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

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов 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 биполярных транзисторов 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 Iб. 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 градиента концентрации 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: Iэ = Iб + Iк.

Параметры транзисторов

  1. Коэффициенты усиления по напряжению Uэк/Uбэ и току: β = Iк/Iб (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 биполярного транзистора с общим коллектором: сигнал поступает на резистор RL, 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 С1, 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 RL, а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (Vin), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (VCE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С1, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R1, через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе RL вместе равны величине ЭДС: VCC = ICRL + VCE.

Таким образом, небольшим сигналом Vin 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 каскадов усиления. 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 VБЭ 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 VCC, а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: IC = (VCC – VCE)/RC. Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора IC и напряжение VCE, будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы IВ.

Зона между осью VCE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где IВ = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток IC ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью IC 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

Транзисторные ключи 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.

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Добрый день, друзья!

Сегодня мы продолжим знакомиться с электронными «кирпичиками» компьютерного «железа». Мы уже рассматривали с вами, как устроены полевые транзисторы, которые обязательно присутствуют на каждой материнской плате компьютера.

Усаживайтесь поудобнее – сейчас мы сделаем интеллектуально усилие и попытаемся разобраться, как устроен

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который широко применяется в электронных изделиях, в том числе и компьютерных блоках питания.

Слово «транзистор» (transistor) образовано от двух английских слов – «translate» и «resistor», что означает «преобразователь сопротивления».

Слово «биполярный» говорит о том, что ток в приборе вызывается заряженными частицами двух полярностей – отрицательной (электронами) и положительной (так называемыми «дырками»).

«Дырка» — это не жаргон, а вполне себе научный термин. «Дырка» — это не скомпенсированный положительный заряд или, иными словами, отсутствие электрона в кристаллической решетке полупроводника.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру с чередующимися видами полупроводников.

Так как существуют полупроводники двух видов, положительные (positive, p-типа) и отрицательные (negative, n-типа), то может быть два типа такой структуры – p-n-p и n-p-n.

Средняя область такой структуры называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором.

На схемах биполярные транзисторы обозначаются определенным образом (см рисунок). Видим, что транзистор представляет собой, по существу, да p-n перехода, соединенных последовательно.

Вопрос на засыпку – почему нельзя заменить транзистор двумя диодами? Ведь в каждом из них есть p-n переход, не так ли? Включил два диода последовательно – и дело в шляпе!

Нет! Дело в том, что базу в транзисторе во время изготовления делают очень тонкой, чего никак нельзя достичь при соединении двух отдельных диодов.

Принцип работы биполярного транзистора

Основной принцип работы транзистора заключается в том, что небольшой ток базы может управлять гораздо бОльшим током коллектора — в диапазоне практически от нуля до некоей максимально возможной величины.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять величину от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов он чаще всего больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Разница в том, что в отличие от затвора ПТ, при управлении ток базы всегда присутствует, т.е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем больше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, больше ток коллектора. Однако любой транзистор имеет максимально допустимые значения напряжений между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором.

За превышение этих параметров придется расплачиваться новым транзистором.

В рабочем режиме обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, подобно реле, может работать и в ключевом режиме. Если подать некоторый достаточный ток в базу (замкнуть кнопку S1), транзистор будет хорошо открыт. Лампа зажжется.

При этом сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер – коллектор будет составлять величину в несколько десятых долей вольта.

Если затем прекратить подавать ток в базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Как проверить биполярный транзистор?

Так как биполярный транзистор представляет собой два p-n перехода, то проверить его цифровым тестером достаточно просто.

Надо установить переключатель работы тестера в положение , присоединив один щуп к базе, а второй – поочередно к эмиттеру и коллектору.

По сути, мы просто последовательно проверяем исправность p-n переходов.

Такой переход может быть или открыт, или закрыт.

Затем надо изменить полярность щупов и повторить измерения.

В одном случае тестер покажет падение напряжение на переходах эмиттер – база и коллектор – база 0,6 – 0,7 В (оба перехода открыты).

Во втором случае оба перехода будут закрыты, и тестер зафиксирует это.

Следует отметить, что в рабочем режиме чаще всего один из переходов транзистора открыт, а второй закрыт.

Измерение коэффициента передачи биполярного транзистора по току

Если в тестере имеется возможность измерения коэффициента передачи по току, то проверить работоспособность транзистора можно, установив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи по току – это отношение тока коллектора к току базы.

Чем больше коэффициент передачи, тем большим током коллектора может управлять ток базы при прочих равных условиях.

Цоколевку (наименование выводов) и другие данные можно взять из data sheets (справочных данных) на соответствующий транзистор. Data sheets можно найти в Интернете через поисковые системы.

Тестер покажет на дисплее коэффициент передачи (усиления) тока, который нужно сравнить со справочными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

У мощных транзисторов он существенно меньше – несколько единиц или десятков.

Однако существуют мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен или тысяч. Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара Дарлингтона представляет собой два транзистора. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока – это произведение коэффициентов первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона делается в общем корпусе, но ее можно сделать и из двух отдельных транзисторов.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он покажет те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении).

Если же тестер покажет какое-то небольшое напряжение, да еще в обоих направлениях, то транзистор однозначно пробит и подлежит замене . Закоротку можно определить и в режиме измерения сопротивления – тестер покажет малое сопротивление.

Встречается (к счастью, достаточно редко) «подлая» неисправность транзисторов. Это когда он поначалу работает, а по истечению некоторого времени (или по прогреву) меняет свои параметры или отказывает вообще.

Если выпаять такой транзистор и проверить тестером, то он успеет остыть до присоединения щупов, и тестер покажет, что он нормальный. Убедиться в этом лучше всего заменой «подозрительного» транзистора в устройстве.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Хорошо бы научиться узнавать – «живы» эти «железки» или нет. Конечно, я дал вам, уважаемые читатели, очень упрощенную картину.

В действительности, работа биполярного транзистора описывается многими формулами, существуют многие их разновидности, но это сложная наука. Желающим копнуть глубже могу порекомендовать чудесную книгу Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».

Транзисторы для ваших экспериментов можно купить

До встречи на блоге!

PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока (“внутрь” для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора I C (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора I C , так и ток эмиттера I E . Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как I C немного меньше, чем I E . Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с I E , и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов I C и I B ; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем I E = I C + I B .

В этой схеме ток базы I B просто «ответвляется» от тока эмиттера I E , также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток I B , а NPN-типа – втекающий.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (V BE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (V CE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания V CC через нагрузочный резистор, R L , который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения V B , которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор R B , который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: I C = I E – I B , так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов – NPN и PNP – дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют “комплементарные”, или “согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=I C /I B согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор – только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер – База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор – База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер – Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

  1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
  2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
  3. Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
  4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок, ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Термин «биполярный транзистор» связан с тем, что в этих транзисторах используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов применяют те же полупроводниковые материалы, что и для .

В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников создаются два p–n-перехода с чередующими типами электропроводности (p–n–p или n–p–n).

Биполярные транзисторы конструктивно могут быть беcкорпусными (рис.1,а) (для применения, например, в составе интегральных микросхем) и заключенными в типовой корпус (рис. 1,б). Три вывода биполярного транзистора называются база , коллектор и эмиттер .

Рис. 1. Биполярный транзистор: а) p–n–p-структуры без корпуса, б) n–p–n-структуры в корпусе

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения биполярного транзистора : с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу транзистора в схеме с общей базой, (рис. 2).

Рис. 2. Схема работы биполярного транзистора

Эмиттер инжектирует (поставляет) в базу основные носители, в нашем примере для полупроводниковых приборов n-типа ими будут электроны. Источники выбирают так, чтобы E2 >> E1. Резистор Rэ ограничивает ток открытого p–n-перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (обусловлен неосновными носителями), его называют начальным коллекторным током Iк0. Если E1 > 0, электроны преодолевают эмиттерный p–n-переход (E1 включена в прямом направлении) и попадают в область базы.

Базу выполняют с большим удельным сопротивлением (малой концентрацией примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая. Следовательно, немногие попавшие в базу электроны рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток Iб. Одновременно в коллекторном p–n-переходе со стороны E2 действует много большее поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор. Поэтому подавляющее большинство электронов достигают коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи связаны коэффициентом передачи тока эмиттера

при Uкб = const.

Всегда ∆ Iк ∆ Iэ, а a = 0,9 – 0,999 для современных транзисторов.

В рассмотренной схеме Iк = Iк0 + aIэ » Iэ. Следовательно, схема биполярного транзистора с общей базой обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером, (рис. 3).

Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Для нее по можно записать Iб = Iэ – Iк = (1 – a)Iэ – Iк0 .

Учитывая, что 1 – a = 0,001 – 0,1, имеем Iб

Найдем отношение тока коллектора к току базы:

Это отношение называют коэффициентом передачи тока базы . При a = 0,99 получаем b = 100. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но усиленный по току в b раз, будет протекать в цепи коллектора, образуя на резисторе Rк напряжение много большее, чем напряжение источника сигнала.

Для оценки работы биполярного транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также для расчета цепи смещения, стабилизации режима используются семейства входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) .

Семейство входных ВАХ устанавливают зависимость входного тока (базы или эмиттера) от входного напряжения Uбэ при Uк = const, рис. 4,а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода в прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы с общим эмиттером или общей базой), рис. 4, б.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные

Кроме электрического перехода n–p, в быстродействующих цепях широко используется переход на основе контакта металл–полупроводник – барьер Шоттки (Schottky). В таких переходах не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, и быстродействие транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Рис. 5. Биполярные транзисторы

Параметры биполярных транзисторов

Для оценки максимально допустимых режимов работы транзисторов используют основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер (для различных транзисторов Uкэ макс = 10 – 2000 В),

2) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора Pк макс – по ней транзисторы делят на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3 – 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт), транзисторы средней и большой мощности часто снабжаются специальным теплоотводящим устройством – радиатором,

3) максимально допустимый ток коллектора Iк макс – до 100 А и более,

4) граничная частота передачи тока fгр (частота, на которой h31 становится равным единице), по ней биполярные транзисторы делят:

  • на низкочастотные – до 3 МГц,
  • среднечастотные – от 3 до 30 МГц,
  • высокочастотные – от 30 до 300 МГц,
  • сверхвысокочастотные – более 300 МГц.

д.т.н., профессор Л. А. Потапов

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярного транзистора и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора и используется в первую очередь. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера , на выходе .

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает?) Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратно й связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту . Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает , что приводит к росту тока эмиттера. А рост приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания ) – уменьшилось напряжение .

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо) Поэтому необходимо создать смещение . Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу 😉 Если резисторы и равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора. Вот как полезно создать смещение в цепи базы)

Чем бы еще улучшить нашу схему…

Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот) Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 😉 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя , но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)

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 с общим коллектором

Биполярный транзистор с общим коллектором

Эмиттерный повторитель на основе npn-транзистора

Используемая на практике схема усилителя на эмиттерном повторителе. Резисторы R1 и R2 задают начальный режим работы транзистора («смещение»), C1 и C2 устраняют постоянную составляющую входного и выходного сигналов

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором. То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100% отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Биплан (группа)
  • Бипиннария

Полезное


Смотреть что такое “Биполярный транзистор с общим коллектором” в других словарях:

  • Биполярный транзистор с общим эмиттером — Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn транзистора При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом фаза выходного сигнала отличается от… …   Википедия

  • Биполярный транзистор — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор  трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно… …   Википедия

  • Транзистор — Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении …   Википедия

  • Полевой транзистор — Полевой транзистор (англ. field effect transistor, FET) полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе… …   Википедия

  • Составной транзистор — Условное обозначение составного транзистора Составной транзистор (транзистор Дарлингтона)  объединение двух или более биполярных транзисторов[1] с це …   Википедия

  • Униполярный транзистор — Полевой транзистор полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда… …   Википедия

  • ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ — графические изображения и элементы многочисленных и разнообразных приборов и устройств электроники, автоматики, радио и вычислительной техники. Проектирование и разработка базовых электронных схем и создаваемых из них более сложных систем как раз …   Энциклопедия Кольера

  • Биполярные транзисторы — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным… …   Википедия

  • Пара Дарлингтона — Условное обозначение составного транзистора Принципиальная схема составного транзистора Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току. Составной… …   Википедия

  • ГОСТ 21934-83: Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Термины и определения — Терминология ГОСТ 21934 83: Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Термины и определения оригинал документа: 12. p i n фотодиод D. Pin Photodiode E. Pin Photodiode F. Pin Photodiode Фотодиод, дырочная и …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Электроника и схемотехника Лекция 4 Схемы включения

Электроника и схемотехника Лекция № 4. Схемы включения биполярного транзистора. 1. Биполярный транзистор. Схема с общей базой. 2. Биполярный транзистор. Схема с общим эмиттером. 3. Биполярный транзистор. Схема с общим коллектором. 4. Биполярный транзистор как линейный четырехполюсник.

Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго – снимается выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи. По этому признаку различают три возможных схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. 1. Биполярный транзистор. Схема с общей базой. Включение транзистора по схеме с общей базой Iвх = Iэ; Iвых = Iк; Uвх = Uбэ; Uвых = Uбк. Любая схема включения транзистора ха рактеризуется двумя основными показ ателями: коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой Iвых/Iвх= =Iк/Iэ=α [α

Основные параметры, характеризующие схему включения биполярного транзистора с общей базой: 1. Коэффициент передачи по току: 2. Входное сопротивление: Входное сопротивление транзистора, включенного в схему с общей базой, очень невелико и определяется, в основном, сопротивлением эмиттерного p-n перехода в прямом направлении. На практике оно составляет единицы – десятки Ом. Это следует отнести к недостаткам усилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входного сигнала. 3. Коэффициент передачи по напряжению: Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим (десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки Rн и входным сопротивлением. 4. Коэффициент передачи по мощности: Для реальных схем коэффициент передачи по мощности равняется десятки – сотни единиц.

Эквивалентная схема включения транзистора по схеме с общей базой Iвх = Iэ Iвых = Iк Uвх = Uбэ Uвых = Uбк

1. 1. Принцип усиления мощности в схеме с общей базой. В схеме с общей базой в выходной цепи (коллектор ной) рактически проходит тот же ток, что и во п входной (эмиттерной), т. е. усиление по току в данном случае отсутствует. Однако эта схе ма дает возможность получить уси ление по мощности. Чтобы понять принцип усиления мощности в транзисторе, да и в дру гих силительных приборах, надо учесть взаимодействие носителей за ряда у с электрическим полем. На пример, ырка, двигаясь по направ лению лектрического поля, разго няется д э в этом поле и приобретает дополнительную энергию, забирая ее от электрического поля. Если же заставить дырку двигаться против электрического поля, то она будет тормозиться этим полем, отдавая ему часть своей энергии. Электрическое поле в коллекторном переходе транзистора со стоит из постоянной составляющей, созданной внешним источни ком питания в цепи коллектора, и переменной составляющей, возникающей при экстракции неосновных носителей из базы в коллек торный ереход. Мгновенные п значения переменной составляющей электрического поля в любой момент времени направлены в сторо ну, противоположную постоянной составляющей. Поэтому дырка, проходя по коллекторному переходу, взаимо действует разу с двумя составляющими с электрического поля. От постоянной составляющей электрического поля дырка забира ет энергию, двигаясь по направлению этой составляющей. Одно временно, вигаясь против мгновенных значений д переменной со ставляющей электрического поля, дырка отдает часть своей энергии переменной составляющей. Происходит своеобразное перекачивание энергии от постоян ной оставляющей электрического поля к с переменной составля ющей. осредниками в этом перекачивании энергии являются носители заряда, П инжектированные из эмиттера и дошедшие до коллекторного перехода. Для их инжекции требуется произвести относительно небольшую работу, так как высота потенциаль ного барьера эмиттерного перехода мала. 1. 2. Статические характеристики для схемы с общей базой.

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения. Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные. Входные характеристики – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Выходные характеристики – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. 1. 2. 1. Семейство входных статических характеристик для схемы с общей базой. Семейство входных статических характе ристик представляет собой зависимость Входные характеристики схемы с общей базой При Uкб=0 входная характеристика пре дставляет собой пря мую ветвь вольт ам перной характери стики эмиттерного перехода. При Uкб

сутствии входного сигнала через закрытый коллекторный переход протекает маленький обратный ток Iко, который создает на объемном сопротивлении базовой области rб падение напряжения, приложенное к эмиттерному переходу в прямом направлении. Именно это падение напряжения и обус ловливает протекание через эмиттерный переход маленького прямого тока и смещение вверх входной характеристики. При Uкб>0 коллекторный переход смещается в прямом направлении, через него протекает прямой ток и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении базы rб изменит полярность на противоположную, что вызовет при отсутствии входного сигнала протекание через эмиттерный переход маленького обратного тока и, следовательно, смещение входной характеристики вниз.

1. 2. 2. Семейство выходных статических характеристик для схемы с общей базой. Семейство выходных статических харак теристик представляет собой зависимость Выходные характеристики схемы с общей базой Если Iэ=0, то выходная характеристика представляет собой обратную ветвь во льт амперной характеристики коллектор ного перехода. При Iэ>0 ток в коллектор ной цепи будет протекать даже при отсу тствии источника коллекторного питания (Ек=0) за счет экстракции инжектирова нных в базу носителей полем коллектор ного перехода. При увеличении напряже ния коллекторный ток практически не ме няется, т. к. количество инжектированных в базу носителей не меняется , а возрастает только скорость их перемещения через коллекторный переход. Чем больше уровень тока , тем больше и коллекторный ток. При изменении полярности на противоположную, меняется и включение коллекторного перехода с обратного на прямое. Поэтому ток вначале очень быстро снижается до нуля, а затем изменяет свое направление на противоположное.

2. Биполярный транзистор. Схема с общим эмиттером. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером Эта схема является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности. Iвх = Iб Iвых = Iк Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (n: 10 100) Rвх. э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (n: 1000) Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отноше ние амплитуд (или действующих зна чений) выходного и входного пере менного тока, то есть переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Коэффициент усиления каскада по на пряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения.

Входным является переменное напряжение база эмиттер Uбэ, а выходным переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером Uкэ: Напряжение база эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000 Ом). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°. Достоинства схемы с общим эмиттером: Большой коэффициент усиления по току; Большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление; Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания. Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

Основные параметры, характеризующие схему включения с общим эмиттером определяются из выражений: 1. Коэффициент усиления по току : поделив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на ток эмиттера , получим: Видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току достаточно большой, так как α – величина, близкая к единице, и составляет десятки – сотни единиц. 2. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером: поделив в этом выражении числитель и знаменатель на ток эмиттера I э, получим:

Отсюда следует, что: R вхэ>> R вхб, т. е. по этому параметру схема с общим эмиттером значительно превосходит схему с общей базой. Для схемы с общим эмиттером входное сопротивление лежит в диапазоне сотни Ом – единицы к. Ом. 3. Коэффициент передачи по напряжению: Подставляя сюда R вхэ, получим: т. е. коэффициент передачи по напряжению в этой схеме точно такой же, как и в схеме с общей базой – Kuэ=Kuб и составляет десятки – сотни единиц. 4. Коэффициент передачи по мощности: Что значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни – десятки тысяч единиц).

2. 1. Принцип усиления в схеме с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входной цепью является цепь базы. Так как ток базы существенно меньше тока эмиттера, можно получить и усиление по току. Изменяя ток через вывод базы, меняем количество основных носителей в области базы, т. е. заряд базы, и, следовательно, потенциальный барьер между эмиттером и базой. Изменение высоты потенциального барьера вызывает соответствующую инжекцию неосновных носителей за ряда. ольшинство инжектированных носителей доходит до коллекторного Б перехода, изменяя его ток. Основной носитель заряда, введенный в базу из вывода базы, либо может исчез нуть следствие рекомбинации, либо может быть инжектирован в эмиттер. Как указывалось, в в транзисторе приняты меры, чтобы вероятность этого была мала, и на один основной носи тель аряда, з вошедший в базу, приходится много неосновных носителей заряда, прошедших от эмиттера до коллектора. В этом и заключается усиление по току в схеме с общим эмиттером. Усиление по мощности в данном случае объясняется аналогично усилению в схеме с общей базой.

Эквивалентная схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером

2. 2. Статические характеристики для схемы с общим эмит тером. 2. 2. 1. Семейство входных статических характеристик для схемы с общим эмиттером. Семейство входных статических характеристик представляет собой зависимость Входные характеристики схемы с общим эмиттером При U кэ=0 эта характеристика представляет собой прямую ветвь вольт амперной характеристики эмит терного перехода. При этом коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении на напряжение источника Е б. При включении источника Ек (U кэ

Входные характеристики схемы с общим эмиттером т. к. в цепи его протекания и Е б Ек будут включены встречно, а затем он перейдет через ноль и будет возрастать в положительном направлении под действием Е б. Однако в справочной литературе этим малым значением тока пренебрегают, и входные характеристики представляют исходящими из начала координат. 2. 2. 2. Семейство выходных статических характеристик для схемы с общим эмиттером.

Выходные характеристики схемы с общим эмиттером При I б=0 эта характеристика представляет собой обратную ветвь вольт амперной характеристики коллекторного перехода. При I б>0 характеристики имеют большую крутизну в области малых значений Uкэ , т. к. при условии Ек

3. Биполярный транзистор. Схема с общим коллек тором. Включение транзистора по схеме с общим коллектором Iвх = Iб Iвых = Iэ Uвх = Uбк Uвых = Uкэ Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1 = n n = 10 … 100 Rвх = Uбк / Iб = n (10 ч100) к. Ом В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденса торами большой ёмкости и для пере менного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное на пряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное нап ряжение равно сумме переменного напряжения база эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряже

нию схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между Uвых и Uвх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным – потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования различных устройств по входному сопротивлению. Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления чуть меньше 1. Основные параметры схемы с общим коллектором следующие: 1. Коэффициент усиления по току: Поделив числитель и знаменатель этой дроби на ток эмиттера Iэ, получим:

т. е. коэффициент передачи по току в схеме с общим коллектором почти такой же, как в схеме с общим эмиттером: 2. Входное сопротивление: Из этого следует, что входное сопротивление в этой схеме включения оказывается наибольшим из всех рассмотренных схем (десятки – сотни к. Ом ). 3. Коэффициент усиления по напряжению: Преобразуем это выражение с учетом предыдущих выражений: Поскольку Rвхб представляет собой очень малую величину, то можно считать, что Kuк≈1, т. е. усиления по напряжению в этой схеме нет. 4. Коэффициент усиления по мощности: на практике он составляет десятки – сотни единиц.

3. 1. Принцип усиления в схеме с общим коллектором. В схеме с общим коллектором выходной цепью является эмиттерная, входной — цепь базы. В связи с тем что ток эмит тера очти равен току коллектора, здесь тоже имеет место усиление по току и по п мощности. Эквивалентная схема включения транзистора по схеме с общим коллектором

3. 2. Статические характеристики для схемы с общим колле ктором. Входные и выходные характеристики схемы с общим коллектором Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во первых, нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а во вторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине (Kuк≈1 ) и по фазе. Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности из всех схем. Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные и частотные свойства.

Выводы: 1. В отличие от схемы с общей базой схема с общим эмиттером наряду с усилением по напряжению даёт также усиление по току. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, усиливает ток базы в десятки сотни раз. Усиление по напряжению в данной схеме остается таким же, как в схеме с общей базой. Поэтому усиление по мощности в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. 2. Схема с общим эмиттером имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений входное больше, а выходное сопротивление меньше, чем в схеме с общей базой. 3. Благодаря указанным преимуществам схема с общим эмиттером находит наибольшее применение на практике.

4. Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные свойства. 5. Схема с общим коллектором дает усиление по току и по мощности, но не дает усиления по напряжению. 6. Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала, а также данная схема имеет наименьшее выходное сопротивление. 4. Биполярный транзистор как линейный четырех полюсник. Транзистор с его внутренними параметрами, определяемыми эквивалентной схемой, можно представить в виде линейного четырехполюсника – «черного ящика» с произвольной, но неизменной структурой, которая определяет соответствующие зависимости между входными и выходными параметрами ( U 1, I, U 2, I 2). Схема четырехполюсника

В зависимости от того, какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие – за зависимые, линейный четырехполюсник можно описать шестью различными системами уравнений, однако наибольшее распространение получила система, где за независимые переменные принимаются входной ток I 1 и выходное напряжение U 2, а за зависимые – выходной ток I 2 и входное напряжение U 1. Тогда система уравнений, связывающая между собой зависимые и независимые переменные, выглядит так: Физический смысл коэффициентов h 11, h 12, h 21, h 22, называемых h параметрами установим следующим образом. Если в первом уравнении положить U 2=0 (к. з. на выходе), то параметр h 11 можно найти: входное сопротивление при коротком замыкании на выходе. Если в этом же уравнении положить I 1=0 (х. х. на входе), то параметр h 12 равен: коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при холостом ходе во входной цепи. Аналогичным образом из второго уравнения находим: коэффициент передачи транзистора по току при коротком замыкании на выходе; выходная проводимость транзистора при холостом ходе во входной цепи.

С учетом h параметров эквивалентная схема транзистора выглядит следующим образом Схема замещения транзистора Здесь во входной цепи транзистора включен генератор напряжения h 12 U 2 , который учитывает взаимовлияние между коллекторным и эмиттерным переходом в результате модуляции ширины базы, а генератор тока h 21 I 1 в выходной цепи учитывает усилительные свойства транзистора, когда под действием входного тока I 1, в выходной цепи возникает пропорциональный ему ток h 21 I 1. Параметры h 11 и h 22 – это соответственно входное сопротивление и выходная проводимость транзистора. Для различных схем включения транзистора h параметры будут различны.

Так для схемы с общей базой входными и выходными величинами являются: I 1=Iэ, U 1=Uэб, I 2=Iк, U 2=Uкб. Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общей базой Так как транзистор чаще усиливает сигнал переменного тока, то и h параметры по переменному току должны определяться не как статические, а как динамические (дифференциальные). Для схемы с общей базой они определяются по выражениям: Индекс «б» говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общей базой.

