Меню

Источник тока в цепи коллектора

Транзисторы для начинающих

Перед тем как начать важное напоминание: вы должны помнить что PNP и NPN транзисторы отличаются только направлением тока — общий принцип их работы одинаков. Примеры описанные ниже, используют NPN транзистор, который мы часто используем. Все, это касается и PNP транзисторов, но вы не хотите смешивать слишком много в вашей голове и я не дают аналогичные схемы для PNP транзисторов. Если вы рисуете примерную схему на транзисторе NPN, эта же схема строиться на PNP транзисторе, только изменяется полярность источника питания (И возможно полярность диодов и других компонентов). К этой интересной теме, я возможно, вернусь в будущем.

А теперь мы начинаем изучать цепь коллектора.

Опять на рисунке 25 вы можете увидеть эквивалентную цепь NPN транзистора.

Я надеюсь, что вы до сих пор помните, что такое источник тока: элемент, который производит (а транзистор здесь подходит) ток заданного значения. Напряжение источника тока не указывается – оно зависит от сопротивления нагрузки. В транзисторе значение тока источника, другими словами ток коллектора зависит от тока базы. Это важная информация для нас, ток коллектора в β-раз выше, чем в ток базы.
IC = β × IB

А сейчас давайте предположим для простоты, что значение текущего коэффициента β усиления для данного транзистора является постоянным (Что не совсем верно, но это уже другая тема).

На рисунке 26 вы найдете простую схему на транзисторе. Смотрите, здесь начинается чистейшая практика! Мы будем использовать не только модели и формулы, но настоящие расчеты токов и напряжений. Нас пока не волнует от, куда берется ток базы. Помните, что резистор R1 является нагрузкой транзистора. Привыкните к мысли, что цепь коллектора рассматривается как источник тока. Если это так, напряжение на коллекторе будет определять ток коллектора и нагрузки, которые создают падение напряжения на R1. На рисунке 26 напряжение на коллекторе обозначено Uс (Между землей и коллектором), и падение напряжения на резисторе R1.

Сейчас я ни чего не знаю об этом напряжении, и ни чего не знаю о токе коллектора.

Предположим, что через базу ток не течет. Это состояние называется состоянием транзистора закрытия или отсечки. Мы говорим, что транзистор не проводят (ток), он заблокирован. В этом случае также в цепи коллектора ток не течет (IC = β × 0).

Стоп! Наверни-ка, в школе вам грозили двойкой за нулевой ток, так как всегда есть движение электронов. Таким образом, при отсутствии тока база, в коллекторе все равно есть хоть маленький, но ток. Но называется нулевым током коллектора и обозначается Ice0. Теперь будьте осторожны – хотя в теоретических соображениях нулевой ток имеет большое значение, на практике, это может быть безопасно опущено предположив, что он имеет незначительное значение. Нулевой токов имеет существенное значения (порядка микроампер и более) только в старых германиевых транзисторах. Сегодня маломощные кремниевые транзисторы, наиболее часто используемые в наших схемах имеют нулевой ток порядка единиц нано ампер. В настоящее время вы можете спокойно пропустить только потому, что даже высокоомный резистор номиналом 1M при токе 10nA (0,01 мкА) вызывает падение напряжения только 10 мВ.

А как насчет значений тока ICE0 (и ICB0) приведенных в каталогах? Для транзисторов очень большой мощности в каталогах приводится значения нулевого тока до 1 мА! Получается, что уже при нулевом токе можно ожидать перегрузку мощного транзистора? Вовсе нет! Во-первых, этот параметр измеряется при неподключенной базе. Когда база транзистора замкнута на эмиттер, да же через резистор (что часто бывает в практических схемах), то этот ток будет меньше. Во-вторых, ток измеряется при максимальном для этого транзистора напряжения на коллекторе. В подавляющем большинстве случаев транзисторы работают под меньшим напряжением. В-третьих в каталогах приводиться наихудшее значение, а типичное для этого транзистора меньше.

Опять же, небольшой остаточный ток коллектора транзистора можете спокойно опустить, в то время как в транзисторе высокой мощности этот ток может оказать существенное значение только когда транзистор горячий.

