСУНОК 14. Фазоделитель с единичным усилением


На рисунке 15 показан другой способ изменения коэффициента усиления схемы. Такая конструкция обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению между коллектором Q1 и базой, но R2 дает обратную связь по переменному току с базой, а R1 подключен последовательно между входным сигналом и базой Q1 - общий эффект заключается в том, что коэффициент усиления по напряжению схемы (между входом и выходом) равняется R2 / R1 и работает при x10 в данном конкретном случае.

РИСУНОК 15. Альтернативный усилитель с фиксированным усилением (x10)


Наконец, Рис. 16 показывает, как можно изменить конструкцию Рис. 10 для обеспечения широкополосных характеристик путем подключения связанного по постоянному току буфера эмиттерного повторителя Q2 между коллектором Q1 и выходным выводом, чтобы минимизировать шунтирующие эффекты паразитных помех. емкость на R2 и, таким образом, расширяет верхнюю полосу пропускания до нескольких сотен кГц.

РИСУНОК 16. Широкополосный усилитель


ЦЕПИ С ВЫСОКИМ УСИЛЕНИЕМ

Одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером не может дать усиление по напряжению намного больше 46 дБ при использовании резистивной нагрузки коллектора - если требуется более высокое усиление, необходимо использовать многокаскадную схему. На рисунках 17–19 показаны три полезные конструкции двухтранзисторных усилителей напряжения с высоким коэффициентом усиления.

Схема , рис. 17, действует как пара усилителей с общим эмиттером с прямой связью, причем выход Q1 подается непосредственно на базу Q2, и дает общий коэффициент усиления по напряжению 76 дБ (примерно x6150) и верхнюю частоту -3 дБ 35 кГц.Обратите внимание, что резистор смещения обратной связи R4 питается от эмиттера Q2 с развязкой по переменному току (который «следует» за напряжением покоя коллектора Q1), а не напрямую от коллектора Q1, и что цепь смещения, таким образом, эффективно развязана по переменному току.

РИСУНОК 17. Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления


Рисунок 18 показывает альтернативную версию вышеуказанной конструкции, использующую выходной каскад pnp - его характеристики такие же, как у Рисунок 17 .

РИСУНОК 18. Альтернативный двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления


Схема Рисунок 19 дает усиление по напряжению около 66 дБ. Q1 - это усилитель с общим эмиттером и разделенной нагрузкой коллектора (R2-R3), а Q2 - это эмиттерный повторитель, который подает свой выходной сигнал переменного тока обратно на переход R2-R3 через C3, таким образом «загружая» значение R3 (как описано в рассрочке за последний месяц), чтобы он действовал как высокое сопротивление переменного тока. Таким образом, Q1 дает очень высокий коэффициент усиления по напряжению.Полоса пропускания этой схемы достигает примерно 32 кГц, но ее входное сопротивление составляет всего 330R.

РИСУНОК 19. Усилитель с высоким коэффициентом усиления с начальной загрузкой


ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕЙ БАЗЫ

В транзисторном усилителе с так называемой «общей базой» входной сигнал подается на эмиттер транзистора, а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Усилитель с общей базой имеет очень низкий входной импеданс, дает почти единичный коэффициент усиления по току и высокий коэффициент усиления по напряжению и используется в основном в широкополосных или высокочастотных усилителях напряжения. На рисунке 20 показан пример усилителя с общей базой, который дает хороший широкополосный отклик.

РИСУНОК 20. Усилитель с общей базой


Схема Рисунок 20 смещена так же, как Рисунок 12 . Обратите внимание, однако, что база развязана по переменному току через C1, а входной сигнал подается на эмиттер через C3. Схема имеет очень низкий входной импеданс (равный импедансу прямого смещения перехода база-эмиттер Q1), дает такое же усиление напряжения, как и усилитель с общим эмиттером (около 46 дБ), дает нулевой сдвиг фазы между входом и выходом и имеет полоса пропускания -3 дБ до нескольких МГц.

На рисунке 21 показан превосходный широкополосный усилитель - «каскодная» схема, которая дает преимущество в широкой полосе пропускания усилителя с общей базой вместе со средним входным сопротивлением усилителя с общим эмиттером. Это достигается последовательным соединением Q1 и Q2, причем Q1 подключен в режиме с общей базой, а Q2 - в режиме с общим эмиттером.