Для схемы с общим эмиттером входными и выходными величинами являются: I 1=Iб, U 1=Uбэ, I 2=Iк, U 2=Uкэ. Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общим эмиттером Для схемы с общим эмиттером h параметры определяются по выражениям: Индекс «э» говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общим эмиттером.

Транзистор

как переключатель – транзисторы с биполярным переходом

Транзисторы с биполярным переходом

Идеальный переключатель характеризуется бесконечным сопротивлением в разомкнутом состоянии, равным нулю. сопротивление, когда он закрыт, и вход, с помощью которого он может быть открыт или закрыт. Транзисторы можно использовать как переключатели. Преимущества транзистора Переключатели предлагают более механические переключатели, которые не движутся или быстроизнашивающиеся детали, они легко активируются от различных электрических входов, и связанные с этим проблемы, такие как дребезг контактов и искрение, по существу устранены.Конфигурация с общим эмиттером чаще всего используется для транзисторных переключение. Коллектор и эмиттер соответствуют переключателю контакты; базовый ток эмиттера выполняет входную функцию.

Общие выходные характеристики эмиттера типичного NPN-транзистора: показано в части А рисунка ниже. Характеристики расположены в трех регионах; отсечка, активный и насыщенный. Произвольно выбранная линия нагрузки и максимально допустимая рассеиваемая мощность Кривая также показана. Области отсечки и насыщения считаются стабильные или спокойные районы работы.Транзистор считается в выключенном (непроводящем) или включенном (проводящем) состоянии, когда он работает в области отсечки или насыщения соответственно. Третий регион работы, называется активной областью, считается нестабильной (переходной) область, через которую проходит работа транзистора при переходе из выключенного в включенное состояние.

Выходные характеристики и схема переключения.

Типичная схема переключения транзисторов проиллюстрирована в части B рисунка выше.Переключатель S 1 регулирует полярность и величину базового тока. от аккумулятора В B1 или В B2 . Резисторы R B1 и R B2 являются токоограничивающие резисторы. Каждый регион работы обсуждается ниже.

Область отсечения

Область отсечки включает область ниже нулевого тока базы. кривая ( I B = 0). В идеале без начального базовый ток, ток коллектора будет нулевым; коллекторский потенциал будет равно напряжению АКБ В CC .Однако в точке X на Линия нагрузки (вид A на рисунке выше), небольшой ток коллектора измеряется. Это ток коллектора обратного смещения для общего эмиттера. конфигурация. Напряжение коллектора В CE обозначается значком вертикальная проекция из точки X на ось напряжения коллектора. Этот значение равно разнице между напряжением аккумуляторной батареи (В данном случае 12 вольт) и падение напряжения, создаваемое коллектором обратного смещения. ток через резистор нагрузки R L .Нормальные условия покоя для транзисторного ключа в этом области требуют, чтобы переход эмиттер-база и переход коллектор-база должно быть обратным смещением.

С переключателем S 1 (см. Вид B на рисунке выше) в Положение OFF, переход эмиттер-база обратно смещен батареей В B2 через резистор R B2 . Переход коллектор-база обратно смещен батареей В CC через нагрузочный резистор R L ; транзистор в выключенном состоянии (отсечка) состояние.Схема, как выключатель, разомкнута .

Активная область

Активная линейная область – единственная область, обеспечивающая нормальное усиление усилителя. В линейной области переход коллектор-база обратный. смещен, а переход эмиттер-база смещен в прямом направлении. Переходный ответ выходной сигнал в основном определяется характеристиками транзистора в этой области. В схемах переключения эта область представляет собой переходный регион.

Работа переключателя S 1 (вид B на рисунке выше) на Положение ВКЛ устанавливает прямое смещение от батареи В B1 , через резистор R B1 , на переходе эмиттер-база.Базовый ток I B и ток коллектора I C становятся преходящими по своему характеру, перемещаясь из точки X на грузовой марке в точку Y; здесь ток коллектора достигает насыщения. Сигнал быстро проходит через эту область. В коммутационных схемах эта область имеет значение только для проектирования. соображения.

Область насыщенности

В области насыщенности (вид А на рисунке выше) увеличение базы ток не вызывает заметного увеличения тока коллектора Я С .В точке Y на линии нагрузки транзистор в области насыщения. Ток коллектора I C (измеренный по горизонтальной проекции из точки Y) максимально, а коллектор напряжение В CE (измерено по вертикальной проекции из точки Y) как минимум. Это значение напряжения коллектора называется напряжение насыщения ( В CE (SAT) ), и является важным характеристика транзистора. Обычно это доли вольта.Глубокого насыщения обычно избегают из-за его влияния на переходная характеристика транзистора.

Рабочая точка Y соответствует замкнутому переключателю. В идеале сопротивление и напряжение от коллектора до эмиттера будет равно нулю. Для того, чтобы низкое сопротивление может быть достигнута, необходимо, чтобы точка Y лежала ниже колена характеристические кривые (в области насыщения). Достаточный базовый ток должны быть поставлены, чтобы гарантировать, что эта точка будет достигнута. Также важно что обе точки включения и выключения находятся в области ниже максимальное расчетное рассеивание во избежание разрушения транзистора.

При расчете I B , необходимого для достижения точки Y, необходимо знать текущий коэффициент усиления ( h FE ). Зная ч FE дает I Bmin , поскольку I Bmin = I C / h FE . В целом I B делается в два-три раза больше, чем I Bmin чтобы учесть изменения в h FE в зависимости от температуры.

Максимальное номинальное напряжение коллектора никогда не должно превышаться, так как при выходе из строя транзистора может произойти нагревание. Индуктивные нагрузки могут вызывать опасные скачки напряжения. Это может быть их можно избежать, подключив к индуктивности диод для поглощения переходных процессов.

Характеристики переходного процесса

Когда переключатель S 1 (вид B на рисунке выше) работает в последовательность от ВЫКЛ к ВКЛ, а затем обратно к ВЫКЛ, результирующий импульс входного тока I B аналогичен который показан на виде A рисунка ниже.Тогда схема характеризуется сильносигнальная или нелинейная работа транзистора. В режиме большого сигнала прямоугольный входной сигнал управляет транзистором от отсечки до насыщения и обратно к отсечке. Искаженный импульс выходного тока I C (вид B на рисунке ниже) результаты, потому что транзистор не может ответить мгновенно к изменению уровня сигнала. Отклик транзистора во время нарастания и спада называется переходной характеристикой схема.Характеристики выходного импульса в основном определяются переменным током. характеристики транзистора.

Характеристики импульса тока.

Время нарастания ( t r ), также называемое временем нарастания или время включения, это время, необходимое для увеличения переднего фронта импульса по амплитуде от 10 до 90 процентов от максимального значения. Нелинейный характеристики транзистора, внешней цепи и накопителя энергии эффекты способствуют времени.Носители переходят от эмиттера к коллектору терпят столкновения и разбегаются и не достигают коллектора на то же время. Перегрузка транзистора приводит к уменьшению время нарастания. Тем не менее, овердрайв обычно сохраняется. к небольшому значению, так как время выключения (время хранения плюс время спада, см. ниже).

Время импульса ( t p ) или время длительности – это длина времени, когда импульс остается на максимальном или близком к нему значении. Длительность импульса отсчитывается от точки на переднем фронте, где амплитуда импульса достигла 90 процентов от максимального значение до точки на заднем фронте, где амплитуда упал до 90 процентов от максимального значения.

Когда входной ток, I B , отключен, выходной ток, I C , не сразу падает до нуля, а остается почти на его максимальное значение в течение некоторого времени, прежде чем упасть до нуля. Этот период называется временем хранения ( t s ) или временем задержки насыщения. Время хранения определяется тем, что введенные неосновные носители находятся в базовой области транзистора в момент отключения входного тока.Эти перевозчикам требуется определенное время для сбора. Длина времени хранения в основном регулируется степенью насыщения в который транзистор управляется, и время, проведенное в насыщении. Для высокоскоростного переключения время хранения является нежелательным условием. Меньшинства Хранение носителя можно избежать, переключив транзистор из выключенного состояния в точку в активной области. Зажим коллектора предотвращает работа транзистора в области насыщения.

В время спада (время затухания) t f импульса, амплитуда падает с 90 до 10 процентов от максимального значения.Время падения импульса в основном определяется теми же факторами, которые определяют его время нарастания. Время падения можно немного сократить за счет применения обратный ток в конце входного импульса.

% PDF-1.6 % 777 0 объект > эндобдж 801 0 объект > поток 2009-05-12T19: 06: 46Z2009-05-12T19: 18: 05-05: 002009-05-12T19: 18: 05-05: 00application / pdfuuid: 80d138dc-3664-4a1e-990b-c84fc62304cauuid: 536e1dcc-c7c9- 4f8e-91dd-8b4adc96b9be конечный поток эндобдж 797 0 объект > / Кодировка >>>>> эндобдж 778 0 объект > эндобдж 779 0 объект > эндобдж 1 0 объект > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 25 0 объект > эндобдж 31 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 43 0 объект > эндобдж 49 0 объект > эндобдж 55 0 объект > эндобдж 61 0 объект > эндобдж 67 0 объект > эндобдж 73 0 объект > эндобдж 79 0 объект > эндобдж 85 0 объект > эндобдж 91 0 объект > эндобдж 97 0 объект > эндобдж 103 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 115 0 объект > эндобдж 121 0 объект > эндобдж 127 0 объект > эндобдж 133 0 объект > эндобдж 139 0 объект > эндобдж 145 0 объект > эндобдж 151 0 объект > эндобдж 157 0 объект > эндобдж 163 0 объект > эндобдж 169 0 объект > эндобдж 175 0 объект > эндобдж 181 0 объект > эндобдж 187 0 объект > эндобдж 193 0 объект > эндобдж 199 0 объект > эндобдж 205 0 объект > эндобдж 211 0 объект > эндобдж 217 0 объект > эндобдж 223 0 объект > эндобдж 229 0 объект > эндобдж 235 0 объект > эндобдж 241 0 объект > эндобдж 247 0 объект > эндобдж 253 0 объект > эндобдж 259 0 объект > эндобдж 265 0 объект > эндобдж 271 0 объект > эндобдж 277 0 объект > эндобдж 283 0 объект > эндобдж 289 0 объект > эндобдж 295 0 объект > эндобдж 301 0 объект > эндобдж 307 0 объект > эндобдж 313 0 объект > эндобдж 319 0 объект > эндобдж 325 0 объект > эндобдж 331 0 объект > эндобдж 337 0 объект > эндобдж 343 0 объект > эндобдж 349 0 объект > эндобдж 355 0 объект > эндобдж 361 0 объект > эндобдж 367 0 объект > эндобдж 373 0 объект > эндобдж 379 0 объект > эндобдж 385 0 объект > эндобдж 391 0 объект > эндобдж 397 0 объект > эндобдж 403 0 объект > эндобдж 409 0 объект > эндобдж 415 0 объект > эндобдж 421 0 объект > эндобдж 427 0 объект > эндобдж 433 0 объект > эндобдж 439 0 объект > эндобдж 445 0 объект > эндобдж 451 0 объект > эндобдж 457 0 объект > эндобдж 463 0 объект > эндобдж 469 0 объект > эндобдж 475 0 объект > эндобдж 481 0 объект > эндобдж 487 0 объект > эндобдж 493 0 объект > эндобдж 499 0 объект > эндобдж 505 0 объект > эндобдж 511 0 объект > эндобдж 517 0 объект > эндобдж 523 0 объект > эндобдж 529 0 объект > эндобдж 535 0 объект > эндобдж 541 0 объект > эндобдж 547 0 объект > эндобдж 553 0 объект > эндобдж 559 0 объект > эндобдж 565 0 объект > эндобдж 571 0 объект > эндобдж 577 0 объект > эндобдж 583 0 объект > эндобдж 589 0 объект > эндобдж 595 0 объект > эндобдж 601 0 объект > эндобдж 607 0 объект > эндобдж 613 0 объект > эндобдж 619 0 объект > эндобдж 625 0 объект > эндобдж 631 0 объект > эндобдж 637 0 объект > эндобдж 643 0 объект > эндобдж 649 0 объект > эндобдж 655 0 объект > эндобдж 661 0 объект > эндобдж 667 0 объект > эндобдж 673 0 объект > эндобдж 679 0 объект > эндобдж 685 0 объект > эндобдж 691 0 объект > эндобдж 697 0 объект > эндобдж 703 0 объект > эндобдж 709 0 объект > эндобдж 715 0 объект > эндобдж 721 0 объект > эндобдж 727 0 объект > эндобдж 733 0 объект > эндобдж 739 0 объект > эндобдж 745 0 объект > эндобдж 751 0 объект > эндобдж 757 0 объект > эндобдж 759 0 объект > поток xZn / ϸ nX˕8 & `K6w% ҡ (|” Oy ޟ KwWwO $> dwUW: us 1 + # $ *% A} 1x; D’y18 WQZWRh] o ߉ˢ Т ^ & a ~ O? E

Смещение биполярного транзистора в конфигурации с общим эмиттером

Представление усилителя с общим эмиттером

В этой статье рассказывается, как добиться правильного смещения биполярных транзисторов.Мы возьмем в качестве примера усилитель с общим эмиттером (CEA) в качестве конфигурации для изучения. CEA – одна из трех простейших конфигураций биполярных транзисторов для реализации усилителя сигнала. Упрощенная электронная схема CEA с двумя независимыми источниками питания V supply1 и V supply2 приведена на следующем рисунке:

рис 1: электрическая схема CEA

Конфигурация CEA всегда представляет сопротивление, связанное с коллектором, из которого извлекаются выходной ток и напряжение.

Общие характеристики биполярных транзисторов

Биполярный транзистор имеет три электрода, представленных на рис. 1 буквами B, C и E , соответственно для основания , коллектора и эмиттера . База действует как кран: она управляет потоком электронов через ток I out между коллекторным и эмиттерным электродами.

Рис. 2: Аналог водопроводной воды для биполярных транзисторов


Для биполярных транзисторов можно выделить три различных рабочих области:

  • Область отсечки: В этой области «кран» закрыт, таким образом, токи эмиттера, коллектора и базы равны нулю I E = I C = I B = 0.Транзистор действует как закрытый переключатель.
  • Активная область: Это «нормальная» рабочая область, в которой «кран» не полностью закрыт и не открыт. В этой области транзистор ведет себя линейно, а выходной ток усиливается коэффициентом усиления базового тока β, который очень зависит от внешней температуры:

  • Область насыщенности: «Отвод» полностью открыт. Увеличение базового тока I B больше не влияет на выходной ток.Транзистор действует как разомкнутый переключатель.

Смещение конфигурации транзистора с общим эмиттером


Название « Common Emitter » происходит от того факта, что в этой конфигурации эмиттерный электрод связан с землей и, таким образом, вход V в , I в и выход V из , I из измеряются между эмиттером и синей точкой с упоминанием V из , представленного на Рис. 1 .Прежде всего, мы считаем, что на усилитель не поступает входной сигнал переменного тока, поэтому мы изучаем только поведение CEA в режиме постоянного тока.

Если рассматривать только базу / эмиттер и коллектор / эмиттер, мы можем четко установить следующие петли:

Рис. 3: Петли напряжения в конфигурации CEA

Из Рис. 3 и используя закон потенциала Кирхгофа, мы можем легко записать, что:

уравнение 1: Соотношение статической нагрузки

В усилителях CEA обычно используется только один источник питания, который подает напряжение как на базу, так и на коллектор, так что Уравнения 1 можно упростить с помощью только одного источника питания В .Это упрощает схему и снижает стоимость.

Этот процесс подачи постоянного напряжения на базу широко известен как смещение и очень важен для того, чтобы заставить транзистор работать в его активной области.

Для усилителя с общим эмиттером существует множество различных методов смещения , но некоторые из них обладают плохой температурной стабильностью: рабочая точка и параметры транзисторов слишком сильно меняются в зависимости от температуры.

Первый метод, известный как метод базового резистора , в точности совпадает с представленным на рис. 1 только тем, что используется один и тот же источник питания, так что V supply1 = V supply2 = V supply .В архитектуре смещения базового резистора сопротивление базы R B очень высокое и выбирается таким, как R B = V supply / I out . Этот метод очень просто реализовать, так как он включает в себя очень мало компонентов. Однако он используется редко, поскольку стабилизация температуры рабочей точки и параметры транзистора не могут контролироваться.

Очень небольшая модификация предыдущего метода приводит к большей стабильности и известна как метод от коллектора до базы.

рис 4: Метод смещения коллектора к основанию

Мы действительно можем понять без какой-либо формулы, что если I out увеличивается из-за колебаний температуры, напряжение на сопротивлении R C увеличивается, так что V out уменьшается. Следствием этого является то, что входной ток I в уменьшается, что «закрывает отвод» и заставляет ток I out уменьшаться. Таким образом, любое изменение выходного тока контролируется отрицательной обратной связью на входе, которая уравновешивает колебания I out .

Самой популярной и лучшей архитектурой смещения с точки зрения стабильности является метод смещения делителя напряжения.

рис. 5: Метод смещения делителя напряжения

Чтобы понять, почему повышается стабильность, здесь требуется несколько строк базовой математики. Прежде всего, поскольку входной ток I в до усиления очень низкий, мы предполагаем, что I 1 = I 2 . Рассматривая цепь база-эмиттер напряжения, мы можем записать напряжение V 2 на сопротивлении R 2 , например: V 2 = R E .I E + V BE , с V BE напряжение между базой и эмиттером транзистора. При выделении I E и, поскольку I E ~ I из , мы можем написать:

уравнение 2: Выходной ток с методом смещения делителя напряжения

Из Уравнение 2 , мы видим, что I out не зависит от β и, следовательно, не зависит от параметров транзистора и температуры. Тогда выходной ток I out будет очень стабильным.

Выходные характеристики усилителя с общим эмиттером


При изучении конфигурации CEA нужно определить, как выход V out связан с входом V in. Один метод состоит в нахождении математического выражения, связывающего эти два значения. Однако в более сложных конфигурациях этот метод может занять много времени и часто приводит к ошибкам. Другой метод состоит в нахождении рабочей точки усилителя с его выходными характеристиками и может быть измерен с помощью соответствующих приборов.Этот метод более нагляден и прост в реализации.

На следующем рисунке на рисунке 6 представлены выходные характеристики (голубым цветом) V out , I out для различных входов I in , 1 in , 2 in , 3 а также линия нагрузки постоянного тока (выделена красным), определенная в Уравнение 1 . Для упрощения предполагается, что не используется какой-либо конкретный метод смещения, поэтому мы можем обратиться к конфигурации, представленной в , рис. 1, с одним напряжением питания V, , питание .

Форма этой фигуры и следующие характеристики на фигурах 5 и 6 здесь не обсуждаются, их математическое выражение основано на электронных свойствах полупроводников.

рис. 6: Выходные характеристики (синий) и линия нагрузки постоянного тока (красный) в соответствии с конфигурацией CEA на рисунке 1.

Линия нагрузки здесь определяется формулой V out = V supply -R C .I из и имеет упоминание «DC», потому что мы придерживаемся гипотезы, что на усилитель не подается входной сигнал переменного тока качания.Чтобы усилитель работал, выходное напряжение V out должно соответствовать характеристикам транзистора и линии нагрузки. Это совпадение четко видно на Рис. 4 , где линия нагрузки пересекает синие характеристики так называемых рабочих точек. Вход также должен соответствовать условиям, аналогичным условиям, приведенным в примере , рис. 5, , где линия нагрузки постоянного тока задается как V в = V supply -R B .I в .

Рис. 7: Входная характеристика в конфигурации CEA

Характеристики входа, выхода и нагрузки постоянного тока, а также характеристика I out = f (I в ) могут быть представлены в едином графике, известном как характеристическое сетевое представление. Из входной рабочей точки (V in, o , I in, o ) мы можем легко определить выходную рабочую точку (V out, o , I out, o ), как показано на рисунке .

Рис. 8: Характеристическая сеть конфигурации CEA

Рабочая точка усилителя с общим эмиттером


Выбор подходящей архитектуры смещения с соответствующими значениями сопротивления чрезвычайно важен для реализации усиления без искажений, обычно называемого точным усилением .В этом разделе мы графически покажем на всех кривых выходных характеристик, насколько важно выбрать подходящую рабочую точку и метод смещения.

Рассмотрим усилитель CEA, который принимает входной переменный ток со значением постоянного тока 10 мкА, 20 мкА, 30 мкА ,… и размахом переменного тока 40 мкА . На следующих рисунках рабочая точка представлена ​​зеленой точкой, а текущие пиковые значения – фиолетовыми точками.

рис. 9: Соответствующая рабочая точка, приводящая к точному усилению

В Рис. 7 дается представление точного усиления.Действительно, показано, что выходной ток и напряжение сохраняют симметрию входного сигнала и усиливаются без искажений. Таким образом, рабочая точка адаптирована для входного тока со значением постоянного тока 30 мкА и размахом до 40 мкА (от 10 мкА до 50 мкА).

Однако, если архитектура смещения не выбрана должным образом, искажение сигнала может появиться, как показано на следующем Рис. 8 .

Рис. 10: Искажение выходного сигнала из-за несоответствующей линии нагрузки постоянного тока

В этом примере линия нагрузки постоянного тока пересекается в одной точке на входной кривой 50 мкА , области насыщения транзистора.Поскольку в этой области линейность не соблюдается, это приводит к искажению выходных сигналов напряжения и тока. Мы действительно можем видеть, что выходные сигналы не распределены симметрично относительно среднего значения (средняя серая пунктирная линия).

Последний пример неправильного усиления происходит, когда рабочая точка находится в области насыщения транзистора. В этом случае выходные сигналы более или менее насыщены (фиолетовая область) в зависимости от того, как далеко рабочий процесс находится от активной области.То же явление появляется симметрично, когда рабочая точка находится рядом с точкой отсечки.

рис. 11: Насыщение выходных сигналов из-за выбора неправильной рабочей точки

В заключение мы рассмотрели в этом руководстве, как и почему нужно смещать усилитель с общим эмиттером. Архитектура делителя напряжения (, рис. 5, ) благодаря своей стабильности является наиболее популярным методом смещения. Анализируя характеристики конфигурации CEA и используя концепцию рабочей точки, мы увидели, как неправильное смещение может привести к насыщению или искажению выходного сигнала.

коммутационных цепей. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Добрый день, друзья!

Сегодня мы продолжим знакомство с электронными «кирпичиками» компьютерной техники. Мы уже разобрали с вами, как устроены полевые транзисторы, которые обязательно присутствуют на каждой материнской плате компьютера.

Устройтесь поудобнее – теперь мы приложим интеллектуальные усилия и попробуем разобраться, как это работает

Транзистор биполярный

Биполярный транзистор – это полупроводниковое устройство, которое широко используется в электронных продуктах, включая блоки питания компьютеров.

Слово «транзистор» (транзистор) образовано от двух английских слов – «переводить» и «резистор», что означает «преобразователь сопротивления».

Слово «биполярный» означает, что ток в устройстве создается заряженными частицами двух полярностей – отрицательной (электроны) и положительной (так называемые «дырки»).

«Дыра» – это не жаргонный, а вполне научный термин. «Дырка» – это нескомпенсированный положительный заряд, или, другими словами, отсутствие электрона в кристаллической решетке полупроводника.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру с чередующимися типами полупроводников.

Поскольку существует два типа полупроводников, положительные (положительный, p-тип) и отрицательные (отрицательные, n-тип), может быть два типа такой структуры – p-n-p и n-p-n.

Средняя часть такой структуры называется базой, а внешние области – эмиттером и коллектором.

На схемах биполярные транзисторы обозначены определенным образом (см. Рисунок).Мы видим, что транзистор представляет собой последовательно включенный pn-переход.

Обратный вопрос – почему нельзя заменить транзистор на два диода? Ведь у каждого из них есть pn переход, верно? Последовательно включил два диода – и дело в сумке!

Нет! Дело в том, что база в транзисторе при изготовлении делается очень тонкой, чего нельзя добиться подключением двух отдельных диодов.

Принцип работы биполярного транзистора

Основной принцип транзистора заключается в том, что небольшой базовый ток может управлять гораздо большим током коллектора – в диапазоне практически от нуля до определенного максимально возможного значения.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов его больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Отличие в том, что, в отличие от затвора постоянного тока, при управлении всегда присутствует базовый ток, т.е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем выше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, ток коллектора.Однако любой транзистор имеет максимально допустимое напряжение между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором. За превышение этих параметров придется заплатить новым транзистором.

В рабочем режиме переход база-эмиттер обычно открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, как и реле, также может работать в ключевом режиме. Если подать на базу достаточный ток (закрыть кнопку S1), транзистор откроется хорошо.Лампа загорится.

В этом случае сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер-коллектор составляет несколько десятых вольта.

Если вы затем перестанете подавать ток на базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Как проверить биполярный транзистор?

Поскольку биполярный транзистор состоит из двух pn-переходов, его довольно легко проверить с помощью цифрового тестера.

Необходимо установить переключатель работы тестера в положение, подключив один щуп к базе, а второй поочередно к эмиттеру и коллектору.

Фактически мы просто последовательно проверяем исправность p-n переходов.

Такой переход может быть как открытым, так и закрытым.

Затем нужно изменить полярность щупов и повторить измерения.

В одном случае тестер покажет падение напряжения на переходах эмиттер-база и коллектор-база 0.6 – 0,7 В (оба перехода открыты).

Во втором случае оба перехода будут закрыты, и тестер это зафиксирует.

Следует отметить, что в рабочем режиме чаще всего один из переходов транзистора открыт, а второй закрыт.

Измерение коэффициента передачи тока биполярного транзистора

Если в тестере есть возможность измерения коэффициента передачи тока, то можно проверить работоспособность транзистора, вставив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи тока – это отношение тока коллектора к току базы.

Чем выше коэффициент усиления, тем больший ток коллектора может выдержать базовый ток при прочих равных условиях.

Распиновка (названия контактов) и другие данные могут быть взяты из технических данных (справочные данные) для соответствующего транзистора. Таблицы данных можно найти в Интернете через поисковые системы.

Тестер покажет на дисплее текущий коэффициент передачи (усиления), который необходимо сравнить с эталонными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

Для мощных транзисторов значительно меньше – единицы или десятки.

Однако есть мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен и тысяч. Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара Дарлингтона состоит из двух транзисторов. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока является произведением отношения первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона выполнена в общем корпусе, но также может быть изготовлена ​​из двух отдельных транзисторов.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он будет показывать те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении)…

Если тестер показывает небольшое напряжение, и даже в обоих направлениях, то транзистор однозначно сломан и его необходимо заменить … Короткое замыкание также можно определить в режиме измерения сопротивления – тестер покажет низкое сопротивление .

Происходит (к счастью, довольно редко) «гнусная» неисправность транзисторов. Это когда он изначально работает, а через какое-то время (или после прогрева) меняет свои параметры или вообще выходит из строя.

Если такой транзистор выпарить и проверить тестером, то он успеет остыть перед подключением щупов, и тестер покажет, что он в норме.Лучше всего в этом убедиться, заменив в приборе «подозрительный» транзистор.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Было бы неплохо научиться распознавать, «живы» эти «железки» или нет. Конечно, дорогие читатели, я дал вам очень упрощенную картину.

На самом деле работа биполярного транзистора описывается множеством формул, существует множество их разновидностей, но это сложная наука.Тем, кто желает копнуть глубже, я могу порекомендовать замечательную книгу Горовица и Хилла «Искусство схемотехники».

Вы можете купить транзисторы для своих экспериментов

Увидимся в блоге!

PNP-транзистор – это электронное устройство, в некотором смысле противоположное NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN переходы открываются напряжениями обратной полярности по сравнению с типом NPN. В легенде устройства стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает на внутреннюю часть символа транзистора.

Конструкция устройства

Структурная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока («внутрь» для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим биполярным NPN-аналогом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем меняются местами для любой из трех возможных схем переключения: с общей базой, с общим эмиттером и с общий коллектор.

Основные различия между двумя типами биполярных транзисторов

Основное различие между ними состоит в том, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, транзисторы NPN имеют электроны в этой емкости. Следовательно, полярности напряжений, питающих транзистор, меняются, и его входной ток течет из базы. Напротив, в NPN-транзистор течет ток базы, как показано на схеме ниже как для типов с общей базой, так и для типов с общим эмиттером.

Принцип работы транзистора типа PNP основан на использовании небольшого (как у типа NPN) базового тока и отрицательного (в отличие от типа NPN) напряжения смещения базы для управления гораздо более высоким током эмиттер-коллектор. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа в схеме подключения с общей базой

Действительно, из него видно, что ток коллектора IC (в случае NPN-транзистора) вытекает из положительного полюса батареи. B2 проходит через вывод коллектора, проникает в него и затем должен выйти через вывод основания, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи.Таким же образом, глядя на схему эмиттера, вы можете увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 попадает в транзистор на выводе базы, а затем проникает в эмиттер.

Таким образом, как ток коллектора I C, так и ток эмиттера I E проходят через выход базы. Поскольку они циркулируют по своим цепям в противоположных направлениях, результирующий базовый ток равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше I E. Но поскольку последний еще больше, направление протекания дифференциального тока ( базовый ток) совпадает с IE, и, следовательно, биполярный транзистор типа PNP имеет ток, текущий из базы, и транзистор типа NPN, втекающий внутрь.

Различия PNP-типа на примере схемы переключения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер размыкается напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещается в обратном направлении напряжением батареи B2. Таким образом, вывод эмиттера является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера определяется суммой двух токов I C и I B; проходящие по выходу излучателя в одном направлении. Таким образом, имеем I E = I C + I B.

В этой схеме базовый ток I B просто «отводится» от эмиттерного тока I E, также совпадая с ним по направлению. В этом случае транзистор типа PNP все еще имеет ток IB, текущий из базы, и ток типа NPN, протекающий внутрь.

В третьей из известных схем включения транзисторов с общим коллектором ситуация точно так же. Поэтому мы не представляем его для экономии места и времени наших читателей.

Транзистор PNP: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (V BE) подключен отрицательно к базе и положительно к эмиттеру, поскольку транзистор PNP работает с отрицательным смещением базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительное по отношению к коллектору (V CE). Таким образом, в транзисторе типа PNP вывод эмиттера всегда более положительный как по отношению к базе, так и по отношению к коллектору.

Источники напряжения подключены к транзистору PNP, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к питающему напряжению V CC через подтягивающий резистор R L, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор.Напряжение базы V B, которое смещает его в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, прикладывается к нему через резистор R B, который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа каскада транзистора PNP

Итак, чтобы ток базы протекал в транзисторе PNP, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен выходить из базы) примерно на 0,7 В для кремниевого устройства или на 0,3 В для германиевого прибора. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора, аналогичны формулам, используемым для эквивалентного NPN-транзистора, и представлены ниже.

Мы видим, что принципиальное отличие NPN от PNP транзистора – это правильное смещение pn переходов, так как направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Итак, для приведенной выше схемы: I C = I E – I B, поскольку ток должен течь от базы.

Обычно транзистор PNP можно заменить на транзистор NPN в большинстве электронных схем, разница только в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут использоваться в качестве переключающих устройств, и ниже показан пример переключателя PNP.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики PNP-транзистора очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180 ° с учетом изменения полярности напряжений и токов (базы и коллекторные токи, транзистор PNP – отрицательные). Аналогичным образом, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP, его динамическую линию нагрузки можно построить в третьей четверти декартовой системы координат.

Типичные характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Пары транзисторов в усилительных каскадах

Вам может быть интересно, в чем причина использования транзисторов PNP, когда доступно много транзисторов NPN, которые можно использовать в качестве усилителей или твердотельных переключателей? Однако наличие двух разных типов транзисторов – NPN и PNP – дает большие преимущества при проектировании схем усилителя мощности. В этих усилителях используются «комплементарные» или «согласованные» пары транзисторов (которые представляют собой один транзистор PNP и один NPN, соединенные вместе, как показано на рисунке ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих транзистора NPN и PNP со схожими характеристиками, идентичные друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (тип NPN) и TIP2955 (тип PNP) являются хорошими примерами дополнительных кремниевых силовых транзисторов. Оба они имеют постоянный коэффициент усиления по току β = I C / I B, согласованный в пределах 10%, и высокий ток коллектора около 15 А, что делает их идеальными для управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов в своих выходных каскадах мощности.В них транзистор NPN проводит только положительную полуволну сигнала, а транзистор PNP – только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю передавать необходимую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и сопротивлении. В результате выходной ток, который обычно составляет порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя дополнительными транзисторами.

Пары транзисторов в схемах управления электродвигателями

Они также используются в схемах управления H-мостом для реверсивных двигателей постоянного тока, которые позволяют равномерно регулировать ток через электродвигатель в обоих направлениях его вращения.

Схема H-моста названа так, потому что базовая конфигурация ее четырех транзисторных ключей напоминает букву «H» с двигателем на пересечении. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов реверсивной схемы управления двигателем постоянного тока. Он использует «дополнительные» пары транзисторов NPN и PNP в каждой ветви, действуя как переключатели для управления двигателем.

Управляющий вход A позволяет двигателю работать в одном направлении, а вход B используется для обратного вращения.

Например, когда TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), а если TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Следовательно, двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному потенциалу входа B.

Если состояния клавиш изменяются так, что TR1 выключен, TR2 включен, TR3 включен, и TR4 выключен, ток двигателя будет течь в обратном направлении, что повлечет за собой его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения двигателя.

Определение типа транзисторов

Любой биполярный транзистор можно представить как состоящий в основном из двух диодов, соединенных друг с другом вплотную.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, является ли транзистор PNP или NPN, проверив его сопротивление между его тремя контактами. Проверяя мультиметром каждую пару в обоих направлениях, после шести измерений получаем следующий результат:

1. Излучатель – База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор – База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер – Коллектор. Эти выводы не следует сводить ни в какую сторону.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда можно определить PNP-транзистор как исправный и закрытый.Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) откроют его и позволят протекать гораздо большему току эмиттер-коллектор. Транзисторы PNP проводят с положительным эмиттерным потенциалом. Другими словами, биполярный транзистор PNP будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектора отрицательны по отношению к эмиттеру.

В этой статье мы постараемся описать принцип работы транзистора самый распространенный тип транзистора – биполярный. Транзистор биполярный – один из основных активных элементов электронных устройств.Его цель – усилить мощность электрического сигнала, поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется за счет внешнего источника энергии. Транзистор – это электронный компонент с тремя выводами

Конструктивная особенность транзистора биполярного

Для изготовления биполярного транзистора необходим полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получается диффузией или сплавлением с акцепторными примесями. В результате по обе стороны от основания образуются области с полярным типом проводимости.

Биполярные транзисторы с проводимостью

бывают двух типов: n-p-n и p-n-p. Правила эксплуатации, которым подчиняется биполярный транзистор с n-p-n проводимостью (для p-n-p необходимо менять полярность подаваемого напряжения):

  1. Положительный потенциал на коллекторе важнее, чем на эмиттере.
  2. Любой транзистор имеет свои предельно допустимые параметры Ib, Ic и Uke, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
  3. Контакты база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды. Как правило, диод в направлении база – эмиттер открыт, а в направлении база – коллектор смещен в обратном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию через него электрического тока.
  4. Если выполнены пункты с 1 по 3, то ток Ik прямо пропорционален току Ib и имеет вид: Ik = he21 * Ib, где he21 – коэффициент усиления по току. Это правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что низкий базовый ток управляет мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии индекс he21 может принципиально отличаться от 50 до 250. Его значение также зависит от протекающего коллекторного тока, напряжения между эмиттером и коллектором, а также от температуры окружающей среды.

Рассмотрим правило №3. Из него следует, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой, не должно значительно увеличиваться, потому что если напряжение базы на 0,6 … 0,8 В больше, чем на эмиттере (прямое напряжение диода) , то появится очень высокий ток.Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе связаны между собой по формуле: Ub = Ue + 0,6V (Ub = Ue + Ube)

Еще раз напомним, что все эти точки относятся к транзисторам с n-p-n проводимостью. Для типа p-n-p все должно быть наоборот.

Также следует обратить внимание на то, что ток коллектора никак не связан с проводимостью диода, так как на диод коллектор-база, как правило, подается обратное напряжение.Кроме того, ток, протекающий через коллектор, очень мало зависит от потенциала на коллекторе (этот диод похож на небольшой источник тока)

При включении транзистора в режиме усиления эмиттерный переход оказывается открытым, а коллекторный – закрытым. Это достигается подключением блоков питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, через него будет протекать ток эмиттера, который возникает из-за перехода дырок от базы к эмиттеру, а также электронов от эмиттера к базе.Таким образом, эмиттерный ток содержит две составляющие – дырочную и электронную. Степень впрыска определяет эффективность эмиттера. Инжекция заряда относится к переносу носителей заряда из зоны, где они были основными, в зону, где они были незначительными.

В базе электроны рекомбинируют, и их концентрация в базе пополняется за счет плюса источника ЭЭ. В результате в электрической цепи базы будет протекать довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под ускоряющим действием поля запертого коллекторного перехода, подобно неосновным носителям, переместятся в коллектор, создавая коллекторный ток.Перенос носителей заряда из области, где они были второстепенными, в область, где они становятся основными, называется извлечением электрических зарядов.

Термин «биполярный транзистор» связан с тем, что в этих транзисторах используются два типа носителей заряда: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов используются те же полупроводниковые материалы, что и для.

В биполярных транзисторах, использующих трехслойную полупроводниковую структуру полупроводников, создаются два p – n перехода с чередующимися типами электропроводности (p – n – p или n – p – n).

Биполярные транзисторы

могут быть конструктивно неупакованными (рис. 1, а) (для использования, например, в составе интегральных схем) и заключенными в типовой корпус (рис. 1, б). Три контакта биполярного транзистора называются базой, коллектором и эмиттером.

Рис. 1. Биполярный транзистор: а) p-n-p-структуры без корпуса, б) n-p-n-структуры в корпусе

.

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения биполярного транзистора: с общей базой (OB), общим коллектором (OK) и общим эмиттером (OE).Рассмотрим работу транзистора в схеме с общей базой (рис. 2).

Рис. 2. Схема биполярного транзистора

Эмиттер вводит (подает) в базу основные носители, в нашем примере для полупроводниковых приборов n-типа это будут электроны. Источники выбираются так, чтобы E2 >> E1. Резистор Re ограничивает ток открытого p – n перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (из-за неосновных носителей заряда), он называется начальным коллекторным током Iк0.Если E1> 0, электроны преодолевают эмиттерный p − n-переход (E1 включен в прямом направлении) и попадают в базовую область.

Основание выполнено с высоким удельным сопротивлением (низкая концентрация примесей), поэтому концентрация дырок в основе мала. Следовательно, несколько электронов, захваченных в базе, рекомбинируют с ее дырками, образуя ток базы Ib. В то же время в коллекторном p – n переходе со стороны E2 действует гораздо более сильное поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор.Таким образом, подавляющее большинство электронов достигает коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи соединены Коэффициент передачи эмиттерного тока

при Uкб = const.

Is всегда ∆ Iк ∆ Ie, а для современных транзисторов a = 0,9 – 0,999.

В рассматриваемой схеме Ik = Ik0 + aIe »Т.е. Следовательно, схема биполярного транзистора с общей базой имеет низкий коэффициент передачи тока. Из-за этого применяется редко, в основном в высокочастотных устройствах, где с точки зрения усиления напряжения предпочтительнее других.

Основная схема переключения биполярного транзистора представляет собой схему с общим эмиттером (рис. 3).

Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

.

Для него можно написать Ib = Ie – Ik = (1 – a) Ie – Ik0.

Учитывая, что 1 – a = 0,001 – 0,1, имеем Ib

Найдите отношение тока коллектора к току базы:

Это отношение называется базовым коэффициентом передачи тока… При a = 0,99 получаем b = 100. Если источник сигнала включен в базовую схему, то тот же сигнал, но усиленный током в b раз, будет течь в цепи коллектора, образуя напряжение на резисторе. Rk намного больше напряжения источника сигнала …

Для оценки работы биполярного транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также для расчета цепи смещения, стабилизации режима, семейств входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ).

Семейство входных ВАХ устанавливает зависимость входного тока (базового или эмиттерного) от входного напряжения Ube при Uk = const, рис. 4, а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода при прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы с общим эмиттером или общей базой), рис.4, корп.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – вход, б – выход

.

Помимо электрического n – p-перехода, в высокоскоростных цепях широко используется переход на основе контакта металл-полупроводник – барьер Шоттки. При таких переходах не тратится время на накопление и рассеивание зарядов в базе, а производительность транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Рис.5. Транзисторы биполярные

Параметры биполярных транзисторов

Для оценки предельно допустимых режимов работы транзисторов используются основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (для различных транзисторов Uke max = 10 – 2000 В),

2) максимально допустимая мощность рассеивания коллектора Pк max – по нему транзисторы делятся на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3 – 1,5 Вт) и высокой (более 1.5 Вт), транзисторы средней и большой мощности часто оснащаются специальным радиатором – радиатором,

.

3) максимально допустимый ток коллектора Ik max – до 100 А и более,

4) частота среза передачи тока fgr (частота, при которой h31 становится равной единице), биполярные транзисторы делятся по ней:

  • для НЧ – до 3 МГц,
  • средние частоты – от 3 до 30 МГц,
  • высокочастотный – от 30 до 300 МГц,
  • сверхвысокая частота – более 300 МГц.

Доктор технических наук, профессор Потапов Л.А.

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы переключения биполярных транзисторов и их основные достоинства и недостатки. Давайте начнем!

Эта схема очень хороша при использовании высокочастотных сигналов. В принципе, для этого и используется такое включение транзистора в первую очередь.К очень большим недостаткам можно отнести низкий входной импеданс и, конечно же, отсутствие усиления по току. Убедитесь сами, на входе у нас ток эмиттера, на выходе.

То есть, ток эмиттера больше, чем ток коллектора, на небольшую величину от тока базы. Это означает, что усиление тока не просто отсутствует, более того, выходной ток немного меньше входного. Хотя, с другой стороны, у этой схемы достаточно большой коэффициент передачи напряжения) Это достоинства и недостатки, продолжим….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Так выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. На что-нибудь похоже?) Если посмотреть на схему немного под другим углом, то мы узнаем здесь нашего старого друга – эмиттерного повторителя. О нем была почти целая статья (), поэтому все, что связано с этой схемой, мы там уже рассмотрели. А пока нас ждет самая распространенная схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема приобрела популярность благодаря своим усилительным свойствам. Из всех схем он дает наибольший коэффициент усиления по току и напряжению соответственно, увеличение сигнала по мощности также велико. Недостатком этой схемы является то, что на характеристики усиления сильно влияет повышение температуры и частоты сигнала.

Мы ознакомились со всеми схемами, теперь давайте подробнее рассмотрим последнюю (но не менее важную) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером).Для начала изобразим его немного иначе:

Здесь есть один недостаток – эмиттер заземлен. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в схеме эмиттера нет ничего “лишнего”, все входное напряжение приложено именно к переходу база-эмиттер. Чтобы разобраться с этим явлением, давайте добавим резистор в цепь эмиттера.Таким образом, мы получаем отрицательных отзывов.

Что это?

Короче говоря, принцип отрицательной обратной связи -го соединения заключается в том, что некоторая часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к снижению коэффициента усиления, так как на вход транзистора будет подаваться меньшее значение напряжения из-за влияния обратной связи, чем при ее отсутствии.

Тем не менее, отрицательный отзыв нам очень идет на пользу.Посмотрим, как это поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение база-эмиттер.

Итак, предположим, что нет обратной связи, увеличение входного сигнала на 0,5 В приводит к тому же увеличению. Здесь все понятно 😉 А теперь добавляем отзыв! И таким же образом увеличиваем напряжение на входе на 0,5 В. Далее оно увеличивается, что приводит к увеличению тока эмиттера. А увеличение приводит к увеличению напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, а в чем дело? Но это напряжение вычитается из входного! Посмотрите, что произошло:

Напряжение на входе увеличилось – ток эмиттера увеличился – напряжение на резисторе отрицательной обратной связи увеличилось – входное напряжение уменьшилось (за счет вычитания) – напряжение уменьшилось.

То есть отрицательная обратная связь предотвращает изменение напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В результате наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема с нашим усилителем. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, транзистор сразу закроется (напряжение базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), а на выходе ничего не будет.Это как-то не очень хорошо) Поэтому надо создать смещение … Это можно сделать с помощью делителя так:

Получилась такая красота 😉 Если резисторы равны, то напряжение на каждом из них будет 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе базовый потенциал будет + 6В. Если на вход поступает отрицательное значение, например -4В, то потенциал базы будет + 2В, то есть значение положительное и не мешает нормальной работе транзистора.Вот насколько это полезно для создания смещения в базовой цепочке)

Как еще улучшить нашу схему …

Сообщите нам, какой сигнал мы будем усиливать, то есть мы знаем его параметры, в частности частоту. Было бы здорово, если бы на входе не было ничего кроме полезного усиленного сигнала. Как этого добиться? Конечно, используя фильтр верхних частот) Добавьте конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует фильтр верхних частот:

Так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, зарастала дополнительными элементами 😉 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярный транзистор.В нем мы не только составим схему усилителя , но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)

[решено] Наиболее часто используемая конфигурация транзистора для переключения

Наиболее часто используемая конфигурация транзистора для использования в качестве переключающего устройства – это конфигурация с общим эмиттером.

Пояснение:

Транзистор:

  • Полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии, называется транзистором.
  • Он изготовлен из полупроводникового материала с как минимум тремя выводами для подключения к внешней цепи, поэтому они называются биполярными транзисторами.
  • Три основных однокаскадных биполярных переходных транзистора, которые используются в качестве усилителя напряжения, называются усилителем CE.
  • Вход (Vin) усилителя CE снимается с клеммы базы и выхода (Vout). собирается с клеммы коллектора
  • Вывод эмиттера является общим для выводов базы и коллектора, и вход подается через переход эмиттер-база с прямым смещением, что усиливает сигнал.
  • Таким образом, ток базы усиливается за счет приложения подходящего входного напряжения на переходе база-эмиттер, и мы получаем усиленное выходное напряжение на переходе коллектор-эмиттер

Из приведенного выше объяснения мы можем видеть, что в конфигурации обычного эмиттера ток базы усиливается, и мы получаем усиленный выходной сигнал.

Эту конфигурацию можно использовать в качестве переключающей схемы, в которой путем приложения подходящего тока база-эмиттер можно включить или выключить схему.

Следовательно, когда транзистор используется в конфигурации с общим эмиттером, изменение выходного сигнала может быть выполнено путем изменения тока базы (то есть путем изменения напряжения база-эмиттер).

Параметр

Общая база

Общий эмиттер

Общий коллектор

Входной ток

IE

IB

IB

Выходной ток

IC

IC

IE

Текущий прирост

\ ({\ alpha _ {dc}} = \ frac {{{I_C}}} {{{I_E}}} \)

\ ({\ beta _ {dc}} = \ frac {{{I_C}}} {{{I_B}}} \)

\ (\ gamma = \ frac {{{I_E}}} {{{I_B}}} = \ left ({1 + {\ beta _ {dc}}} \ right) \)

Коэффициент усиления напряжения

Высокая

Средний

Менее 1

Биполярный переходной транзистор (BJT) – Работа, типы и применение

BJT – Биполярный переходной транзистор – Конструкция, работа, типы и применение

История

Транзистор с биполярным соединением (BJT) был изобретен Уильямом Шокли и Джоном Бардином.Первый транзистор был изобретен 70 лет назад, но до сих пор он изменил мир с загадочных больших компьютеров на маленькие смартфоны. Изобретение транзистора изменило представление об электрических цепях до интегральных схем (ИС). В настоящее время использование BJT сокращается, поскольку технология CMOS использовалась при разработке цифровых ИС.

Полезно знать: Название транзистора образовано от комбинации двух слов, например, Transfer и Resistance = Transistor .Другими словами, транзистор передает сопротивление от одного конца к другому. Короче говоря, транзистор имеет высокое сопротивление на входе и низкое сопротивление на выходе.

Что такое биполярный транзистор BJT?

Транзистор с биполярным соединением (BJT) – это двунаправленное устройство, в котором в качестве носителей заряда используются как электрон, , так и дырка, . В то время как униполярный транзистор, то есть полевой транзистор , использует только один тип носителя заряда.BJT – это устройство, управляемое током. Ток течет от эмиттера к коллектору или от коллектора к эмиттеру в зависимости от типа подключения. Этот основной ток контролируется очень небольшим током на клемме базы.

Строительство

Транзистор с биполярным переходом образован комбинацией двух взаимно допированных полупроводниковых материалов. Другими словами, BJT образован «сэндвичем» из двух сторонних полупроводниковых материалов.Эти внешние полупроводники представляют собой диоды с PN переходом. Два диода PN-перехода соединены вместе, образуя трехконтактное устройство, известное как BJT-транзистор . BJT – трехполюсное устройство с двумя переходами.

После легирования собственного полупроводника трехвалентными или пятивалентными примесями получается полупроводник P-типа или полупроводник N-типа соответственно. Если количество электронов больше, чем количество дырок (положительные носители), то это известно как полупроводниковый материал N-типа.В то время как в полупроводнике P-типа количество дырок больше, чем количество электронов. Когда материал P-типа и N-типа соединяются вместе, он становится диодом с PN-переходом . Биполярные транзисторы (BJT) образуются после соединения двух PN-переходов спина к спине. Эти транзисторы известны как биполярные переходные транзисторы PNP или NPN , в зависимости от того, размещены ли они между P или N-типом.

В основном транзисторы состоят из трех частей и двух переходов.Эти три части называются эмиттер , коллектор, и база . Эмиттер и коллектор помещают основание между ними. Средняя часть (основание) образует два перехода с эмиттером и коллектором. Соединение базы с эмиттером известно как соединение эмиттер-база , а соединение базы с коллектором известно как соединение коллектор-база .

Клеммы БЮТ

Есть три терминала BJT.Эти клеммы известны как коллектор , эмиттер и база . Эти терминалы кратко описаны здесь.

Излучатель

Эмиттер – это часть на одной стороне транзистора, которая испускает электроны или дырки в две другие части. База всегда имеет обратное смещение по отношению к эмиттеру, так что она может излучать большое количество основных несущих . Это наиболее сильно легированная область БЮТ. Переход эмиттер-база всегда должен иметь прямое смещение в транзисторах PNP и NPN.Эмиттер подает электроны к переходу эмиттер-база в NPN, в то время как он подает дырки в тот же переход в транзисторе PNP.

Коллектор

Часть на противоположной стороне эмиттера, которая собирает излучаемые носители заряда (то есть электроны или дырки), известна как коллектор . Коллектор сильно легирован, но уровень легирования коллектора находится между слабым уровнем легирования базы и сильнолегированным уровнем эмиттера. Коллектор-база всегда должен иметь обратное смещение в транзисторах PNP и NPN.Причиной обратного смещения является удаление носителей заряда (электронов или дырок) из перехода коллектор-база. Коллектор NPN-транзистора собирает электроны, испускаемые эмиттером. Находясь в транзисторе PNP, он собирает дыры, испускаемые эмиттером.

База

База представляет собой среднюю часть между коллектором и эмиттером и образует между ними два PN перехода. Основание – это наиболее легированная часть БЮТ. Средняя часть БЮТ позволяет ему управлять потоком носителей заряда между эмиттером и коллектором.Переход база-коллектор показывает высокое сопротивление, потому что это соединение с обратным смещением.

Тип BJT

Это трехуровневое устройство, образованное встречным соединением, имеет определенные имена. Это может быть погода PNP или NPN . Оба соединения здесь ненадолго не используются.

Строительство PNP

В биполярном транзисторе PNP полупроводник N-типа зажат между двумя полупроводниками P-типа. Транзисторы PNP могут быть сформированы путем соединения катодов двух диодов.Катоды диодов соединены вместе в общей точке, известной как база . В то время как аноды диодов, которые находятся на противоположных сторонах, известны как коллектор и эмиттер .

Переход эмиттер-база имеет прямое смещение, а переход коллектор-база – обратное. Итак, в типе PNP ток течет от эмиттера к коллектору. Эмиттер в этом случае имеет высокий потенциал как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе.

NPN Construction Тип

NPN прямо противоположен типу PNP.В биполярном транзисторе NPN полупроводник P-типа зажат между двумя полупроводниками N-типа. Когда аноды двух диодов соединены вместе, он образует NPN-транзистор. Ток будет течь от коллектора к эмиттеру, потому что вывод коллектора более положительный, чем эмиттер в NPN-соединении.

Разница между символами PNP и NPN – это стрелка на эмиттере, которая показывает направление протекания тока. Ток будет течь либо от эмиттера к коллектору, либо от коллектора к эмиттеру.Стрелка на PNP-транзисторе направлена ​​внутрь, что показывает протекание тока от эмиттера к коллектору. В случае коллектора NPN стрелка направлена ​​наружу, что показывает поток тока от коллектора к эмиттеру.

Связанное сообщение: Что такое транзистор NPN? Строительство, работа и применение BJT

Работа БЮТ

Слово «транзистор» – это комбинация двух слов: «Trans» (преобразование) и «istor» (варистор).Значит, транзистор может изменять свое сопротивление. Сопротивление изменяется таким образом, что оно может действовать как изолятор или проводник, подавая слабый сигнал напряжения. Эта изменяющаяся способность позволяет ему работать как «усилитель » или «коммутатор ». Его можно использовать либо как переключатель, либо как усилитель одновременно. Следовательно, для выполнения указанной операции BJT может работать в трех разных регионах.

Активный регион:

В активной области один из переходов находится в прямом смещении, а другой – в обратном.Здесь базовый ток I b может использоваться для управления величиной тока коллектора I c . Следовательно, активная область используется для целей усиления, где BJT действует как усилитель с коэффициентом усиления β , используя уравнение;

i c = β x I b

Он также известен как линейная область . Эта область находится между областью отсечки и областью насыщения .В этой области происходит нормальная работа БЮТ.

Область насыщения:

В области насыщения оба перехода BJT находятся в прямом смещении. Эта область используется для включенного состояния переключателя, где;

i c = i sat

I sat – это ток насыщения, и это максимальная величина тока, протекающего между эмиттером и коллектором, когда BJT находится в области насыщения. Поскольку оба перехода находятся в прямом смещении, BJT действует как короткое замыкание.

Область отсечения:

В области отсечки оба перехода биполярного транзистора имеют обратное смещение. Здесь BJT работает как выключенное состояние переключателя, где

i c = 0

Работа в этой области полностью противоположна области насыщения. Внешние источники питания не подключены. Нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. В этом режиме транзистор действует как выключенное состояние переключателя . Этот режим достигается за счет уменьшения базового напряжения ниже напряжения эмиттера и коллектора.

В быть <0,7

Принцип работы BJT

BJT имеет два перехода, образованных комбинацией двух стыковых PN-переходов. переход база-эмиттер (BE) – прямое смещение, а переход коллектор-эмиттер (CE) – обратное смещение. В BE-переходе потенциальный барьер уменьшается при прямом смещении. Итак, электроны начинают течь от вывода эмиттера к выводу базы. Поскольку база является слабо легированной клеммой, очень небольшое количество электронов из клеммы эмиттера объединяется с отверстиями на клемме базы.Из-за комбинации электронов и дырок начнет течь ток от клеммы базы, известный как Базовый ток (i b ) . Базовый ток составляет только 2% от тока эмиттера I e , в то время как оставшиеся электроны будут течь из коллекторного перехода обратного смещения, известного как Коллекторный ток ( i c ). Полный ток эмиттера будет комбинацией тока базы и тока коллектора, заданной формулой;

i e = i b + i c

Где i e примерно равно i c , потому что I b составляет почти 2% от I C .

Конфигурация BJT

BJT – это трехконтактное устройство, поэтому существует три возможных способа подключения BJT в цепи, при этом одна клемма является общей среди других. Другими словами, один терминал является общим для входа и выхода. Каждое соединение по-разному реагирует на входной сигнал, как показано в таблице ниже.

Конфигурации Коэффициент усиления по напряжению Коэффициент усиления по току Коэффициент усиления Входное сопротивление Выходное сопротивление Фазовый сдвиг
Общая базовая конфигурация Высокая Низкая Низкая Низкая Очень высокий 0 градусов
Общая конфигурация эмиттера Средний Средний Высокая Средний Высокая 180 градусов
Конфигурация общего коллектора Низкая Высокая Средний Высокая Низкая 0 градусов
Общая базовая конфигурация:

В общей базовой конфигурации базовый терминал является общим для входных и выходных сигналов.Входной сигнал подается между базой и выводом эмиттера, а выходной сигнал – между базой и выводом коллектора.

Выходной сигнал на стороне коллектора меньше входного сигнала на эмиттере. Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1. Другими словами, он « ослабляет» сигнал.

Имеет неинвертирующий выход, что означает, что входной и выходной сигналы синфазны . Этот тип конфигурации обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.

Из-за очень высокочастотной характеристики эта конфигурация используется для однокаскадного усилителя. Эти одноступенчатые усилители можно использовать как усилитель радиочастоты, микрофонный предусилитель.

Коэффициент усиления общей базовой конфигурации

Коэффициент усиления напряжения
Коэффициент усиления по току I c / i e
Усиление сопротивления R L / R дюйм

Конфигурация общего эмиттера

Как следует из названия, в общем эмиттере эмиттер является общим для входа и выхода.Входной сигнал применяется между базой и эмиттером, а выходной – между коллектором и эмиттером. Это можно просто распознать, взглянув на схему. Если эмиттер заземлен, а вход и выход снимаются с базы и коллектора соответственно.

Эта конфигурация имеет наибольший ток и коэффициент усиления мощности среди всех трех конфигураций. Причина в том, что вход находится в переходе с прямым смещением, поэтому его входное сопротивление очень низкое .В то время как выход берется из перехода обратного смещения, поэтому его выходное сопротивление очень высокое.

Ток эмиттера в этой конфигурации равен сумме токов базы и коллектора. Задано в уравнении как;

I e = i c + i b

Где i e – ток эмиттера

Эта конфигурация имеет высокий коэффициент усиления по току, который составляет i c / i b . Причина такого огромного увеличения тока в том, что сопротивление нагрузки последовательно соединено с коллектором. Из уравнения видно, что незначительное увеличение базового тока приведет к чрезвычайно высокому току на выходной стороне.

Эта конфигурация действует как инвертирующий усилитель, в котором выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Следовательно, он сдвигает выходной сигнал на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация общего коллектора

Конфигурация с общим коллектором, известная как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель , имеет заземленный коллектор.В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена на источник питания. Таким образом, клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода. Выходной сигнал берется с клеммы эмиттера с последовательно подключенной нагрузкой, в то время как входной сигнал подается непосредственно на клемму базы.

Он имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Это позволяет ему работать как согласователь импеданса. Таким образом, эта конфигурация очень полезна в технике согласования импеданса.

Смещение BJT

Процесс установки уровней напряжения или тока постоянного тока транзистора таким образом, чтобы обеспечить надлежащее усиление подаваемого входного сигнала переменного тока.При дальнейшем уточнении, смещение – это метод, используемый для предотвращения работы транзистора либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Для сохранения выходного сигнала без потерь после усиления необходимо правильное смещение. Работа в установившемся режиме в основном зависит от тока коллектора ( i c ), тока базы ( i b ) и напряжения коллектор-эмиттер ( В, ce ). Если транзистор предназначен для правильной работы в качестве усилителя.Затем эти параметры должны быть выбраны правильно, что известно как смещение транзистора . Целью смещения транзистора является достижение известной рабочей точки покоя или Q-точки для BJT для получения неискаженного выходного сигнала. Q2 , приведенный на приведенном выше графике, не является правильной точкой q и приводит к ограничению верхней части выходного сигнала.

Типы смещения

Без смещения транзистор будет работать как изолятор или проводник.Итак, для правильной цели усиления BJT смещается с помощью различных методов. Хотя существует множество различных техник, но вкратце обсуждаются лишь некоторые из наиболее распространенных.

Фиксированное смещение

Один источник питания используется как для коллектора, так и для базы. В конфигурации с фиксированным смещением базовый ток BJT остается постоянным независимо от входного постоянного напряжения (V cc ). Это зависит от выбора резистора таким образом, чтобы точка Q оставалась фиксированной и, следовательно, известна как конфигурация с фиксированным смещением .Номинал резистора смещения можно найти по

.

(V cc -V be ) / I b .

, где В, будет = 0,7 В, для стандартных транзисторов и

I b = I c / β .

Преимущества фиксированного смещения

Обсуждаются некоторые преимущества этой схемы.

  • Нет эффекта нагрузки: Нет эффекта нагрузки.Где эффект нагрузки можно определить как воздействие нагрузки на источник. Используя эту схему для смещения, мы можем избавиться от понижающего уровня напряжения источника напряжения.
  • Простая схема: Схема очень проста, потому что для нее требуется только один фиксированный резистор RB.
  • Простой расчет: Метод расчета очень прост.
Фиксированное смещение с сопротивлением эмиттера

Это модифицированная форма фиксированной цепи смещения, в которой внешнее сопротивление подключено к выводу эмиттера.Эта схема требует дополнительного резистора для эмиттера, обеспечивающего отрицательную обратную связь.

Напряжение смещения В BB BE = I B R B + I E R E должно появиться поперек RE для набора I E ≈I c .

Цепь фиксированного смещения с эмиттерным сопротивлением

Преимущества фиксированного смещения с конфигурацией эмиттера
  • Нет теплового разгона: Недостаток теплового бега при фиксированном смещении можно преодолеть с помощью фиксированного смещения с конфигурацией сопротивления эмиттера.Термический разгон можно определить как увеличение тока коллектора при повышении температуры. Это вызывает самоуничтожение из-за перегрева, вызванного перегрузкой по току.
  • Проблема с этой конфигурацией заключается в том, что она снижает коэффициент усиления усилителя BJT. Эту проблему очень легко решить, обойдя сопротивление эмиттера.
Смещение коллектора к основанию

Базовый резистор подключается к клемме коллектора при этом типе смещения. Эта конфигурация стабилизирует рабочую точку и предотвращает тепловой пробой за счет использования отрицательной обратной связи.Эта конфигурация также является улучшенной версией конфигурации с фиксированным смещением. Сопротивление смещения подключено между коллектором и базой, которые обеспечивают путь обратной связи. Смещение от коллектора к основанию – это улучшенный метод по сравнению с методом фиксированного смещения.

Эта конфигурация также известна как схема обратной связи со смещением напряжения . Потому что Rb напрямую появляется на выходе и на входе. Другими словами, часть вывода возвращается на вход. Значит, в цепи существует отрицательная обратная связь.

Если есть изменение бета из-за изменения от детали к детали или повышения температуры в бета и I co , то ток коллектора пытается увеличиваться дальше, из-за чего падение напряжения на R c увеличивается.В результате уменьшается V ce и I b . Следовательно, окончательное значение коллектора I c поддерживается схемой, которая поддерживает точку Q на фиксированном уровне.

Эта схема также известна как схема смещения обратной связи по напряжению , потому что R b появляется непосредственно на входе и выходе в этой цепи. увеличение тока коллектора уменьшает ток базы.

Делитель напряжения смещения или делитель потенциала

Для этого типа используются два внешних резистора R 1 и R 2 .Напряжение на R 2 смещает в прямом направлении эмиттерный переход. При правильном выборе R 1 и R 2 рабочая точка транзистора может быть сделана независимой от Beta. Смещение делителя потенциала – самый популярный и используемый метод смещения транзистора. Эмиттерный диод смещен в прямом направлении, контролируя падение напряжения на R 2 .

R b = R 1 || 2

В цепи смещения делителя напряжения значение R b равно параллельной комбинации R 1 и R 2 .

Цепь смещения делителя напряжения:

Преимущество смещения делителя напряжения

Независимо от бета: Основным преимуществом схемы смещения делителя напряжения является то, что транзистор больше не будет зависеть от бета. Причина в том, что напряжения на клеммах транзистора, то есть напряжения коллектора, эмиттера и базы, будут зависеть от внешней цепи. Сопротивление эмиттера R и обеспечивает стабильность усиления, несмотря на колебания бета.

Ограничения BJT

Вот некоторые ограничения биполярного переходного транзистора;

  • Громоздкий: BJT громоздки, требуют больше места и, следовательно, очень редко используются при изготовлении интегральных схем (ИС).
  • Низкая частота переключения: время переключения очень низкое, что является еще одной причиной того, что он редко используется в IC По сравнению с полевыми МОП-транзисторами частота очень низкая
  • Ток утечки: токов утечки с BJT достаточно, поэтому их нельзя использовать для высоких частот.
  • Термостабильность BJT: по сравнению с другими транзисторами, термическая стабильность BJT очень низкая, и это устройство шумно.
  • Температурный разгон: BJT страдает от проблемы теплового разгона, которая приводит к выделению избыточного тепла. Другими словами, это вызывает самоуничтожение. Поскольку количество выделяемого тепла равно I 2 Таким образом, избыточный ток вызовет чрезмерное тепло, которое сожжет BJT.
  • Ранний эффект: Ток от эмиттера к коллектору управляется током базы.Если ширина основания сдвинута к нулю, известному как пробой , , то стык коллектора и эмиттера соприкасается друг с другом. После этого от эмиттера к коллектору начинает течь огромный ток, который не может контролироваться током базы. Этот выход из-под контроля известен как ранний эффект и является одним из основных ограничений среди ограничений BJT.

Уязвимость

Радиационное повреждение транзистора, когда транзисторы подвергаются воздействию ионизирующего излучения.Срок службы неосновного носителя уменьшается после воздействия излучения, что приводит к постепенной потере усиления транзистора.

Транзистор имеет номинальную мощность и напряжение обратного пробоя , при превышении которого BJT может не работать. Когда BJT работают за пределами своей номинальной мощности или напряжения обратного пробоя, BJT не будет работать должным образом или может выйти из строя.

В случае обратного смещения переход эмиттер-база вызовет лавинный пробой , который необратимо повредит коэффициент усиления по току биполярного переходного транзистора.

Преимущества BJT
  • Ширина полосы большого усиления: Ширина полосы усиления – это разница между максимальной и минимальной частотой среза. Коэффициент усиления на частоте среза 0,7. При дальнейшем увеличении или уменьшении частоты от максимальной и минимальной частоты среза соответственно, усиление уменьшается, что неприменимо. Таким образом, BJT предлагает широкий диапазон частот, предлагая большее усиление, чем 0,7. Таким образом, BJT имеет широкую полосу пропускания .
  • Низкое прямое падение напряжения: BJT имеют 0,6 В прямого падения напряжения, что является очень низким и очень важным моментом. Это очень важно, потому что большее прямое напряжение вызовет ненужные потери мощности согласно P = VI . Это означает, что для того же типа нагрузки устройство с высоким прямым падением напряжения вызовет ненужные потери мощности.
  • Пара Дарлингтона: Благодаря низкому выходному сопротивлению и высокому входному сопротивлению, BJT может обеспечить достойное усиление по току .
  • Длительный срок службы: BJT имеют относительно долгий срок службы. Устройство нагноивается, потому что ток насыщения увеличивается с течением времени. Хотя для решения этой проблемы и дальнейшего увеличения срока службы устройства могут использоваться различные методы смещения.

Связанные сообщения: В чем разница между транзистором и тиристором (SCR)?

Применение BJT

Вот некоторые из применений биполярного переходного транзистора;

  • Преобразователи: BJT могут использоваться в подавляющем большинстве преобразователей.Эти преобразователи могут быть разных типов, такие как инверторы, понижающие преобразователи, повышающие преобразователи или любые DC-DC , DC-AC , AC-DC или AC-AC
  • Датчики температуры: Определение температуры – одно из других приложений BJT. Если это может быть найдено по двум напряжениям на двух разных уровнях в известном соотношении, вычитается
  • Высокая управляемость : Высокая управляемость. Для обеспечения возможности работы с высоким напряжением или током устройства подключаются последовательно и параллельно.Но всегда учитываются возможности управления отдельными устройствами.
  • Высокочастотный режим: BJT могут работать на очень высокой частоте. Частота BJT для слабого сигнала намного выше, чем его частота переключения, в основном из-за задержки сохранения. Время хранения 2N2222 составляет 310 нс, таким образом, максимальная частота переключения составляет около 3 МГц.
  • Цифровой переключатель : Семейство цифровых логических схем имеет эмиттерно-связанную логику, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя.
  • Колебательный контур : Они предпочтительны в колебательных контурах.
  • Машинки для стрижки: BJT могут использоваться в схемах отсечения для изменения формы волн. Его можно использовать как простой диод с целью ограничения, но проблема с диодом заключается в том, что диод не управляется.
  • Демодулятор и модулятор: BJT могут использоваться в схемах демодуляции и модуляции. BJT все еще используются в очень старой известной методике модуляции, известной как «амплитудная модуляция , ».
  • Цепи обнаружения : BJT могут использоваться в схемах обнаружения. БЮТ может быть новым типом полупроводникового датчика для измерения дозы ионизирующего излучения.
  • Усилители: Одним из наиболее важных применений BJT является усиление, когда он используется в схеме усилителя для усиления слабых сигналов. например, в усилителях звука, эти крошечные компоненты усиливают очень слабый аудиосигнал до слышимого диапазона.
  • Электронные переключатели: Может использоваться как электронный переключатель.BJTS используются в инверторе для изменения направления постоянного тока на переменный ток.
  • Автоматический выключатель: Может использоваться вместо ручного выключателя в электрической цепи. выходной сигнал датчиков иногда бесполезен в электрических цепях, потому что эти сигналы очень низкие. Однако эти сигналы станут полезными, если они управляют BJT. Поскольку BJT работает на слабых сигналах. Тогда эти переключатели BJT могут работать с большими нагрузками, включая двигатели.

Похожие сообщения:

Транзисторы 101: подробное описание транзисторов

Транзисторы – одни из наиболее часто используемых элементов в электронных схемах.Их простота использования и простой принцип работы – вот что делает их популярными среди разработчиков электроники. В основном они выполняют две функции: переключение и усиление. Вам просто нужно несколько вычислений, чтобы внедрить это трехногий прибор в ваш следующий проект и дать ему возможность правильно работать. Итак, давайте подробно рассмотрим транзисторы и посмотрим, как вы можете использовать их в своем предстоящем электронном проекте. К концу этого сообщения в блоге у вас будет четкое представление о внутренней структуре транзистора, его различных типах и способах их включения в электронные схемы.

Насколько важны транзисторы?

Транзисторы используются почти во всех электронных схемах. Более того, они используются в интегральных схемах (IC), логических вентилях (AND, OR, NOT, XOR и т. Д.) И многих других электронных компонентах. В среднем ИС содержит 42 миллиона транзисторов, а iPhone 11 – 8,5 миллиардов транзисторов.

Как выглядит внутренняя структура транзистора?

Транзисторы изготовлены из полупроводникового материала, такого как кремний, германий и др.Добавление примесей в полупроводниковые пластины позволяет производителям транзисторов создавать области n-типа и p-типа. Этот процесс называется допингом.

Легирование позволяет полупроводниковой пластине, такой как кремний, разделяться на две области; n-тип и p-тип. Что это за регионы и чем они отличаются? Количество положительных и отрицательных зарядов, присутствующих в этой области, – вот что их отличает. Отрицательно заряженные частицы называются электронами, а положительно заряженные области называются дырками, потому что отсутствие электрона создает «дырку».В области n-типа основными носителями являются электроны, а в области p-типа основными носителями являются дырки.

Транзистор состоит из области p-типа между двумя областями n-типа и наоборот. NPN и PNP – это два типа транзисторов, в зависимости от их внутренней структуры. Три вывода транзистора берут начало от каждой из трех легированных областей, находящихся внутри него. Средняя зона – это базовая клемма, а две другие – эмиттерная и коллекторная.

Как работают транзисторы?

Транзисторы работают как усилители или переключатели. При работе в качестве усилителя транзистор принимает небольшой входной ток и усиливает его, чтобы получить больший выходной ток. С другой стороны, при работе как выключатель низкий входной ток на входной клемме включается и вызывает больший ток на выходной клемме. Обе конфигурации транзисторов выгодны, что делает их очень популярными в проектировании электронных схем.

Если мы подключим отрицательную клемму батареи к области n-типа (эмиттер), а положительную клемму к базе (область p-типа), ток будет течь от базы к эмиттеру. Точно так же, если мы поместим коллектор (область n-типа) на более высокий положительный потенциал, чем база и эмиттер, ток эмиттера будет генерироваться и течь к коллектору. Ток коллектор-эмиттер I CE регулируется через базовое напряжение.

Режимы переключения и усиления достигаются за счет обеспечения правильного напряжения базы, коллектора и эмиттера. Давайте рассмотрим некоторые основные схемы транзисторов, чтобы понять, как происходит усиление и переключение.

Конфигурации транзисторов

Существует три основных конфигурации транзисторов, которые широко используются в проектировании электронных схем:

  • Общий эмиттер
    Конфигурация с общим эмиттером работает как усилитель, а также как переключатель.Входной сигнал подается на базу, а выходной сигнал измеряется на клемме коллектора. Эмиттер является общим для входных и выходных клемм, поскольку входной сигнал подается на клеммы база-эмиттер, а выходной сигнал собирается на клеммах коллектора и эмиттера. На схеме ниже показано, как можно построить схему усилителя с общим эмиттером. В этих примерах схем мы рассматриваем NPN-транзисторы.

  • Общий коллектор
    В этой конфигурации входной сигнал подается на базу, а выходной сигнал собирается с вывода эмиттера.Коллектор является общим как для входных, так и для выходных клемм; вам необходимо заземлить этот вывод при построении вашей схемы с общим коллектором. Эта конфигурация в основном используется в качестве схемы буфера напряжения, переключателя и схемы согласования импеданса. На схеме ниже показана базовая реализация схемы с общим коллектором.

  • Общая база
    Как вы, возможно, уже догадались, клемма базы является общей для входных и выходных сигналов.Эмиттер действует как входной терминал, а выходной сигнал генерируется на коллекторе. Базовая клемма заземлена так, что она является общей для обеих других клемм. Конфигурация с общей базой в основном используется для согласования импеданса. На схеме ниже показано, как можно реализовать схему усилителя с общей базой.

Среди трех конфигураций транзисторов наиболее популярной является конфигурация с общим эмиттером. Это в основном из-за его коэффициента усиления по напряжению, которого достаточно для большинства транзисторных приложений по сравнению с коэффициентом усиления двух других конфигураций.

Транзистор как переключатель

Переключатель – это электронный компонент, который позволяет включать или отключать соединение в цепи. Разрыв соединения называется разомкнутой цепью (ВЫКЛ), в то время как замкнутая цепь (ВКЛ) – когда соединение установлено. Самым популярным применением транзисторов является их использование в качестве переключателя. Как работают три вывода транзистора, когда он действует как переключатель?

Транзистор

А работает в двух режимах – насыщения и отсечки.Когда он работает как переключатель, он отключается, когда находится в режиме отсечки, поскольку через него не течет ток коллектора, и он включается при работе в режиме насыщения. Коллекторный ток генерируется при наличии входного сигнала на базе; это когда транзистор включен. Когда нет входного сигнала, транзистор переходит в режим отсечки и выключается, при этом ток не течет через коллектор.

Вот базовая схема, в которой транзистор NPN работает как переключатель.На базу подается входное напряжение. Вы должны иметь в виду, что кремниевым устройствам с p-n переходом для работы требуется напряжение выше 0,7 В. Следовательно, для включения транзистора напряжение база-эмиттер (V BE ) должно быть выше 0,7 В. Резистор на входе определяет величину напряжения на базе.

Когда V BE больше 0,7 В, переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в прямом направлении, что приводит к максимальному току коллектора.Это когда ваш транзистор находится в режиме насыщения и действует как замкнутая цепь. В результате загорится светодиод на выходе.

Аналогичным образом, когда вход заземлен, напряжение база-эмиттер будет меньше 0,7 В, что приведет к обратному смещению на переходах база-эмиттер и база-коллектор. Следовательно, через коллектор не будет протекать ток, и транзистор будет в режиме отсечки, что приведет к выключению выходного светодиода.

Применение транзистора: Осциллятор

Очень распространенная электронная схема – это генератор, который используется в различных приложениях, таких как светодиоды, обработка сигналов и тактовые генераторы микроконтроллера.Используя пару транзисторов, мы можем быстро построить схему генератора, как показано на схеме ниже.

Конденсаторы, присутствующие в цепи генератора, играют наиболее важную роль. Когда один конденсатор заряжается, он включает транзистор до его разрядки. Между тем, второй конденсатор заряжается и включает второй транзистор, когда первый выключается. Это генерирует осциллирующий импульс, поскольку транзисторы соединены в виде зеркала с противоположной полярностью.

Вы можете изменить частоту колебаний, изменив номиналы конденсатора и резистора в соответствии с вашими потребностями. Все, что вам нужно, это пара транзисторов, пара конденсаторов и несколько резисторов для построения многоцелевой схемы генератора.

Хотите узнать ТЗ? Изучите возможности Fusion 360 в области электроники, включая ТЗ и ТЗ, загрузив бесплатную пробную версию.

Autodesk Fusion 360 предлагает множество инструментов для инженеров, включая трехмерное проектирование печатных плат, исчерпывающие наборы данных и многое другое.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.