Что бы у вас не было заблуждений я предлагаю вам выполнить небольшое задание: соберите схему на рисунке 27 и проверьте ток коллектора транзистора, особенно мощные, как при открытом и замкнутом ключе S. Подключенный последовательно резистор предотвратит выход прибора из строя, если транзистор будет пробит. Конечно, прибор должен быть самым чувствительным, вы можете успешно использовать цифровой мультиметр с пределом тока (DC), равным 2 мА.

Может нагревать транзистор до температуры 100 . 150 ° C, даже паяльником (Но будьте осторожны — помните, что паяльник имеет температуру свыше 300 ° C).

Вы увидите сами, что нулевой ток маломощных транзисторов действительно незначителен, и вы можете забыть о нем.

Если так, то вернемся к рисунку 26. Что будет если измерить напряжение коллектора транзистора при закрытом состоянии?

Ток через транзистор практически не течет… Таким образом, падение напряжение на резисторе R1 равна нулю (UR1 =Ic x R1). Если это так, то при закрытом транзисторе напряжение не его коллекторе равно напряжению питания. Можно сказать, что все напряжение находиться на силовом транзисторе.

На данный момент, я могу сказать вам, напряжение, как правило, в нашей схеме в 9 .. 15В. Тем не менее, в некоторых схемах, (например, в усилителях мощности звуковой частоты) используются источники питания намного большего напряжения, до сотни и более вольт. Вы должны помнить, что каждый транзистор имеет указанное изготовителем, максимальное напряжение коллектора. В каталоге вы найдете его в качестве параметра Uce0, или как Uces.

У всех транзисторов напряжение Uce0 не менее 25 .. 30 В, поэтому при напряжении питания до 24V даже не нужно, проверять его в каталоге.

Чем угрожает превышение напряжения Uce0? Превышение его на 10 .. 20% не представляет ничего, опасного немного увеличивается нулевой ток коллектора, увеличение напряжения больше, приводят к непоправимому повреждению транзистора. В настоящее время, высоковольтные транзисторы очень распространены, и вы можете легко купить транзисторы с напряжением 100 .. 1500, и нет никаких уважительных причин, превышать напряжение Uсе0 указанное в каталоге.

Существует или нет такая необходимость, возможно, вы знаете, как соединить несколько низковольтных транзисторов в «транзистор» высокого напряжения. Такие схемы можно найти в старых книгах — забудьте о них.

Не используйте высоковольтные транзисторы в цепях с низким напряжением питания — транзисторы могут работать при низком напряжении коллектора, но некоторые параметры будут гораздо хуже, чем у типичных маломощных транзисторов.

В нашей практике наиболее широко используемые сегодня транзисторы BC547 и BC548 (NPN) BC557 и BC558 и (PNP). BC547 и BC557 имеют напряжение UCE0 равное 45В, BC548 и BC558 25В.

Двигаемся дальше. Предположим теперь, что базовый ток транзистора в схеме рисунок 26 равен 10uA. Как видно из рисунка, Транзистор имеет усиление 100, поэтому ток коллектора будет: IC = 10 мкА = 100 × 1000μA = 1 мА

Ток, протекающий через резистор R1, вызывает падение напряжения равное: UR1 = 1 мА 1К = 0,001 × × 1000Ω = 1В.

Таким образом, напряжение на коллекторе, измеренное по отношению к земле (минус питания), это разность напряжение батареи питания и падение напряжения на резисторе R1 будет: UC = 10 В — 1В = 9В.

Теперь, если наш базовый ток транзистора увеличится до 60μA, ток коллектора возрастет до 6 мА, Напряжение на резисторе R1 увеличится до 6В, Uc и напряжение на коллекторе будет 4V. Увеличение базового тока будет уменьшать напряжение на коллекторе.

Даже здесь можно увидеть, что транзистор изменил направление: увеличение базового тока (и соответствующее увеличение напряжения база-эмиттер) вызывает падение напряжения на коллекторе. Помните: транзистор, работая по схеме на рисунке 26, меняет направление изменения фазы. Другими словами «транзистор инвертирует фазу» такое вы встретите очень часто. Мы вернемся к этому. На данный момент, мы рассмотрим, что происходит при увеличении тока база еще больше.

При токе базы 90μA ток коллектора 100 * IC = 90μA = 9000μA = 9 мА и напряжение на коллекторе UC = 10 — (9 мА * 1K) = 1В И что происходит, когда база данных будет 100мкА тока (0,1 мА)? Теоретически, напряжение на коллекторе будет равна нулю: UC = 10 — (100 * 0,1 мА * 1K) = 0V.

Таким образом, транзистор полностью открыт, и весь блок питания работает на нагрузку.

А если увеличить ток базы, до 1мА?

Может ли ток коллектора увеличиться до 1 мА × 100 = 100 мА?

О, нет, не увеличится, потому что максимальный ток коллектора определяется нагрузкой. Максимальный ток коллектора не превысит значение, которого составляет Uzas/R1

Так что же происходит, когда вы пытаетесь увеличить базовый ток 1мА?

Если вы говорите, что в этих условиях невозможно увеличить базовый ток до 1 мА, потому что он «не уместиться в базе», вы попали в точку. Ток базовой цепи можно свободно увеличить – на рисунке 25 это показано. Но это немного преувеличено, потому что переход B-E в очень тонкий и чрезмерное увеличение тока базы может, привести к повреждению перехода. Таким образом, в каталогах дается максимальное значение Ibmax тока базы, который не повредить транзистор. Но не паникуйте — даже для маломощных транзисторов (BC548, BC107, и т.д.) приемлемый ток базы не менее 20 мА.

Я спрашиваю вас еще раз, чем грозит увеличение тока базы до 1 мА, на рисунке 26?

Конечно, ни чем не грозит! Похоже, что это пустая трата сил, поскольку увеличение базового тока выше 0,1 мА ни чего в нашей схеме не изменит.

Запомните раз и навсегда, что такое состояние, когда транзистор находится в полностью открытом положении и напряжение на коллекторе является минимально возможным, называется состояние насыщения транзистора. Мы говорим, что транзистор насыщен.

Вы уже знаете, два состояния транзистора: отсечки и насыщения. В этих режимах работы все логично — транзистор в них либо полностью закрыт, либо полностью открыты.

Транзистор используется в качестве выключателя. Но эти режимы транзистора используются только в микросхемах цифровой логики, а схемы, построенные на отдельных транзисторах, как правило, работают в линейном режиме, который является чем то средним между двумя этими состояниями. Изменение тока базы производит пропорциональные изменения напряжения и тока коллектора.

Работа в линейном режиме часто используется для усиления, и требует более широкого рассмотрения. А сейчас мы возвращаемся к состоянию насыщения.

Транзистор в насыщении имеет напряжение на коллекторе в точности равное нулю? Означает ли термин «полностью открытый», что коллектор-эмиттер можно рассматривать как нулевое сопротивление — перемычку?

Читайте также:  Почему движется рамка с током

Здесь мы познакомимся с еще одним реальным свойством транзистора, о котором нельзя догадаться по упрощенной схеме замещения на рисунке 25. В реальном биполярном транзисторе напряжение коллектора никогда не падает до нуля. Даже при увеличении тока базы, до максимально допустимого значения, напряжение на коллекторе не будет равно нулю. В состоянии насыщения на коллекторе будет низкое напряжение, называемое напряжением насыщения, обозначается Ucesat (от SAT – насыщение). Низкое напряжение? А какое?

Не существует четкого ответа, можно только сказать, что это не «чистая закоротка». Для маломощных транзисторов при токах коллектора (с использованием ограничивающего резистора R1) порядка единиц мА, напряжение будет несколько десятков милливольт. При более высоких токах, напряжение на коллекторе будет несколько сотен милливольт. Оно будет немного больше для высоковольтных транзисторов (до 1В) и меньше для мощных транзисторов.

Напряжение насыщения зависит не только от тока коллектора, но и от тока базы. Если базовый ток как можно низкий, но все же достаточно что бы ввести транзистор в насыщение, мы говорим о небольшом насыщении. При токе базы гораздо больше, чем требуемый минимум, мы говорим о глубоком насыщении.

Я предлагаю вам практическое занятие собрать схемы по рисункам 28а и 28b и проверить, какое напряжение насыщения будет в разных условиях. Полученные результаты запишите себе в блокнот. Это упражнение выполняется только один раз в жизни, и то в будущем вы всегда можете посмотреть в блокноте и проверить напряжение в сложной схеме.

А теперь мы подходим к вопросу как транзистор, усиливает напряжение.

Усилитель напряжения

На рисунке 29а изображена зависимость напряжения на коллекторе от тока коллектора. Рисунок относится к транзистору, работающему по схеме на рисунке 26. Нет ни каких сомнений – увеличение тока коллектора уменьшает напряжение на коллекторе. Кроме того, на рисунке 29б, показана зависимость напряжения на коллекторе в зависимости от тока базы (коэффициент усиления равен 100).

Красивая характеристика, не правда? Довольны ли вы, что здесь линейная зависимость?

Если она всегда линейная, это обещает работу без искажений усиления переменного напряжения.

Но не стоит впадать в эйфорию – примечание это зависимость выходного напряжения от входного тока!

А как будет выглядеть зависимость напряжения коллектора от напряжения базы? Только сейчас вы сможете найти ответ на вопрос: как транзистор усиливает напряжение. На рисунке 30 показана, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер. На основании рисунков 30 и 29б можно получить зависимость напряжения Uc от напряжения Ube.

Сделано это на рисунке 31.

Для напряжения на базе менее 0,5 V, ток не течет через базу и коллектор, поэтому напряжение на коллекторе равно напряжению питания. Увеличим напряжение базы, ток коллектора будет увеличиваться, а напряжение на коллекторе будет уменьшаться. Например точка А на рисунке 29а соответствует току базы 1 мкА эта же точка отмечена на рисунке 31. Аналогично точка Б, и т.д. Когда напряжение на коллекторе 9 В (ток коллектора 1 мА) напряжение на базе при токе базы 10 мкА должно быть около 540mV. Кроме того, вы можете выбрать следующую точку.

Кстати часто мы сталкиваемся с понятием рабочая точка. Рисунки 29 и 31 помогут вам понять, что это такое. Рабочая точка транзистора это напряжение и ток которые, есть в схеме в данный момент времени. На наших рисунках есть несколько точек. Например, скажем, что при увеличении напряжения на базе, рабочая точка транзистора перемещается из точки А в точку F. Это так называемая линейная часть. Точку А, где транзистор начинает проводит ток, называют порогом отсечки. Так же можно сказать, что точки H и I ниже порога отсечки. В то время как точка G граница насыщения транзистора.

В результате характеристика на рисунке 31 может напугать каждого. В то время как усиление — отношение выходного напряжения к входному (представлено на рисунке 31, наклон линии между точками А и F) очень большое, а напряжение на коллекторе изменяется не линейно! Во-вторых, изменение напряжения на коллекторе происходить только в пределах узкого диапазона напряжения в пределах 0,5 . 0,6 В.

В общем, если транзистор работает как усилитель переменного напряжения. При этом на вход подается переменный сигнал. Но даже если он находиться в пределах «линейной характеристики», он все равно будет искажен, за счет ее не линейности. Невеселая ситуация.

В любом случае, если транзистор предназначен для усиления переменного сигнала. Необходимо добавить схему смещения базы (напряжения и тока базы).

Рисунок 33 показывает два возможных решения схемы смещения — часто встречается в учебниках. Но будьте осторожны – это очень плохие решения и рисунок 33 можно зачеркнуть красным фломастером, чтобы не приходило в голову, попытаться использовать на практике один из этих монстров.

Почему это неправильные решения? И почему мы так часто встречаем их в радиолюбительской литературе и учебниках?

Отвечу только на первый вопрос, на второй ответьте самостоятельно.

На выходе, то есть коллектора транзистора на рис 33 (и 26), который имеет коэффициент усиления тока 100, напряжение должно быть равно половине напряжения питания, которые устанавливают рабочую точку покоя (приблизительно) в середине рабочего линейного диапазона ток базы должен быть 50мкА. Сопротивление резистора R2 в схеме, показанной на рис 33а, может быть вычислено:
R2 = (10V – 0,6V) / 50μA = 0.188MΩ =188kΩ

или использовать потенциометр, который позволяет установить требуемое напряжение на коллекторе в естественных условиях.

Что будет если измениться питающее напряжение (сядет батарея)? Или вышел из строя транзистор и его нужно заменить другим с другим коэффициентом усиления. Например, нет транзисторов с коэффициентом усиления 100, а только 250?

Как вы видите, такие решения не практичны.

Подобное и с рисунком 33 б. Предположим, что напряжение питания стабилизировано. Не вдаваясь в подробности как. Вы можете выбрать соотношение резисторов делителя, для напряжения смещения на базе что бы получить на коллекторе половину напряжения питания.

А что, если при работе транзистор будет, нагревается? Помните, что происходит при нагреве из предыдущей части. При том же напряжение на базе будет увеличиваться и увеличится ток коллектора, уменьшаться напряжение на коллекторе.

При обсуждении рисунке 33б мы не принимали во внимание следующие соображения о токе — часть тока, протекающего через резистор R2, будет течь в цепь базы, а не через резистор R3. Вы учли этот факт, подбирая резисторы для делителя?

Главный недостаток обеих схем на рисунке 33 также большая нелинейность. Потому возникнут искажения характерные как на рисунках 32 и 33. Высокое значение коэффициента усиления также не рекомендуется.

Как вы можете видеть на рисунке 33 не лучшие решения? В состоянии покоя положение рабочей точки зависит от температуры и от разного коэффициента β для разных экземпляров транзистора одного типа. Эти недостатки лишают практической полезности таких схем.

Хорошо продуманная схема усилителя на транзисторах, прежде всего, должна быть со стабильными параметрами независимо от коэффициента усиления по току транзистора. Должна быть линейной, что бы не искажать усиливаемый сигнал. И иметь очень большой коэффициент усиления, коэффициент усиления напряжения должен быть регулируемым и не зависеть от коэффициента усиления по току. И все это нужно достичь с причудливой нелинейной характеристикой. Для этого существует простой способ, о котором я расскажу позже.

Источник

Основы электроакустики

Чтобы транзистор мог усиливать электрические сигналы произвольной формы, между его входными электродами необходимо приложить постоянное напряжение от внешнего источника питания. В многокаскадных У обычно используют общий источник питания ,а усилительные каскады подключают к нему через развязывающее RC фильтры. RС фильтры служат для исключения обратной связи через цепи питания по переменному сигналу.

Схема с питанием цепей коллектора постоянным током, а цепи базы переменным имеет коэффициент усиления по мощности примерно такой же, как первая, и в — раз больший, чем схема с питанием обеих цепей переменным током. Поэтому она обычно и используется в схемах усиления мощности. Схема с питанием коллекторов и баз переменным током используется обычно как схема сравнения двух электрических величин по фазе. Эта схема не требует источника постоянного напряжения питания и поэтому ее использование наиболее целесообразно, если не требуется получать большую выходную мощность. Использование двух источников питания не всегда оказывается удобным и возможным. На практике для питания цепей коллектора и смещения чаще применяется один источник. Питание транзисторного усилителя обычно производят от одного источника постоянного тока, подключая к нему выходные цепи транзисторов параллельно, так как при этом влияние каждого-из каскадов на остальные минимально. В качестве источника питания цепи коллектора чаще всего используют выпрямитель, питаемый от сети переменного тока, — наиболее дешевый в эксплуатации, долговечный и надежный; в переносных усилителях, работающих вдали от сети переменного тока, для питания цепи коллектора используют гальванические элементы или аккумуляторы, что значительно дороже. Иногда в качестве источника коллекторного питания применяют термоэлементы, солнечные батареи, атомные генераторы. В схеме усилителя с общим коллектором сопротивление нагрузки включается между эмиттером и корпусом устройства. В этой схеме источник питания цепи коллектора включен между корпусом устройства и коллектором. В усилителе с разделенной нагрузкой одна часть сопротивления нагрузки включается в цепь коллектора, а другая — в цепь эмиттера. Чтобы избежать появления прямых токов через транзистор, приходится в его коллекторную цепь включать вентиль ( обычно полупроводниковый диод) так, чтобы ток протекал только в управляемом направлении. В результате в транзисторных схемах осуществляется питание цепей коллектора пульсирующим, а не переменным напряжением с применением однополупериодных или даже двух-полупериодных выпрямителей. В схеме усилителя с общей базой сопротивление нагрузки включается между коллектором и отрицательным ( для транзистора типа р-п — р) полюсом источника питания цепи коллектора. База транзистора и положительный полюс источника питания цепи коллектора соединяются с корпусом устройства.

В каскаде, выполняемом на транзисторе, ограничение импульсов может быть осуществлено выбором соответствующего напряжения питания цепи коллектора: высота импульса на выходе каскада не может быть больше напряжения источника питания. Питание транзисторного усилителя обычно производят от одного источника постоянного тока, подключая к нему выходные цепи транзисторов параллельно, так как при этом влияние каждого-из каскадов на остальные минимально.

Источник



II.3. Схемы цепей питания и стабилизации

Питание цепей коллекторов.

Для усиления транзистором электрических сигналов произвольной формы к его выходным электродам подключают постоянное напряжение Е от внешнего источника, называемого источником питания цепи коллектора. В качестве такого источника используется стабилизированный выпрямитель, питаемый от сети переменного тока. В переносных устройствах (радиоприёмниках, плейерах и т.п.) используют гальванические элементы или аккумуляторы. Цепи коллекторов многокаскадных усилителей питают от одного общего источника питания. Все каскады подключают к общему источнику параллельно, так как при этом влияние каждого каскада на остальные минимально. Для ослабления паразитной связи между каскадами через общий источник питания коллекторные цепи каскадов, за исключением последнего, обычно защищают развязывающими фильтрами Rф, СФ (рис.2.6).

Читайте также:  Неоновая лампочка включена в сеть переменного тока промышленной частоты

Рис. 2.6. Питание выходных цепей усилительных элементов от общего

источника питания ЕК через развязывающие фильтры RФCФ

Подача смещения во входные цепи транзисторов.

Для установления нужного режима работы транзистора (токов покоя входной и выходной цепей усилительного каскада) между базой и эмиттером подают определённое напряжение смещения (порядка нескольких десятых долей вольта), определяемое по статическим характеристикам. У транзистора структуры р-n-р, база должна иметь отрицательный потенциал относительно эмиттера, у транзисторов структуры n-p-n – положительный потенциал. Необходимая величина смещения в цепи база – эмиттер для германиевых транзисторов лежит в пределах (0,1 ¸ 0,5) В, для кремниевых транзисторов – (0,5 ¸ 1) В.

Для упрощения схемы смещение во входные цепи транзисторов целесообразно подавать от источника коллекторного питания, так как при этом усилитель будет иметь только один источник питания. Простейшие способы подачи смещения показаны на рис.2.7.

Рис. 2.7. Способы подачи смещения на базу транзистора:

а – фиксированным током базы; б – фиксированным напряжением базы;

в – с фиксированным током эмиттера.

На рис.2.7а смещение на базу транзистора подаётся через резистор R1, сопротивление которого во много раз больше сопротивления участка база – эмиттер постоянному току. При этом ток смещения базы IБ0, протекающий через R1, приближённо равен IБ0 = E / R1 и не меняется при изменении температуры, старении и замене транзистора. Поэтому такой способ подачи смещения называют смещением фиксированным током. Смещение фиксированным током базы пригодно лишь для каскадов, работающих в режиме А; кроме того, такой способ смещения применяется в случаях, когда каскады усилителя работают при малых изменениях температуры (не более 10 ¸ 20°С). При больших изменениях температуры или замене транзистора этот способ не обеспечивает необходимого постоянства точки покоя; в этих случаях применяют различные способы стабилизации режима при помощи смещения, автоматически изменяющегося при изменении температуры или замене транзистора.

На рис.2.7б смещение на базу подаётся от делителя напряжения, образуемого резисторами R1 и R2 , подключёнными к источнику коллекторного питания. Делитель рассчитывается таким образом, чтобы ток, протекающий через него, был в несколько раз большим, чем ток в цепи базы в режиме покоя; в этом случае напряжение смещения UБЭ0 практически не будет меняться при изменении температуры, старении и замене транзистора. Этот способ смещения называют смещением фиксированным напряжением.

Стабилизация точки покоя в транзисторных каскадах.

Ток покоя выходной цепи усилительного каскада в рабочих условиях (при изменении температуры, старении УЭ, их замене и т.д.) не должен сильно отклоняться от величины, обеспечивающей нормальную работу, т.к. иначе свойства каскада ухудшатся, и он даже может стать неработоспособным. Чрезмерное снижение тока покоя ведёт к росту нелинейных искажений, уменьшению тока, напряжения и мощности сигнала на выходе, падению усиления. Увеличение тока покоя снижает КПД каскада, приводит к перегреву УЭ и также увеличивает нелинейные искажения из-за снижения постоянной составляющей напряжения между выходными электродами.

При питании от одного источника достаточную стабильность тока выходной цепи (или, что то же самое, достаточную стабильность положения точки покоя на семействе выходных статических характеристик транзистора), обеспечивающую работоспособность транзисторных каскадов при изменении температуры и замене транзисторов, можно получить только при использовании схем стабилизации тока покоя выходной цепи (схем стабилизации точки покоя). Существует несколько способов стабилизации точки покоя.

1. Коллекторная стабилизация

Рис.2.8. Коллекторная стабилизация точки покоя при включении

а – с общим эмиттером; б – с общим коллектором; в – с общей базой.

Коллекторная стабилизация наиболее проста и экономична. Стабилизация точки покоя осуществляется параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, снимаемой с коллектора транзистора. Здесь к резистору R1 приложена разность напряжения источника питания ЕК и падения питающего напряжения на сопротивлении коллекторной нагрузки R2 (рис.2.8а) или эмиттерной нагрузки R2 (рис.2.8б). Если по какой-то причине ток покоя выходной цепи стремится возрасти, падение напряжения на R2 увеличивается, приложенное к R1 напряжение уменьшается, и ток смещения базы падает, что не даёт току покоя сильно увеличиваться. При стремлении тока покоя уменьшиться описанный процесс автоматического регулирования происходит обратным образом.

Коллекторная стабилизация хорошо действует лишь при большом падении напряжения питания на коллекторной нагрузке (порядка 0,5ЕК и выше), что можно обеспечить только в резистивном каскаде. При включении транзистора с общим эмиттером коллекторная стабилизация приводит к снижению входного сопротивления каскада и его усиления из-за прохождения усиленного сигнала через R1 во входную цепь. Для устранения этого недостатка R1 делят на две части, между которыми и общим проводом включают блокировочный конденсатор СБ большой ёмкости (рис.2.8г).

1. Эмиттерная стабилизация.

Более высокую стабильность точки покоя обеспечивает схема эмиттерной стабилизации (рис.2.9), находящая наиболее широкое применение. Эта схема может обеспечить работоспособность каскада при изменении его температуры на 70¸100°С.

Рис.2.9. Эмиттерная стабилизация точки покоя при включении транзистора:

а – с общим эмиттером; б – с общим коллектором; в – с общей базой.

Здесь стабилизация осуществляется отрицательной обратной связью по току, снимаемой с резистора R3 , включённого в цепь эмиттера, а необходимое смещение на базу относительно эмиттера подаётся с делителя R1 — R2, подключённого параллельно источнику коллекторного питания. Для устранения влияния отрицательной обратной связи, снижающей усиление каскада в рабочей полосе частот, резистор R3 обычно шунтируют конденсатором С2 большой ёмкости. Схема эмиттерной стабилизации действует следующим образом. Если под влиянием какого-то дестабилизирующего фактора ток покоя выходной цепи увеличивается, то на резисторе R3 возрастает падение напряжения, в результате чего смещение база-эмиттер, равное в этой схеме разности напряжения на R2 и падения напряжения на R3 , уменьшается, что приводит к уменьшению выходного тока, стабилизируя его значение. Эмиттерная стабилизация хорошо действует как при большом, так и при малом падении питающего напряжения на нагрузке. Эффективность эмиттерной стабилизации тем выше, чем больше величина R3 и чем меньше сопротивление делителя R1R2.

2. Комбинированная стабилизация.

Комбинированная (коллекторно-эмиттерная) стабилизация (рис.2.10) представляет собой комбинацию рассмотренных выше способов стабилизации; она имеет место, например, при включении в каскад с эмиттерной стабилизацией резистора фильтра RФСФ и обеспечивает стабильность выходного тока даже немного большую, чем схема эмиттерной стабилизации.

Рис.2.10. Комбинированная (коллекторно-эмиттерная) стабилизация

точки покоя при включении транзистора с общим эмиттером.

Когда требуется уменьшить нестабильность положения точки покоя, вызываемую лишь изменением температуры, а не заменой транзисторов и их старением, можно использовать схемы температурной компенсации. Их применяют, когда рассмотренные выше способы стабилизации обратной связью неприемлемы, а иногда и совместно с ними.

Для температурной компенсации используют термисторы (терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления), полупроводниковые диоды.

Источник

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

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 большая 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.

Читайте также:  Физиолечение токами поясничного отдела

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 h21. 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.

Источник