РИСУНОК 21. Широкополосный каскодный усилитель


Входной сигнал подается на базу Q2, которая использует эмиттер Q1 в качестве нагрузки коллектора и, таким образом, дает единичный коэффициент усиления по напряжению и очень широкую полосу пропускания, а Q1 дает коэффициент усиления по напряжению около 46 дБ.Таким образом, полная схема имеет входное сопротивление около 1 кОм, коэффициент усиления по напряжению 46 дБ и полосу пропускания -3 дБ, которая простирается до нескольких МГц.

На рис. 22 показан близкий родственник усилителя с общей базой - разделитель фазы «длинно-хвостовая пара», который дает пару противофазных выходов при управлении от несимметричного входного сигнала. Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а точка смещения схемы устанавливается через RV1, так что два транзистора пропускают почти одинаковые токи коллектора (что дает нулевую разницу между двумя напряжениями коллектора) в условиях покоя.

РИСУНОК 22. Разделитель фазы «Длиннохвостая пара»


База Q1 заземлена по переменному току через C1, а входные сигналы переменного тока подаются на базу Q2 через C2. Схема действует следующим образом.

Предположим, что на базу Q2 подается синусоидальный входной сигнал. Q2 действует как инвертирующий усилитель с общим эмиттером, и когда сигнал поднимает его базу вверх, его коллектор неизбежно опускается, и наоборот. Одновременно с этим эмиттер Q2 «следует» за входным сигналом, и по мере роста его эмиттерного напряжения он неизбежно уменьшает смещение база-эмиттер Q1, тем самым вызывая повышение напряжения коллектора Q1 и т. Д.

Q1, таким образом, работает в режиме с общей базой и дает тот же коэффициент усиления по напряжению, что и Q2, но дает неинвертирующее действие усилителя. Эта схема «фазоделителя», таким образом, генерирует пару сбалансированных противофазных выходных сигналов от несимметричного входа.

Наконец, Рис. 23 показывает, как можно сделать приведенную выше схему в качестве дифференциального усилителя, который дает пару противофазных выходов, которые пропорциональны разнице между двумя входными сигналами - если на оба входа подаются одинаковые сигналы. , схема будет (в идеале) давать нулевой выходной сигнал.

РИСУНОК 23. Простой дифференциальный усилитель или длинно-хвостовая пара


Второй входной сигнал подается на базу Q1 через C1, а «хвост» R7 обеспечивает связь между двумя транзисторами. NV


Биполярный транзистор

(BJT): что это такое и как он работает?

Что такое BJT?

Транзистор с биполярным переходом (также известный как транзистор BJT или BJT) - это трехконтактный полупроводниковый прибор, состоящий из двух p-n переходов, которые могут усиливать или усиливать сигнал.Это устройство, управляемое током. Три вывода BJT - это база, коллектор и эмиттер. BJT - это тип транзистора, в котором в качестве носителей заряда используются электроны и дырки.

Сигнал малой амплитуды, поданный на базу, доступен в усиленной форме на коллекторе транзистора. Это усиление, обеспечиваемое BJT. Обратите внимание, что для выполнения процесса усиления требуется внешний источник питания постоянного тока.

Есть два типа транзисторов с биполярным переходом - транзисторы NPN и транзисторы PNP.Схема этих двух типов транзисторов с биполярным переходом приведена ниже.
Из приведенного выше рисунка видно, что каждый BJT состоит из трех частей: эмиттер, база и коллектор. J E и J C представляют собой соединение эмиттера и соединение коллектора соответственно. Теперь нам изначально достаточно знать, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а переходы коллектор-база - в обратном направлении. В следующей теме будут описаны два типа этих транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

В биполярном транзисторе npn (или npn-транзисторе) один полупроводник p-типа находится между двумя полупроводниками n-типа, схема ниже показана npn-транзистором

Теперь I E , I C - ток эмиттера и ток сбора соответственно, а V EB и V CB - напряжение эмиттер-база и напряжение коллектор-база соответственно. Согласно соглашению, если для тока эмиттера, базы и коллектора I E , I B и I C ток проходит в транзистор, знак тока считается положительным, а если ток выходит из транзистора, то знак принимается отрицательным.Мы можем свести в таблицу различные токи и напряжения внутри транзистора n-p-n.

5
Тип транзистора I E I B I C V EB V CB 9077 N 9077 N 9077 - + + - + +

Биполярный PNP транзистор

Аналогично для pnp транзистор (или pnp транзистор), полупроводниковый полупроводник n-типа Полупроводники p-типа.Схема транзистора p-n-p показана ниже.

Для транзисторов p-n-p ток входит в транзистор через вывод эмиттера. Как и любой транзистор с биполярным переходом, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном направлении. Мы можем табулировать ток эмиттера, базы и коллектора, а также напряжение эмиттер-база, база коллектора и напряжение коллектор-эмиттер для p-n-p транзисторов.

Тип транзистора I E I B I C V EB V CB n - p + - - + - -

Принцип работы BJT

На рисунке показан npn-транзистор, смещенный в активной области (см. Смещение транзистора), переход смещен в прямом направлении, тогда как переход CB имеет обратное смещение.Ширина обедненной области BE-перехода мала по сравнению с шириной CB-перехода.

Прямое смещение в BE-переходе снижает барьерный потенциал и заставляет электроны течь от эмиттера к базе. Поскольку основание тонкое и слегка легированное, оно состоит из очень небольшого количества дырок, поэтому некоторые электроны из эмиттера (около 2%) рекомбинируют с дырками, присутствующими в области базы, и вытекают из вывода базы.

Он составляет базовый ток, он течет из-за рекомбинации электронов и дырок (обратите внимание, что направление обычного тока противоположно направлению потока электронов).Оставшееся большое количество электронов пересечет коллекторный переход с обратным смещением и составит ток коллектора. Таким образом, KCL,

Базовый ток очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора.

Здесь большинство носителей заряда - электроны. Транзистор p-n-p работает так же, как и транзистор n-p-n, с той лишь разницей, что большинство носителей заряда - это дырки, а не электроны. Лишь небольшая часть тока протекает из-за основных носителей заряда, а большая часть тока течет из-за неосновных носителей заряда в BJT.Следовательно, они называются устройствами неосновных носителей.

Эквивалентная схема BJT

p-n переход представлен диодом. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, он эквивалентен двум диодам, соединенным спина к спине. Это называется двухдиодной аналогией BJT.

Характеристики биполярных переходных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из трех частей: коллектора, эмиттера и базы. Прежде чем узнать о характеристиках биполярного переходного транзистора , мы должны знать о режимах работы для этого типа транзисторов.Режимы:

  1. Режим Common Base (CB)
  2. Режим Common Emitter (CE)
  3. Режим Common Collector (CC)

Все три типа режимов показаны ниже

Теперь, переходя к характеристикам BJT, есть разные характеристики для разных режимов работы. Характеристики - это не что иное, как графические формы отношений между различными переменными тока и напряжения транзистора. Характеристики p-n-p транзисторов приведены для разных режимов и разных параметров.

Характеристики общей базы

Входные характеристики

Для транзистора p-n-p входным током является ток эмиттера (I E ), а входным напряжением является напряжение базы коллектора (V CB ).

Поскольку переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, график зависимости I E от V EB аналогичен прямым характеристикам p-n диода. I E увеличивается для фиксированного V EB , когда V CB увеличивается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики показывают соотношение между выходным напряжением и выходным током I C - это выходной ток и напряжение коллектор-база, а ток эмиттера I E - это входной ток и работает как параметры. На рисунке ниже показаны выходные характеристики p-n-p транзистора в режиме CB.

Как мы знаем, для p-n-p транзисторов I E и V EB положительные, а I C , I B , V CB отрицательные.Это три области на кривой, область насыщения активной области и область отсечки. Активная область - это область, в которой транзистор работает нормально.

Здесь эмиттерный переход имеет обратное смещение. Теперь область насыщения - это область, где оба перехода эмиттер-коллектор смещены в прямом направлении. И, наконец, отсеченная область - это область, где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Характеристики общего эмиттера

Входные характеристики

I B (Базовый ток) - входной ток, В BE (Базовое - Эмиттерное напряжение) - входное напряжение для режима CE (Общий эмиттер).Таким образом, входные характеристики для режима CE будут отношениями между I B и V BE с V CE в качестве параметра. Характеристики показаны ниже.

Типичные входные характеристики CE аналогичны характеристикам p-n диода с прямым смещением. Но по мере увеличения V CB ширина основания уменьшается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики для режима CE - это кривая или график между током коллектора (I C ) и напряжением коллектор-эмиттер (V CE ), когда базовый ток I B является параметром.Характеристики показаны ниже на рисунке.

Как и выходные характеристики транзистора с общей базой, режим CE также имеет три области: (i) активная область, (ii) области отсечки, (iii) область насыщения. Активная область имеет обратное смещение коллекторной области и прямое смещение эмиттерного перехода.

В области отсечки эмиттерный переход имеет небольшое обратное смещение, и ток коллектора не отсекается полностью. И, наконец, для области насыщения как коллектор, так и эмиттерный переход смещены в прямом направлении.

История БЮТ

В 1947 году Дж. Барден, У. Браттерин и У. Шокли изобрели транзистор. Термин транзистор был дан Джоном Р. Пирсом. Хотя изначально он назывался твердотельной версией вакуумного триода, термин «транзистор» сохранился. В этой статье мы рассматриваем транзистор Bipolar Junction Transistor (BJT) .

Слово «транзистор» происходит от слов «переход» и «резистор», оно описывает работу BJT i.е. передача входного сигнала от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Этот тип транзистора состоит из полупроводников.

Транзисторы используются в создании интегральных схем (ИС). Количество транзисторов, которые мы смогли уместить в ИС, быстро увеличилось с момента их создания, удваиваясь примерно каждые 2 года (известный как закон Мура).

Итак, почему это называется переходным транзистором? Ответ кроется в конструкции.Мы уже знаем, что такое полупроводники p-типа и n-типа.

Теперь, в этом типе транзистора, любой один тип полупроводников зажат между другим типом полупроводников. Например, n-тип может быть зажат между двумя полупроводниками p-типа, или аналогично один p-тип может быть зажат между двумя полупроводниками n-типа.

Как обсуждалось выше, они называются pnp-транзисторами и npn-транзисторами соответственно. Теперь, когда есть два перехода разных типов полупроводников, это называется переходным транзистором.Это называется биполярным, потому что проводимость происходит за счет как электронов, так и дырок.

Применение BJT

BJT используются в дискретной схеме, разработанной из-за наличия многих типов и, очевидно, из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления, которое лучше, чем у MOSFET. BJT также подходят для высокочастотного применения.

Вот почему они используются в радиочастоте для беспроводных систем. Другим применением BJT можно назвать усилитель слабого сигнала, металлический фотоэлемент приближения и т. Д.

Усилитель биполярного транзистора

Чтобы понять концепцию усилителя биполярного транзистора , мы должны сначала взглянуть на схему p-n-p транзистора.


Теперь, когда входное напряжение немного изменяется, скажем, ΔV i напряжения эмиттер-база изменяет высоту барьера и ток эмиттера на ΔI E . Это изменение тока эмиттера вызывает падение напряжения ΔV O на сопротивлении нагрузки R L , где

ΔV O дает выходное напряжение усилителя.Существует отрицательный знак из коллекторного тока дает падение напряжения на R L с полярностью, противоположной полярности задания. Коэффициент усиления по напряжению A V для усилителя задается отношением выходных напряжений ΔV O к входному напряжению ΔV i , поэтому


называется коэффициентом усиления по току транзистора. Из приведенной выше диаграммы видно, что увеличение напряжения эмиттера уменьшает прямое смещение на переходе эмиттера, таким образом, уменьшает ток коллектора.

Указывает, что выходное напряжение и входное напряжение совпадают по фазе. Теперь, наконец, усиление мощности Ap транзистора представляет собой соотношение между выходной мощностью и входной мощностью

Символ, конструкция, работа, характеристики и применение

Транзисторы - один из очень важных компонентов, используемых в конструкциях электронных схем. Эти скромные компоненты можно найти почти повсюду; Транзисторы доказывают свое присутствие от простых схем релейных драйверов до сложных схем материнской платы.Фактически, ваши микроконтроллеры и микропроцессоры представляют собой не что иное, как набор большого количества транзисторов, синтезированных для выполнения коллективной операции. Помните, что многие переключающие устройства, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, DIAC и т. Д., Могут вместе называться транзисторами. Но самым основным (самым старым) транзистором является транзистор BJT, поэтому в этой статье мы подробно рассмотрим это, вы можете использовать ссылки, чтобы узнать больше о других переключателях питания.

BJT - это короткая форма биполярного переходного транзистора , это твердотельное устройство, управляемое током, которое можно использовать для электронного переключения цепи, вы можете думать об этом как о своем обычном переключателе вентилятора или света, но вместо вас включив его вручную, можно управлять электронным управлением.С технической точки зрения, BJT - это трехконтактное устройство с эмиттером, коллектором и выводом базы, ток, протекающий через эмиттер и коллектор, регулируется величиной тока, приложенного к базе. Опять же, вы можете рассматривать эмиттер и коллектор как два конца вашего переключателя, и вместо нажатия переключателя у нас есть базовый штифт, который может принимать управляющий сигнал. Но как именно это работает? А как с помощью транзистора построить интересные схемы? Это именно то, на что мы ответим в этом уроке.

Обозначение биполярных транзисторов

Начнем с символа транзисторов , чтобы вы могли идентифицировать их в цепи. На приведенной ниже диаграмме показаны символы двух транзисторов типа. Слева - это символ PNP-транзистора , а справа - символ NPN-транзистора . Как я уже сказал, вы сможете увидеть три клеммы: эмиттер, коллектор и базу для обоих типов транзисторов.

Отличие между транзисторами PNP и NPN заключается в том, что стрелка на конце эмиттера, если вы заметили, стрелка в транзисторе PNP упоминается как движущаяся от эмиттера к базе, тогда как в транзисторе NPN стрелка будет переход от базы к эмиттеру. Направление стрелки представляет направление тока в транзисторе, в PNP ток будет течь от эмиттера к базе, аналогично в транзисторе NPN ток будет течь от базы к эмиттеру.

Еще одно важное отличие состоит в том, что транзистор NPN остается открытым до тех пор, пока он не получит сигнал на выводе базы, в то время как транзистор PNP остается закрытым до тех пор, пока на вывод базы не будет подан управляющий сигнал, как показано в приведенном выше файле GIF.

Конструкция биполярного переходного транзистора

BJT образован тремя слоями полупроводниковых материалов, если это транзистор PNP, он будет иметь две области P-типа и одну область N-типа, аналогично, если это транзистор NPN, он будет иметь две области N-типа. области и одна область P-типа.Два внешних слоя - это места, где фиксируются выводы коллектора и эмиттера, а вывод базы фиксируется на центральном слое.

Конструкция может быть просто объяснена аналогией с двумя диодами для транзистора , как показано на изображении выше. Если вы хотите узнать больше о диодах, вы можете прочитать его статью. Рассмотрим два диода, соединенных друг с другом с помощью катода, тогда точка встречи может быть расширена, чтобы сформировать базовый вывод, а два конца анода действуют как коллектор и эмиттер PNP-транзистора.Точно так же, если вы соединяете анодные концы диода, то точка встречи анодов может быть расширена до клеммы базы, а два катодных конца действуют как коллектор и эмиттер NPN-транзистора.

Работа транзистора (BJT)

Практически транзистор работает очень просто, он может использоваться как переключатель или как усилитель. Но для базового понимания давайте начнем с того, как транзистор в качестве переключателя работает в цепи.

Когда управляющее напряжение подается на базовый вывод, требуемый базовый ток (I B ) течет в базовый вывод, который управляется базовым резистором . Этот ток включает транзистор (переключатель закрыт) и позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Этот ток называется током коллектора (I C ) , а напряжение на коллекторе и эмиттере называется V BE . Как вы можете видеть на изображении, мы используем напряжение низкого уровня, например 5 В, для управления нагрузкой с более высоким напряжением 12 В с помощью этого транзистора.

Теперь для теории, рассмотрим транзистор NPN, переход BE - это с прямым смещением , а переход CB - это с обратным смещением . Ширина области истощения в соединении CB больше по сравнению с областью истощения в соединении BE. Когда BE-переход смещен вперед, он уменьшает барьерный потенциал, следовательно, электроны начинают течь от эмиттера к базе. Базовая область очень тонкая и слабо легирована по сравнению с другими областями, следовательно, она состоит из очень небольшого количества дырок, электроны, которые текут из эмиттера, рекомбинируют с дырками, присутствующими в базовой области, и начинают течь вне базовой области в виде базового тока.Большое количество оставшихся электронов будет перемещаться через коллекторный переход обратного смещения в виде коллекторного тока.

Основываясь на текущем законе Кирхгофа , мы можем сформулировать текущее уравнение как

  I  E  = I  B  + I  C   

Где, I E , I B, и I C - ток эмиттера, базы и коллектора соответственно. Здесь базовый ток будет очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора, поэтому I E ~ I C

Точно так же, когда вы рассматриваете транзистор PNP, они работают так же, как транзистор NPN, но в транзисторах NPN основными носителями заряда являются дырки (положительно заряженная частица), но в транзисторе NPN носителями заряда являются электроны (отрицательно заряженные частица).

Характеристики БЮТ

BJT можно подключить в трех различных конфигурациях, оставив одну общую клемму и используя две другие клеммы для входа и выхода. Эти три типа конфигураций по-разному реагируют на входной сигнал, подаваемый на схему, из-за статических характеристик BJT. Три различных конфигурации BJT перечислены ниже.

  • Конфигурация Common Base (CB)
  • Конфигурация с общим эмиттером (CE)
  • Общий коллектор (CC) Конфигурация

Среди них конфигурации с общей базой будут иметь усиление по напряжению, но без усиления по току, тогда как конфигурация с общим коллектором имеет усиление по току, но без усиления по напряжению, а конфигурация с общим эмиттером будет иметь усиление как по току, так и по напряжению.

Конфигурация Common Base (CB)

Конфигурация общей базы также называется конфигурацией с заземленной базой , где база BJT соединена как общая между входным и выходным сигналами. Входной сигнал на BJT подается через клеммы базы и эмиттера, а выходной сигнал от BJT поступает через клеммы базы и коллектора. Входной ток (I E ), протекающий через эмиттер, будет значительно выше по сравнению с током базы (I B ) и током коллектора (I C ), поскольку ток эмиттера является суммой обоих Базовый ток и ток коллектора.Поскольку выходной ток коллектора меньше входного тока эмиттера, коэффициент усиления по току для этой конфигурации будет равен единице (1) или меньше .

Входные характеристики

Характеристическая кривая входа для конфигураций с общей базой проведена между током эмиттера I E и напряжением между базой и эмиттером V EB . Во время конфигурации с общей базой транзистор смещается в прямом направлении, поэтому он будет показывать характеристики, аналогичные характеристикам прямого действия p-n диода, где I E увеличивается для фиксированного V EB , когда V CB увеличивается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики конфигурации с общей базой даны между током коллектора I C и напряжением между коллектором и базой V CB , здесь ток эмиттера I E является параметром измерения. В зависимости от операции на кривой есть три разных участка, сначала активная область , , здесь BJT будет работать нормально, а эмиттерный переход смещен в обратном направлении.Затем идет область насыщения , где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в прямом направлении. Наконец, область отсечки , где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

Конфигурация общего эмиттера также называется конфигурацией заземленного эмиттера, где эмиттер действует как общий вывод между входом, применяемым между базой и эмиттером, и выходом, полученным между коллектором и эмиттером.Эта конфигурация обеспечивает максимальный ток и усиление мощности по сравнению с двумя другими типами конфигураций, это связано с тем, что входной импеданс низкий, поскольку он подключен к прямому смещенному PN-переходу, тогда как выходное сопротивление высокое. как это получается для PN перехода с обратным смещением.

Входные характеристики

Характеристики входа конфигурации с общим эмиттером рисуются между базовым током I B и напряжением между базой и эмиттером V BE .Здесь наиболее распространенным параметром является напряжение между коллектором и эмиттером. Если бы вы могли видеть, не будет большой разницы между характеристической кривой предыдущей конфигурации, за исключением изменения параметров.

Выходные характеристики

Выходные характеристики показаны между током коллектора I C и напряжением между коллектором и эмиттером V CE . Конфигурация CE также имеет три разные области: в активной области , , коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный переход смещен в прямом направлении, в области отсечки , эмиттерный переход слегка смещен в обратном направлении и ток коллектора не полностью отсекается, и, наконец, в области насыщения и коллекторный, и эмиттерный переходы смещены вперед.

Общий коллектор (CC) Конфигурация

Конфигурация общего коллектора также называется конфигурацией заземленного коллектора, в которой клемма коллектора остается общей клеммой между входным сигналом, подаваемым на базу и эмиттер, и выходным сигналом, полученным на коллекторе и эмиттере. Эта конфигурация обычно называется повторителем напряжения или схемой повторителя эмиттера .Эта конфигурация будет полезна для приложений согласования импеданса , поскольку она имеет очень высокий входной импеданс, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

Применение биполярных переходных транзисторов (BJT)

BJT может использоваться в различных приложениях, таких как логические схемы, схемы усиления, колебательные схемы, схемы с несколькими вибраторами, схемы ограничения, схемы таймера, схемы задержки времени, схемы переключения и т. Д.

Виды упаковки

Для лучшего использования в различных приложениях, BJT доступны в различных пакетах, таких как TO-3, TO-5, TO-8, TO-18, TO-36, TO-39, TO-46, TO-52. , ТО-66, ТО-72, ТО-92, ТО-126, ТО-202, ТО-218, ТО-220, ТО-226, ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, ТО -264 и ТО-267. Вы также можете ознакомиться с нашими статьями о различных типах пакетов IC, чтобы узнать о популярных типах и их названиях.

5.1 Биполярный транзистор - Введение

5.1 Биполярный транзистор - Введение

Содержание - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R S - ®


В разделе:

  1. Введение
  2. Структура

Биполярный переходной транзистор был изобретен в 1948 году Бардином, Бриттеном и Шокли. Он состоит из трехслойной структуры с чередующимися областями n-типа и p-типа, как показано ниже.Эти три области называются эмиттером, базой и коллектором и контактируют с омическим контактом.

Первое рассмотрение структуры показывает, что она содержит два p-n диода, один между базой и эмиттером, а другой - между базой и коллектором.

Однако тонкая базовая область между двумя p-n-диодами позволяет транспортировать неосновные носители через эту область. Это перенос неосновных носителей заряда, которые вводятся из эмиттера в базу, что приводит к току коллектора.Этот ток коллектора почти не зависит от напряжения, приложенного между базой и коллектором, В BC , пока диод база-коллектор имеет обратное смещение. Это заставляет диод база-коллектор действовать как источник тока 1 , значение которого регулируется напряжением база-эмиттер, В BE .

Правильная конструкция трехслойной структуры также дает ток коллектора, который очень близок по величине к току эмиттера.Ток, который необходимо подать на базу, I B = I E - I C , полученный с использованием закона тока Кирхгофа и приведенного ниже соглашения о знаках, может быть значительно меньше. чем ток эмиттера или коллектора. Это приводит к усилению тока между коллектором и базой: небольшое изменение тока базы вызывает большее изменение тока коллектора. Отношение двух, dI C / dI B , называется текущим усилением b.

Читатель должен заметить, что определение коэффициента усиления по току начинается с вычисления тока коллектора и эмиттера как функции напряжения база-эмиттер. Прямой расчет тока коллектора как функции приложенного тока базы невозможен, хотя такой подход может показаться более логичным, особенно для тех, кто использовал биполярный переходной транзистор в качестве элемента схемы.


Структура устройства, условные обозначения и принципиальная схема показаны на рисунке 5.1. Устройство состоит из трех чередующихся областей n-типа и p-типа. Показана структура NPN, которая будет использоваться в этом тексте для объяснения работы устройства и вывода уравнений устройства. В качестве альтернативы можно также построить и проанализировать структуру PNP.


bjt2.gif

Рис. 5.1 Структура (слева) и обозначение схемы (вверху справа) биполярного переходного транзистора NPN (BJT). Также показаны два p-n диода (внизу справа) внутри биполярного транзистора.

Физическая ширина эмиттера, базы и коллектора указана на рисунке соответствующими символами: w E , w B и w C . В трехслойной структуре существуют два p-n-диода, а именно диод база-эмиттер и диод база-коллектор. Диоды показаны в правом нижнем углу рисунка 5.1. Следует отметить, что два диода не представляют собой полную эквивалентную схему биполярного транзистора, поскольку не учитывается транспортировка неосновных носителей заряда через базу.

Два диода смещены соответствующими источниками напряжения. Знаковое соглашение, указанное на рисунке, таково, что диоды направлены вперед при приложении положительного напряжения. Коллекторный и базовый токи считаются положительными, когда ток протекает через выводы, в то время как ток эмиттера считается положительным, если ток выходит из вывода эмиттера.

Эти «квазинейтральные» области нейтральны только в тепловом равновесии. Однако при приложении напряжения обнаруживается, что плотности заряда и электрическое поле в этих областях значительно меньше, чем в областях обеднения.Поэтому мы будем относиться к этим регионам как к нейтральным и называть их «квазинейтральными».


1 Диод p-n аналогичным образом действует как источник тока при освещении светом, при условии, что диод имеет обратное смещение. Таким образом, p-n-диод, освещенный светом, является источником тока с управляемым светом. Комбинация светодиода, который представляет собой источник света с регулируемым током, и фотодиода или солнечного элемента дает устройство с внешними характеристиками, которые очень похожи на характеристики биполярного переходного транзистора.


5. ® 5.2

© Барт Дж. Ван Зегбрук, 1996, 1997


Что такое биполярные транзисторные переключатели


Plate 1

by Lewis Loflin

Это представляет собой широкое представление о коммутирующих транзисторах PNP и NPN, ориентированных на общие 5-вольтовые микроконтроллеры. Биполярные транзисторы состоят из двух полупроводниковых переходов (таким образом, биполярных), которые служат широкому кругу электронных применений от аудиоусилителей до цифровых схем.

Здесь нас интересует только их использование в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, такими как реле, лампы, двигатели и т. Д. Они бывают разных корпусов и стилей.


Табличка 2

На пластине 2 выше мы видим электронные символы как для NPN, так и для NPN. Они работают точно так же, за исключением противоположных электрических полярностей. Если набор транзисторов имеет точные электрические свойства, но противоположные полярности, они называются дополнительной парой .

Другой тип транзисторов известен как полевые МОП-транзисторы или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы , которые будут рассмотрены отдельно.



Табличка 3

На Таблице 3 показаны типичные электрические соединения для биполярных транзисторов PNP и NPN в системе микроконтроллера с отрицательным заземлением. Обратите внимание, что ток на этих рисунках изменяется от отрицательного к положительному.

Обратите внимание на стрелки, обозначающие ток - с PNP ток коллектора (Ic) идет от коллектора (C) к эмиттеру (E), а NPN Ic - от эмиттера к коллектору.

Обратите внимание на положение транзисторов относительно GND, +12 В и нагрузки в этом случае двигателей постоянного тока.Работая как переключатель для включения-выключения двигателя, транзистор PNP расположен на стороне + Vcc нагрузки и будет источником тока.

С NPN-транзистором справа переключатель находится на стороне заземления нагрузки и, как говорят, потребляет ток.

Приемник и источник важны при подключении программируемых логических контроллеров (ПЛК), используемых для управления оборудованием в промышленности.

Нажимной переключатель Sw1 течет ток от GND через R1, и смещает в прямом направлении базу (B) относительно эмиттера.Это объединяется с током коллектора, чтобы вернуть ток эмиттера к источнику питания 12 В.

Нажать Sw2, это позволяет току от GND через эмиттер, который выплескивается, чтобы сформировать Ib и Ic для транзистора NPN. Это слишком прямое смещение перехода база-эмиттер. Отношения для обоих следующие:

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.
  

Значения hfe представляют усиление по постоянному току - небольшой ток база-эмиттер создает больший ток эмиттер-коллектор.

При использовании в качестве переключателей транзисторы используются в режиме насыщения , где дополнительный ток база-эмиттер не создает дополнительного тока коллектор-эмиттер.



Пластина 4

На четвертой пластине показано, как проверить PN полупроводниковый переход. Диод - это самый простой полупроводниковый переход, в котором ток течет только в одном направлении. Цифровой вольтметр (DVM) должен выполнять функцию проверки диода, которая подает достаточно напряжения для прямого смещения диода, когда катодная сторона является отрицательной, а анодная сторона - положительной.

Если провода DVM перевернуты, ток не протекает. Падение напряжения на смещенном в прямом направлении PN-переходе составляет приблизительно 0,6В.



Пластина 5

На пластине 5 показано, как два PN-перехода в биполярных транзисторах действуют как встречные диоды. (Обратите внимание на противоположную полярность!) Ток не может течь от эмиттера-коллектора или коллектора-эмиттера. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток течет через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.



Пластина 6

На пластине 6 мы используем транзистор TIP41 NPN номиналом 6 ампер с минимальным значением hfe 20. Всегда принимайте наименьшее значение hfe из спецификаций транзистора!

Наша нагрузка (светодиод) требует 100 мА, чтобы определить ток база-эмиттер Ib = Ic / hfe = 0,1 A / 20 = 5 мА. Я предполагаю, что Ib равен 10 мА, чтобы убедиться, что TIP41 полностью отключается (насыщение).

При вводе 5 В от Arduino, PIC и т. Д. Вычтите 0,6 В для напряжения база-эмиттер, а затем разделите на 4.4 В / 10 мА = 440 Ом.

Обратите внимание, что напряжение эмиттер-коллектор на транзисторе при насыщении составляет 0,5 В.



Пластина 7

2N3055 - это транзистор очень высокой мощности, предназначенный для подачи сильного тока. В этом случае мы управляем двигателем на 10 ампер. Разделите 10 ампер на 20, нам понадобится не менее 500 мА. Это никак не сработает, потому что вывод Arduino, PIC и т. Д. Просто не может обеспечить такой уровень тока привода.



Пластина 8

На пластине 8 представлена ​​так называемая конфигурация Дарлингтона, в которой ток коллектора-эмиттера одного транзистора обеспечивает ток база-эмиттер второго транзистора.Значения hfe для каждого транзистора равны , умноженному на вместе, чтобы получить значительное усиление тока в этом примере 2000.

Q2 также будет известен как предварительный драйвер.



Табличка 9

На Таблице 9 показано, как подключить транзистор PNP к Arduino или аналогичному микроконтроллеру. Поскольку высокое напряжение 11 В на базе Q1 разрушит вывод ввода / вывода (ограничено 5 В), мы должны использовать транзисторный переключатель NPN (Q2) в качестве предварительного драйвера.



Пластина 10

На пластине 10 мы используем высокомощный Mj2955 (дополнение к более раннему 2N3055) с транзистором TIP42 PNP для формирования транзистора Дарлингтона.Мы снова используем предварительный драйвер NPN для защиты вывода ввода / вывода микроконтроллера от высокого базового напряжения Q2.

Надеюсь, серия была полезной. Любые исправления, предложения и т. Д. Пишите мне по адресу [email protected]

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *