Режимы работы транзистора: Биполярные транзисторы. For dummies / Habr

Содержание

Биполярные транзисторы. For dummies / Habr

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


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 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.

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) .

Список источников:
http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

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

Основы микроэлектроники | Режимы работы транзистора в усилителе

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзис­торе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспе­чить начальный режим работы (статический режим, ре­жим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами элек­тродов транзистора и напряжениями между этими элект­родами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «на­чальный режим работы усилителя». Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называе­мой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (Uкэн, Iкн), где Uкэ и Iкн — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллек­тора. Для стабильной работы усилителя стремятся не до­пускать изменения положения начальной рабочей точки. Для характеристики проблемы обеспечения начально­го режима традиционно и вполне оправданно рассматри­вают следующие три схемы:

• с фиксированным током базы;

• с коллекторной стабилизацией;

• с эмиттерной стабилизацией.

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Схема с фиксированным током базы (рис. 2.14). На по­добных схемах источник напряжения Ек обычно не изоб­ражают.

Рис. 2.14. Схема с фиксированным током базы

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

Отсюда находим ток коллектора Iк:

что соответствует линейной зависимости вид:

Это уравнение описывает так называемую линию на­грузки (как и для схемы с диодом). Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Выходные характеристики транзистора и линия нагрузки

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

Отсюда находим ток базы iб:

Будем пренебрегать напряжением uбЭ, так как обычно Тогда iб

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток iб задает­ся величинами Ек и Rб (ток «фиксирован»). При этом

Пусть iб = iб2. Тогда HPT займет то положение, которое указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, iб = 0), а самое верхнее положение — точке Z (режим насыщения, iб iб4).

Схему с фиксированным током базы используют ред­ко по следующим причинам:

• при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины и , что изменяет ток IКН и положение начальной рабочей точки;

• для каждого значения необходимо подбирать соответствующее значение Rб, что нежелательно при ис­пользовании как дискретных приборов (т.е. приборов, из­готовленных не по интегральной технологии), так и инте­гральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 2.16). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен со входом схемы — базой транзистора с помо­щью сопротивления Rб). Рассмотрим ее проявление на следующем примере. Пусть по каким-либо причинам (на­пример, из-за повышения температуры) ток iK начал уве­личиваться. Это приведет к увеличению напряжения uRK, уменьшению напряжения uкэ и уменьшению тока iб , что будет препятствовать значительному увеличению тока iK, т.е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Рис. 2.16. Схема с коллекторной стабилизацией

Схема с эмиттерной стабилизацией (рис. 2.17). В зару­бежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве H).

Рис. 2.17. Схема с эмиттерной стабилизацией

Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, что­бы зафиксировать ток iэ и через это ток iK (iK iэ). С ука­занной целью в цепь эмиттера включают резистор Rэ и создают на нем практически постоянное напряжение uRЭ. При этом оказывается, что

Для создания требуемого напряжения uRэ используют делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Сопротивле­ния R1 и R2 выбирают настолько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

При воздействии дестабилизирующих факторов вели­чина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и ве­личина uRэ.На практике обычно напряжение uRэ состав­ляет небольшую долю напряжения Ек.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D. Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (iK > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входно­го сигнала. В режиме В IКН = 0, поэтому ток коллектора мо­жет только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

режим работы транзисторов | Основы РЕМОНТА

Температурная стабилизация в каскадах усиления на транзисторах необходима потому, что от этого зависят усилительные свойства транзистора.

С повышением температуры увеличивается эмиттерный и коллекторный ток, а также коэффициент усиления по току.

При этом в схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току возрастает на 10—15 % при увеличении температуры на каждые 10 °С. Коэффициент усиления по току в схеме с общей базой возрастает значительно медленнее.

Влияние окружающей температуры на свойства транзистора может привести к тому, что усилитель зимой, на морозе, будет плохо работать, а летом, в жару, самовозбуждаться.

Это, конечно, крайние случаи, но при конструировании транзисторной аппаратуры приходится всегда обращать внимание на температурную стабильность.

Чтобы параметры транзистора не зависели от температуры, нужно поддерживать неизменной величину постоянной составляющей эмиттерного и коллекторного токов, напряжения на коллекторном переходе, т. е. температурная стабилизация режима практически приводит к стабилизации параметров.

Наибольшей стабильностью обладает схема с общей базой при питании ее от двух источников напряжения (см. рис. 43). В этом случае ток эмиттера почти не зависит от температуры транзистора. Это объясняется малым падением напряжения на эмиттерном переходе. В результате напряжение источника U1 оказывается почти полностью приложенным к резистору R1. Поскольку значение U1 обычно достаточно велико (1,5—3 В), можно пренебречь влиянием температуры транзистора на величину эмиттерного тока.

 

Коллекторный ток и напряжение на коллекторном переходе в этой схеме также мало зависят от температуры.

Каскад с общим эмиттером имеет большую температурную стабильность в случае применения двух источников питания (см. рис. 45).

При использовании одного источника для повышения температурной стабильности можно применить делитель напряжения с добавлением еще одного резистора R2 (рис. 49).

В этом случае режим работы каскада приближается к режиму работы с использованием двух источников питания. Напряжение U’2 служит здесь как бы вторым источником. Чем меньше сопротивление резисторов R1 и R2, тем лучше температурная стабильность каскада.

 

Дальнейшее повышение температурной стабильности каскада с общим эмиттером можно получить, введя отрицательную обратную связь. Для этого включается резистор Rэ (рис. 50).

Чтобы при этом не уменьшался коэффициент усиления каскада параллельно присоединяется конденсатор Сэ: отрицательная обратная связь имеется только для постоянной составляющей эмиттерного тока. Если резистор R1 подключить не к источнику питания, а к коллектору транзистора, то также возникает отрицательная обратная связь и улучшается температурная стабильность каскада (рис. 51).

Добиться еще большей стабильности можно, применив для целей стабилизации термосопротивление (термистор), которое обычно подключается параллельно резистору R2 (см. рис. 49).

 

В заключение отметим, что транзисторы с большим коэффициентом усиления по току обладают худшей стабильностью, чем транзисторы с малым коэффициентом усиления. По этой причине нежелательно применять транзисторы с коэффициентом усиления h31 э>60÷100.

Где применяют биполярные транзисторы. Биполярный транзистор. Обратный коллекторный ток

Устройство и принцип действия

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия . В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия . Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E , базы B и коллектора C . В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам - большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность экстракции неосновных носителей заряда в коллектор и т.к. в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора . Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I э =I б + I к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I к = α I э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 - 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база - в обратном (закр

Режим насыщения транзистора - теория и практика

Между простой переключающей схемой и линейным усилителем на транзисторе имеется очевидное различие. В нормально работающем линейном усилителе коллекторный ток всегда прямо пропорционален базовому току. В переключающей схеме, такой как на рис. 1., коллекторный ток определяется, главным образом, напряжением питания VCC и сопротивлением нагрузки RL. Режим насыщения транзистора является достаточно важным и заслуживает подробного обсуждения.

Рис. 1. Иллюстрация режима насыщения. Транзистор действует как ключ для включения лампы.

Рассмотрим, что происходит с коллекторным током в схеме на рис. 1, если базовый ток постепенно увеличивается, начиная от нуля. Когда ключ S1 разомкнут, базовый ток не течет и ток коллектора ничтожно мал. Замыкание S1 приводит к появлению тока базы IB = VCC/RB, где мы пренебрегли разностью потенциалов на переходе база-эмиттер. Ток коллектора, протекающий по нагрузке RL, равен IC=hFEVCC/RB. Для конкретной схемы, приведенной на рисунке, при hFE = 100 и при максимальном значении RB (50 кОм) получим:

IC=100x10/5000 А=20 мА

Падение напряжения на RL определяется произведением RLIC и в нашем случае равно 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при этом находится в линейном режиме; уменьшение RB приводит к увеличению тока базы, увеличению тока коллектора и, следовательно, к увеличению падения напряжения на RL. В этих условиях схема могла бы быть использована как усилитель напряжения.

Теперь рассмотрим случай, когда

RB=hFERL

и ток базы равен

IB=VCC/RB=VCC/(hFERL)

Следовательно, коллекторный ток равен

IC=(hFEVCC)/(hFERL)=VCC/RL

С точки зрения нагрузки транзистор ведет себя как пара контактов ключа. Из закона Ома следует, что ток нагрузки в этой ситуации не может превышать величины VCC/RL. Поэтому дальнейшее увеличение тока базы не может увеличить ток коллектора, который определяется теперь только сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Транзистор находится в насыщении. На практике при насыщении транзистора между коллектором и эмиттером всегда остается небольшое напряжение, обычно обозначаемое VCE(sat). Как правило, оно меньше 1 В и может доходить до 0,1 B y транзисторов, специально предназначенных для работы в качестве ключей. Обычно VCE(sat) уменьшается по мере того, как через переход база-эмиттер течет все больший ток, то есть в случае, когда отношение тока коллектора IC к току базы IB становится значительно меньше, чем коэффициент усиления тока транзистора hFE.

Грубо говоря, глубокое насыщение (малое значение VCE(sat)) имеет место, когда

IC/IB < hFE/5

Для схемы типа той, какая показана на рис. 1, когда ток базы задается просто подключением резистора к источнику питания, мы выбираем

RB/RL < hFE/5

Следовательно, для схемы на рис. 1, принимая типичное для транзистора 2N3053 (аналог КТ630Б — см. аналоги отечественных и зарубежных транзисторов) значение коэффициента усиления тока hFE = 150, имеем

RB/RL < 150/5 = 30.

Следовательно, при RL = 50 Ом мы выбираем

RB < 30 х 50 Ом = 1,5 кОм.

Итак, если в качестве нагрузки используется лампа с сопротивлением 50 Ом, то для ее эффективного включения нам следует выбрать сопротивление базового резистора меньше 1,5 кОм. Если это невозможно, когда, например, в качестве RB используется фоторезистор с минимальным сопротивлением 10 кОм, то следует воспользоваться схемой Дарлингтона, чтобы увеличить коэффициент усиления тока.

Если биполярный транзистор работает с током коллектора, близким к максимальному, и нужно поддержать напряжение VCE(sat) на уровне долей вольта, то из-за уменьшения hFE может понадобиться базовый ток больше, чем Iс/10.

Возможно покажется неожиданным, что VCE(sat) может быть много меньше, чем напряжение VBE, которое у кремниевого транзистора равно примерно 0,6 В. Происходит это потому, что в режиме насыщения переход коллектор-база смещен в прямом направлении. Следовательно, мы имеем два р-n перехода, смещенных в прямом направлении, включенных навстречу друг другу так, что падения напряжения на них взаимно компенсируются. Эта способность биполярного транзистора иметь в режиме насыщения очень маленькое падение напряжения между коллектором и эмиттером, делает его весьма полезным переключающим прибором. Многие из наиболее важных применений электроники, включая обширную область цифровой электроники, используют переключающие схемы.

В режиме переключений транзистор работает либо с фактически нулевым током коллектора (транзистор выключен) или с фактически нулевым напряжением на коллекторе (транзистор включен). В обоих случаях мощность, рассеиваемая на транзисторе, очень мала. Значительная мощность рассеивается только в то время, когда происходит переключение: в это время и напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора имеют конечные значения.

Маломощный транзистор, такой как 2N3053, с максимально допустимой рассеиваемой мощностью менее одного ватта, может переключать мощность в нагрузке в несколько ватт. Следует обратить внимание на то, что максимальные значения коллекторного напряжения и тока не должны выходить за допустимые пределы; кроме того, желательно осуществлять переключения возможно быстрее, чтобы избежать рассеяния чрезмерно большой мощности.

Режимы работы транзисторов инвертора

СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

При разработке преобразователей частоты в качестве комму­тирующих элементов используются мощные транзисторы, работаю­щие в режиме переключений. Этот режим работы транзисторов об­ладает рядом специфических особенностей, определяющих величину рассеиваемой в них мощности, которую необходимо правильно оце­нить с целью обеспечения надежной работы преобразователя ча­стоты.

В настоящее время режимы переключений мощных транзисто­ров достаточно изучены [Л. 31; 36; 43]. Предварительно напомним лишь основные положения, которые необходимо учитывать при разработке мощных переключающих устройств.

Транзисторы, работающие в качестве усилителей, в энергети­ческом отношении выгодно использовать в ключевом режиме, при котором транзистор находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. Эти состояния транзистора характеризуют­ся минимальной рассеиваемой в нем мощностью.

Аналитические выражения, на основании которых определяются токи коллектора, эмиттера и базы [JI. 53], справедливы лишь при работе транзистора с малыми плотностями тока эмиттера и при малых значениях сопротивлений областей коллектора, эмиттера и базы, т е. когда параметры транзистора практически неизменны.

Рис. 24. Семейство выходных ха­рактеристик транзистора, включен­ного по схеме с общим эмиттером

Рис. 23. Транзисторный ключ по схеме с общим эмитте­ром с активной нагрузкой

Анализируя работу транзистора в режиме больших сигналов, следует учитывать изменение его параметров в зависимости от по­ложения рабочей точки, которая перемещается из области отсечки в область насыщения. Поэтому на практике обычно пользуются входными и выходными характеристиками транзистора, получен­ными экспериментальным путем.

При работе транзистора в режиме ключа целесообразно приме­нять схему с общим эмиттером, которая отличается от остальных схем включения более высоким коэффициентом усиления по мощ­ности.

Рассмотрим работу транзистора, включенного по схеме с об­щим эмиттером, в режиме непрерывно открываемого и закрывае­мого ключа (импульсное управление) при активной и активно-ин­дуктивной нагрузке в цепи коллектора.

На рис. 23 представлена схема ключа с активной нагрузкой. На рисунке обозначено - С/п — напряжение источника питания, /у — ток управления, /б з — запирающий ток в цепи базы, ія — ток в цепи нагрузки, RH — сопротивление нагрузки.

На рис. 24 приведено семейство выходных характеристик тран­зистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и нанесена ли­ния нагрузки 1—2. Положение точки 1 в области отсечки жела­тельно выбирать на характеристике при напряжении база — эмиттер больше нуля (Uб_э>0), т. е. при положительном смещении на базе по отношению к эмиттеру. При этом ток коллектора /к практи­чески равен обратному току коллекторного перехода, т. е току в цепи коллектор бата при отключенном эмиттере /ко, а величина допустимого напряжения коллектор — эмиттер UK-э й схеме с общим эмиттером приближается к величине допустимого напряжения в схеме с общей базой. В области отсечки напряжение коллек­тор — эмиттер практически равняется напряжению источника пи­тания.

При работе транзистора в режиме переключения в момент по­дачи на базу отрицательного напряжения происходит переброс ра­бочей точки из области отсечки (из точки 1) через активную зону в область насыщения (в точку 2) по линии нагрузки 1—2. При этом положение рабочей точки будет находиться на перегибе ха­рактеристики /к = /(*/к-в) при токе базы /6=COnst. При положении рабочей точки на перегибе характеристики (положение 2) напряже­ние коллектор — эми-гтер равно напряжению база — эмиттер, а на­пряжение база — коллектор равно нулю. При этом минимальная величина тока базы, необходимая для перевода транзистора в ре­жим насыщения, будет равна /б мин=/к/Р, где Р— величина ко­эффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмит­тером, определенная в точке 2

Дальнейшее увеличение тока базы, т. е наличие избыточного тока базы, практически не приводит к изменению тока коллектора. Однако напряжение коллектор — эмиттер несколько уменьшается, благодаря чему снижается мощность, рассеиваемая в транзисторе. В то же время наличие избыточного тока базы обеспечивает ра­боту транзистора в ключевом режиме (даже с учетом разброса ве­личины Р).

В области насыщения напряжение коллектор — эмиттер не пре­вышает долей вольта, а максимальный ток коллектора практически равен IK = Un/RB.

При работе транзистора в режиме переключений суммарная мощность потерь в нем может быть определена как

PsT= Р61 + Рб2 + Рб. д“+ рк1 + Рк2 + РК. д’ (15°)

где Р61, и Р62 — мощность потерь во входной цепи соответственно в режимах отсечки и насыщения; Рк, Рк2— мощность потерь в цепи коллектора соответственно в режимах отсечки и насыщения; Рб. д, Рк д — дополнительная мощность, рассеиваемая в цепях базы и коллектора, связанная с прохождением рабочей точки че­рез активную область.

При определении суммарных потерь по уравнению (150) можно пренебречь членами Рб і и Рб д ввиду их малости Значения Рк и Р*г с достаточной точностью определяются по выходным характе­ристикам транзистора, а значение Р62 — по входной характеристике.

Дополнительная мощность рассеяния, обусловленная временем пребывания рабочей точки в активной области, определяется ча­стотными свойствами транзистора, крутизной фронта и спада уп­равляющего импульса, величиной избыточного тока базы и нали­чием запирающего смещения на базе транзистора.

Известно [Л. 43; 551, что

р =U, Ll±!sl/=:P (151)

к. д к—э1 к g J н макс g J ’

где Рн макс—максимальная мгновенная мощность нагрузки, Тн, Тс — времена нарастания и спада тока коллектора при воздействии прямоугольного управляющего импульса; f — частота переключений транзистора.

Как видно из выражения (151), величина мощности Рк д при работе на активную нагрузку зависит от времени нарастания и спада тока в цепи коллектора и не зависит от величины скваж­ности управляющих импульсов.

Значения Тя и Тс могут быть определены по аналитическим выражениям, полученным в работе {Л. 55] в предположении, что параметры транзистора неизменны з данном рабочем диапазоне, а также при наличии импульса управления идеально прямоуголь­ной формы и при пренебрежении величиной емкости коллектора. Учитывая, что в реальных условиях параметры транзистора не яв­ляются неизменными 'в рабочем диапазоне и управляющие им­пульсы не имеют идеально прямоугольной формы, время нарастания и спада тока коллектора целесообразно находить непосредственно путем осциллографирования переходных процессов, происходящих при переключении транзистора. Следует отметить, что время нара­стания и спада определяется как время, в течение которого выход­ной ток достигает соответственно значения 0,9 (при нарастании) ИЛИ 0,1 (при спаде) установившейся величины /к макс.

Коэффициент использования мощного транзистора &и, равный отношению максимальной МОЩНОСТИ Рн макс, выделяемой в на­грузке, к суммарной мощности РБ, теряемой в транзисторе, в ре­жиме переключения с частотой до 1000 гц довольно высок и до­стигает нескольких десятков, в то время как в усилительном режиме даже при синусоидальном напряжении питания его макси­мальное значение не превышает четырех

Увеличение коэффициента исп

транзисторов - learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 74

Режимы работы

В отличие от резисторов, которые обеспечивают линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами. У них есть четыре различных режима работы, которые описывают протекающий через них ток. (Когда мы говорим о токе, протекающем через транзистор, мы обычно имеем в виду ток , протекающий от коллектора к эмиттеру NPN .)

Четыре режима работы транзистора:

  • Насыщение - Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
  • Отсечка - Транзистор действует как разомкнутая цепь . Нет тока от коллектора к эмиттеру.
  • Активный - Ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему в базу.
  • Reverse-Active - Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении.Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были предназначены транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть на напряжения на каждом из трех выводов и на то, как они соотносятся друг с другом. Напряжения от базы к эмиттеру (V BE ) и от базы к коллектору (V BC ) задают режим транзистора:

Упрощенный квадрантный график выше показывает, как положительное и отрицательное напряжение на этих клеммах влияет на режим.На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как это влияет на ток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена NPN транзисторам . Чтобы понять, как работает транзистор PNP, просто поменяйте полярность или знаки> и <.

Режим насыщенности

Насыщенность - это в режиме транзистора.Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» в транзисторе смещены в прямом направлении. Это означает, что V BE должен быть больше 0, и , поэтому V BC должен быть. Другими словами, V B должен быть выше, чем V E и V C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит как диод, на самом деле, V BE должно быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в насыщение.Для этого падения напряжения существует множество сокращений - V th , V γ и V d - несколько - и фактическое значение варьируется между транзисторами (и даже больше в зависимости от температуры). Для большинства транзисторов (при комнатной температуре) это падение может составить около 0,6 В.

Еще один облом реальности: между эмиттером и коллектором не будет идеальной проводимости. Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических характеристиках транзисторов это напряжение определено как напряжение насыщения CE, В CE (насыщение) - напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения.Это значение обычно составляет 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V C должно быть немного больше, чем V E (но оба все еще меньше, чем V B ), чтобы транзистор перешел в режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки противоположен насыщению. Транзистор в режиме отсечки выключен - нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. Это почти похоже на обрыв цепи.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, базовое напряжение должно быть меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора.Оба V BC и V BE должны быть отрицательными.

На самом деле, V BE может быть где угодно между 0 В и th (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Чтобы работать в активном режиме, транзистор V BE должен быть больше нуля, а V BC должен быть отрицательным. Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше, чем на коллекторе, но больше, чем на эмиттере. Это также означает, что коллектор должен быть больше эмиттера.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V th , V γ или V d ) от базы к эмиттеру (V BE ), чтобы «включить» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим - это самый мощный режим транзистора, потому что он превращает устройство в усилитель . Ток, идущий на вывод базы, усиливает ток, идущий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Наше сокращенное обозначение для усиление (коэффициент усиления) транзистора - β (вы также можете увидеть его как β F или h FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I C ) с базовым током ( I B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора. Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 ... даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и сколько тока проходит через него.Если, например, у вашего транзистора β = 100, это будет означать, что входной ток в 1 мА на базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель активного режима. V BE = V th и I C = βI B .

А как насчет тока эмиттера, I E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут на прибора, а выходит I E . Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть другое постоянное значение: α .α - коэффициент усиления по току общей базы, он связывает эти токи как таковые:

α обычно очень близко к 1. Это означает, что I C очень близко, но меньше I E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Так, если я C , например, 100 мА, то я E это 101 мА.

Реверс Актив

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму.Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в обратном направлении, от эмиттера к коллектору. Обратной стороной активного режима является то, что β (β R в данном случае) на намного меньше на .

Чтобы перевести транзистор в обратный активный режим, напряжение эмиттера должно быть больше, чем на базе, которое должно быть больше, чем на коллекторе (V BE <0 и V BC > 0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором.Приятно знать, что он есть, но он редко превращается в приложение.

Относительно PNP

После всего, о чем мы говорили на этой странице, мы все еще покрыли только половину спектра BJT. А как насчет транзисторов PNP? PNP работает очень похоже на NPN - у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится PNP-транзистор, поменяйте местами все знаки <и>.

Например, чтобы перевести PNP в режим насыщения, V C и V E должны быть выше, чем V B .Вы опускаете базу ниже, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить. И, чтобы перевести PNP в активный режим, V E должен иметь более высокое напряжение, чем V B , которое должно быть выше, чем V C .

Итого:

Соотношение напряжений Режим NPN Режим PNP
В E B C Активный Обратный
V E B > V C Насыщенность Отсечка
V E > V B C Отсечка Насыщенность
V E > V B > V C Задний ход Активный

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока.В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP течет от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер, как правило, должен иметь более высокое напряжение, чем коллектор.


Если вы перегорели концептуальными вещами, перейдите к следующему разделу. Лучший способ узнать, как работает транзистор, - это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!



← Предыдущая страница
Продолжение аналогии с водой Режимы работы транзисторов

- Инструментальные средства

Режим отключения

Когда транзистор находится в полностью выключенном состоянии (например, разомкнутый переключатель), говорят, что он находится в состоянии отключения .

Насыщенный режим

И наоборот, когда он полностью проводящий между эмиттером и коллектором (пропускает через коллектор столько тока, сколько позволяют источник питания коллектора и нагрузка), говорят, что он насыщен . Это два режима работы, которые исследовались до сих пор при использовании транзистора в качестве переключателя.

Активный режим

Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя крайними режимами работы.

Как мы узнали в предыдущем разделе, базовый ток «открывает ворота» для ограниченного количества тока через коллектор.

Если этот предел для регулируемого тока больше нуля, но меньше максимально допустимого для цепи питания и нагрузки, транзистор будет «дросселировать» ток коллектора в режиме где-то между отсечкой и насыщением. Этот режим работы называется активным режимом .

Аналогия режимов работы транзистора

Автомобильная аналогия работы транзистора выглядит следующим образом:

отсечка - это условие отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться.В режиме отсечки тормоз включен (нулевой базовый ток), предотвращая движение (ток коллектора).

Активный режим - это автомобиль, движущийся с постоянной контролируемой скоростью (постоянный контролируемый ток коллектора) в соответствии с указаниями водителя.

Saturation Автомобиль, движущийся по крутому склону, не позволяет ему двигаться так быстро, как этого хочет водитель. Другими словами, «насыщенный» автомобиль - это автомобиль с педалью акселератора, нажатой до упора (базовый ток требует большего тока коллектора, чем может обеспечить цепь питания / нагрузки).

Моделирование SPICE

Давайте настроим схему для моделирования SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы. (Рисунок ниже)

Схема

C для моделирования SPICE в «активном режиме» и список соединений.

 моделирование биполярного транзистора
i1 0 1 постоянного тока 20u
q1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 npn
.dc v1 0 2 0,05
.plot dc i (вамметр)
.end 

«Q» - это стандартное буквенное обозначение транзистора на принципиальной схеме, так же как «R» для резистора, а «C» для конденсатора.В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V 1 ) и управляемый током через источник тока (I 1 ).

Источник тока - это устройство, которое выводит определенное количество тока, генерируя такое же или меньшее напряжение на своих выводах, чтобы обеспечить точное количество тока через него.

Известно, что источники тока трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, напротив, пытаются поддерживать постоянное напряжение, выдавая такой же или такой же малый ток для выполнения этой задачи), но их можно смоделировать с помощью небольшого набора электронных составные части.

Как мы скоро увидим, сами транзисторы имеют тенденцию имитировать поведение источника тока при постоянном токе в своей способности регулировать ток при фиксированном значении.

В моделировании SPICE мы установим источник тока на постоянное значение 20 мкА, затем изменим источник напряжения ( 1 В) в диапазоне от 0 до 2 вольт и будем отслеживать, сколько тока проходит через него. «Пустая» батарея (амперметр V , ) на рисунке выше с ее выходом 0 вольт служит просто для обеспечения SPICE схемным элементом для измерения тока.

A Переменное напряжение коллектора от 0 до 2 В при постоянном токе базы 20 мкА дает постоянный ток коллектора 2 мА в области насыщения.

Постоянный базовый ток 20 мкА устанавливает ограничение тока коллектора в 2 мА, что ровно в 100 раз больше. Обратите внимание на пологую кривую (рисунок выше) для тока коллектора в диапазоне напряжения батареи от 0 до 2 вольт.

Единственное исключение из этого невыразительного графика - в самом начале, где батарея увеличивается с 0 вольт до 0.25 вольт. Здесь ток коллектора быстро увеличивается от 0 ампер до своего предельного значения 2 мА.

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы изменим напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Мы сохраним базовый ток на уровне 20 мкА. (Рисунок ниже)

 моделирование биполярного транзистора
i1 0 1 постоянного тока 20u
q1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В при постоянном токе базы 20 мкА обеспечивает постоянный ток коллектора 2 мА.

Тот же результат! Коллекторный ток на рисунке выше остается абсолютно стабильным на уровне 2 мА, хотя напряжение аккумулятора (v1) изменяется в пределах от 0 до 50 вольт.

Из нашего моделирования может показаться, что напряжение коллектор-эмиттер мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт).Транзистор действует как регулятор тока, пропуская через коллектор ровно 2 мА и не более.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы увеличим управляющий (I 1 ) ток с 20 мкА до 75 мкА, снова изменим напряжение батареи (V 1 ) с 0 до 50 вольт и построим график тока коллектора. на рисунке ниже.

 моделирование биполярного транзистора
i1 0 1 постоянного тока 75u
q1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.модель mod1 npn
.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном токе базы 75 мкА дает постоянный ток коллектора 7,5 мА. Другие кривые генерируются с помощью развертки тока (i1 15u 75u 15u) в отчете анализа постоянного тока (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).

Неудивительно, что SPICE дает нам похожий график: ровная линия, на этот раз стабильная на 7.5 мА - ровно в 100 раз больше базового тока - в диапазоне напряжений батареи от чуть более 0 вольт до 50 вольт. Похоже, что ток базы является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V 1 не имеет значения, пока оно выше определенного минимального уровня.

Это соотношение напряжение / ток полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. С резистором ток увеличивается линейно с увеличением напряжения на нем. Здесь, с транзистором, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько высоко увеличивается напряжение на эмиттере и коллекторе.

Кривые характеристик

Часто бывает полезно наложить несколько графиков ток / напряжение коллектора для разных базовых токов на один график, как на рисунке ниже.

Набор подобных кривых - по одной кривой, построенной для каждого отдельного уровня тока базы - для конкретного транзистора называется характеристическими кривыми транзистора :

Зависимость напряжения от коллектора к эмиттеру от тока коллектора для различных базовых токов.

Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный в диапазоне напряжений между коллектором и эмиттером, для заданной величины тока базы.

Поскольку транзистор имеет тенденцию действовать как регулятор тока, ограничивая ток коллектора пропорцией, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию как стандартную меру производительности транзистора.

Бета-коэффициент транзистора

В частности, отношение тока коллектора к току базы известно как коэффициент Beta (обозначается греческой буквой β):

Иногда коэффициент β обозначается как «h fe » - метка, используемая в области математического анализа полупроводников, известной как «гибридные параметры», которая стремится достичь точного предсказания характеристик транзистора с помощью подробных уравнений.

Гибридных переменных параметров много, но каждая помечена общей буквой «h» и определенным нижним индексом. Переменная «h fe » - это просто еще один (стандартизованный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы, и она взаимозаменяема с «β». Коэффициент β безразмерен.

β для любого транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, чтобы два транзистора одной конструкции точно совпадали из-за физических переменных, влияющих на β.

Если конструкция схемы основана на равном соотношении β между несколькими транзисторами, «согласованные наборы» транзисторов могут быть приобретены за дополнительную плату. Однако обычно считается плохой практикой проектирования конструировать схемы с такими зависимостями.

β транзистора не остается стабильным при всех условиях эксплуатации. Для реального транзистора коэффициент β может изменяться более чем в 3 раза в пределах его рабочего тока.

Например, транзистор с заявленным β, равным 50, может фактически протестировать с отношениями I c / I b от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора, и частота усиленного сигнала, среди других факторов.

Для учебных целей достаточно принять постоянное значение β для любого данного транзистора; поймите, что в реальной жизни все не так просто!

Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.

Элементарный диодный резистор на транзисторе.

В этой модели транзистор представляет собой комбинацию диода и реостата (переменного резистора).Ток через диод база-эмиттер управляет сопротивлением реостата коллектор-эмиттер (как показано пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым управляя током коллектора.

NPN-транзистор смоделирован на показанном рисунке, но PNP-транзистор будет немного отличаться (только диод база-эмиттер будет перевернут). Эта модель успешно иллюстрирует основную концепцию транзисторного усиления: как сигнал тока базы может влиять на ток коллектора.

Однако мне не нравится эта модель, потому что она неверно передает понятие установленной величины сопротивления коллектор-эмиттер для данной величины тока базы. Если бы это было правдой, транзистор вообще не регулировал бы ток коллектора , как показывают характеристические кривые.

Вместо того, чтобы кривые коллекторного тока сглаживались после их кратковременного подъема по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, коллекторный ток был бы прямо пропорционален напряжению коллектор-эмиттер, постоянно возрастая по прямой линии на графике.

Лучшая модель транзистора, часто встречающаяся в более продвинутых учебниках, показана на рисунке ниже.

Модель источника тока транзистора.

Он представляет транзистор как комбинацию диода и источника тока, при этом выход источника тока установлен на кратное (коэффициент β) базовому току.

Эта модель намного точнее отображает истинные характеристики входа / выхода транзистора: ток базы устанавливает определенную величину тока коллектора , а не определенную величину сопротивления коллектора-эмиттера , как предполагает первая модель.

Кроме того, эта модель предпочтительна при выполнении сетевого анализа транзисторных схем, поскольку источник тока является хорошо изученным теоретическим компонентом.

К сожалению, использование источника тока для моделирования поведения транзистора по управлению током может вводить в заблуждение: ни в коем случае транзистор не будет действовать как источник электрической энергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, подобный усилителю.

Обзор

Считается, что транзистор находится в активном режиме , если он работает где-то между полностью включенным (насыщение) и полностью выключенным (отсечка).

Базовый ток регулирует ток коллектора. Под правилом , регулирующим , мы подразумеваем, что ток коллектора не может быть больше, чем позволяет ток базы.

Соотношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или «h fe ».

β отношения различны для каждого транзистора, а

β изменяется для разных условий эксплуатации.

Определение режима работы транзистора

| ЭлектроникаBeliever

Режим работы транзистора легко определяется с помощью математических уравнений. Не волнуйтесь; это не сложные уравнения. Транзистор может работать в трех режимах. Это отсечка, насыщенность и линейность. В отключенном состоянии транзистор просто не проводит ток; так что отправить транзистор в эту область не проблема. Вы можете просто сделать это, отключив базовый ток.

Для режима насыщения требуется больший базовый ток, чтобы транзистор перестал обеспечивать усиление тока. В режиме насыщения коллекторный ток больше не будет увеличиваться независимо от тока базы. Коллекторный ток ограничивается только сопротивлением коллектора.

Для линейного режима базовый ток не должен быть таким большим, чтобы сохранить свойство усиления транзистора. В принципе, при любом изменении тока базы происходит соответствующее изменение тока коллектора.Это изменение пропорционально усилению тока транзистора или бета.

Метод № 1 для определения режима работы транзистора: предположить насыщение

 

Первый способ - предположить, что цепь уже находится в состоянии насыщения. Когда схема находится в состоянии насыщения, ток коллектора можно определить, используя питание коллектора и сопротивление коллектора. В худшем случае вы можете пренебречь падением VCE на транзисторе.В этом методе определения режима работы транзистора, если критерий верен, вычисленные токи являются фактическими токами цепи.

Если базовый ток уже известен, можно решить проблему бета-схемы (βckt_max). Меньший базовый ток и более высокий ток коллектора дадут наихудший случай.

В вышеупомянутом методе, как только результаты критерия верны, работа в транзисторном режиме определенно является насыщением.

Пример определения режима работы транзистора с использованием метода № 1

 

В приведенном выше примере допуски учитываются, чтобы получить минимальный базовый ток и максимальный ток коллектора.Рассчитанная наихудшая бета схемы намного ниже минимального коэффициента усиления транзистора по току, указанного в таблице данных, поэтому нет сомнений в том, что транзистор работает в режиме насыщения.

В приведенном выше примере мы просто сравниваем бета-версию схемы с минимальной бета-версией транзистора согласно информации из таблицы данных. Поскольку критерий верен, вычисленный ток коллектора является фактическим током цепи. Базовый ток всегда является фактическим, независимо от операции.

Метод № 2 для определения режима работы транзистора: предположим линейный

 

В этом конкретном методе определения режима работы транзистора мы предполагаем, что схема работает в линейной области. Если вышеуказанный критерий верен, режим работы транзистора определенно линейный или активный.

Пример определения режима работы транзистора с использованием метода № 2

 

В приведенном выше примере заданное значение VCEsat транзистора равно 0.7В. Чтобы транзистор работал в режиме насыщения, вычисленное максимальное значение VCE должно быть ниже 0,7 В с большим запасом. Результирующее вычисленное значение VCE отрицательно, что означает значение ниже нуля и намного меньше 0,7 В, поэтому режим работы транзистора определенно является насыщением.

Ограничения любого метода

Метод 1 проще использовать, когда нет эмиттерного резистора, как в наших примерах выше. Его все еще можно использовать в схемах, имеющих эмиттерные резисторы, но это сложно.

Мы собираемся сравнить методы 1 и 2 в схеме ниже с эмиттерным резистором.

 

Использование метода № 1

 
 

Использование метода № 2

 

Исходя из приведенных выше решений, очевидно, что метод №1 трудно использовать в схемах с эмиттерным резистором. Но его очень просто использовать со схемами, не имеющими резистора эмиттера.

Связанные

Что такое рабочая точка транзистора? - Определение и объяснение

Определение: Точка, которая получается из значений I C (ток коллектора ) или V CE (напряжение коллектор-эмиттер) , когда на вход отсутствует сигнал называется рабочей точкой или Q-точкой в транзисторе. Это называется рабочей точкой, потому что изменения I C (ток коллектора) и V CE (напряжение коллектор-эмиттер) имеют место около этой точки, когда на вход не подается сигнал.

Рабочая точка также называется спокойной (тихой) точкой или просто Q-точкой, потому что это точка на I C - V CE характеристика, когда транзистор молчит или нет входного сигнала применяется к схеме. Рабочую точку можно легко получить методом линии нагрузки постоянного тока. Линия нагрузки постоянного тока поясняется ниже

.

Пусть, определяет рабочую точку конкретного тока базовой цепи I B .В соответствии с условиями линии нагрузки, OA = V CE = V CC и OB = I C = V CC / R C показано на кривой выходной характеристики выше. Точка Q - это рабочая точка, в которой линия нагрузки постоянного тока пересекает базовый ток I B на кривых выходных характеристик при отсутствии входного сигнала.

Где I C = OD мА

В CE = OC вольт.

Положение Q-точки зависит от применения транзистора.Если транзистор используется в качестве переключателя, то для открытого переключателя точка Q находится в области отсечки, а для закрытого переключателя точка Q находится в области насыщения. Точка Q находится посередине линии транзистора, который работает как усилитель.

Примечание: В области насыщения как область базы коллектора, так и область эмиттер-база находятся в прямом смещении, и через переход протекает сильный ток. А область, в которой оба перехода транзистора имеют обратное смещение, называется областью отсечки.

Что такое транзистор? Определение, символ, клеммы и условия эксплуатации

Определение: Транзистор - это полупроводниковое устройство, которое передает слабый сигнал от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Слова trans означают свойство передачи , а istor означают свойство сопротивления , предлагаемое соединениям. Другими словами, это переключающее устройство, которое регулирует и усиливает электрический сигнал, например напряжение или ток.

Транзистор состоит из двух PN-диодов, соединенных спина к спине. Он имеет три терминала, а именно эмиттер, базу и коллектор. Основа - это средняя часть, состоящая из тонких слоев. Правая часть диода называется эмиттерным диодом, а левая часть - коллекторно-базовым диодом. Эти названия даны по общему выводу транзистора. Эмиттерный переход транзистора подключен к прямому смещению, а переход коллектор-база подключен к обратному смещению, что обеспечивает высокое сопротивление.

Символы транзисторов

Существует два типа транзисторов, а именно транзистор NPN и транзистор PNP. Транзистор, который имеет два блока из полупроводникового материала n-типа и один блок из полупроводникового материала P-типа, известен как транзистор NPN. Точно так же, если материал имеет один слой материала N-типа и два слоя материала P-типа, то он называется транзистором PNP. Символ NPN и PNP показан на рисунке ниже.

Стрелка в символе указывает направление протекания обычного тока в эмиттере с прямым смещением, приложенным к переходу эмиттер-база.Единственная разница между транзисторами NPN и PNP заключается в направлении тока.

Клеммы транзистора

Транзистор имеет три вывода: эмиттер, коллектор и базу. Клеммы диода подробно описаны ниже.

Эмиттер - Секция, которая снабжает большую часть основного носителя заряда, называется эмиттером. Эмиттер всегда подключен с прямым смещением относительно базы, так что он подает основной носитель заряда на базу.Переход эмиттер-база вводит большое количество основных носителей заряда в базу, поскольку она сильно легирована и имеет умеренный размер.

Коллектор - Секция, в которой собирается основная часть основного носителя заряда, подаваемого эмиттером, называется коллектором. Коллектор-база всегда имеет обратное смещение. Его основная функция - удалить большинство зарядов из соединения с базой. Коллекторная часть транзистора умеренно легирована, но больше по размеру, так что она может собирать большую часть носителей заряда, подаваемых эмиттером.

База - Средняя часть транзистора известна как база. База образует две цепи: входную цепь с эмиттером и выходную цепь с коллектором. Цепь эмиттер-база смещена в прямом направлении и обеспечивает низкое сопротивление цепи. Коллектор-база имеет обратное смещение и обеспечивает более высокое сопротивление цепи. База транзистора слегка легирована и очень тонкая, из-за чего основная часть заряда подается на базу.

Работа транзистора

Обычно для изготовления транзисторов используется кремний из-за их высокого напряжения, большего тока и меньшей температурной чувствительности. Часть эмиттер-база, смещенная в прямом направлении, составляет базовый ток, протекающий через базовую область. Величина базового тока очень мала. Ток базы заставляет электроны перемещаться в область коллектора или создавать отверстие в области базы.

База транзистора очень тонкая и слабо легированная, из-за чего в ней меньше электронов по сравнению с эмиттером.Несколько электронов эмиттера объединяются с отверстием в основной области, а оставшиеся электроны перемещаются к области коллектора и составляют ток коллектора. Таким образом, можно сказать, что большой ток коллектора достигается изменением базовой области.

Условия эксплуатации транзистора

Когда эмиттерный переход находится в прямом смещении, а коллекторный переход находится в обратном смещении, то говорят, что он находится в активной области. Транзистор имеет два перехода, которые могут быть смещены по-разному.Различная рабочая проводимость транзистора показана в таблице ниже.

Состояние Эмиттерный переход (EB) Коллекторный переход (CB) Область действия
FR С прямым смещением С обратным смещением Активным
FF Прямое смещение Прямое смещение Насыщенность
RR Обратное смещение Обратное смещение Отсечка
RF с обратным смещением с прямым смещением с обратным смещением

FR - В этом случае переход эмиттер-база подключается с прямым смещением, а переход коллектор-база подключается с обратным смещением.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *