Транзистор схемы включения: СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Содержание

Сравнение схем включения транзисторов | Основы электроакустики

Сравнение схем включения транзисторов

 

Схемы включения биполярных транзисторов.  Сравнительные данные свойств транзисторов в схемах с ОБ, ОК и ОЭ приведены в табл. 132. В схеме с общей базой эмиттерный переход включен в прямом направлении, поэтому при незначительных изме­нениях напряжения ДUэ сильно меняется ток ДIэ, вследствие чего входное сопротивление транзистора rвх = ДUэ/ДIэ при UK=const мало (десятки омов). Коллекторный переход включен в обратном направлении, поэтому изменения напряжения на этом переходе ДUк незначительно влияют на изменения тока ДIк, вследствие чего вы­ходное сопротивление гвых = ДUк/ДIк при Iэ=const велико (до не­скольких мегаомов). Большое различие входных и выходных сопро­тивлений затрудняет согласование каскадов в многокаскадных уси­лителях. 

Таблица 132

Параметры

Сравнительные показатели свойств транзисторов в схемах

с общей базой

с общим эмитте­ром

с общим коллек­тором

Коэффициенты передачи по току

0,6 — 0,95

 

Десятки — сотни

Больше, чем в схеме с ОЭ

усиления по напря

жению

Тысячи

Меньше, чем в схеме с ОБ

0,7 — 0,99

усиления по мощности

Менее чем на  схеме с ОЭ

Большое (тысячи)

Меньше, чем в схеме с ОЭ

Сопротивление:

 

 

 

входное

 

 

Малое (единицы — десятки омов)

Большое (десятки —тысячи омов)

Большое (сотни килоомов)

 

выходное

 

Большое (тысячи омов — единицы мегаомов)

Сотни омов, —

десятки килоомов

Единицы омов — десятки килоомов

Сдвиг фаз

180°

В схеме с ОБ входным (управляющим) является ток Iэ, а выходным — ток Iк. Последний всегда меньше тока эмиттера, так как часть инжектируемых носителей заряда рекомбинирует в базе, по­этому а=ДIк/ДIэ<1. Коэффициент усиления по напряжению Kн в схеме велик, поскольку изменения токов на входе ДIэ и выходе ДIк почти одинаковы, а rВЫх>rвх. Коэффициент усиления по мощности также велик (Kм=аKн=1000). Эмиттерный переход включается в проводящем направлении, поэтому изменения тока 13, а следователь­но, и тока Iк происходят без фазового сдвига (Ф=0°).

В схеме с общим эмиттером управляющим служит ток базы Is — Is — Iк. Поскольку большинство носителей зарядов, инжектиру­емых эмиттером, достигает коллекторной области [Iк= (0,9 ч-0,99) Iэ] и лишь незначительная часть рекомбинирует в базе, ток базы мал: Iб=(0,01-0,1) Iэ. При этих условиях Kтэ = ДIк/ДIб>Kтб=ДIк/ДIэ и составляет 10 — 150. Усиление по напряжению примерно такое же, как и в схеме с ОБ. Благодаря высокому коэффициенту передачи тока эта схема обеспечивает большое (Kм до 10000) уси­ление по мощности.

Напряжение в схеме с ОЭ на входе U3 и выходе UK одного по­рядка, поэтому гВх=ДUэ/ДIэ здесь больше, чем в схеме с ОБ, и до­стигает десятков — тысяч омов. В этой схеме напряжение коллектор­ного источника Ек частично приложено к эмиттерному переходу, по­этому изменения ДUк вызывают большие изменения тока ДIк, вслед­ствие чего rвых=ДUк/ДIк при Iб=const меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает согласование каскадов в многокаскадных усилителях.

В схеме с ОЭ положительные полуволны подводимого напряже­ния сигнала действуют в противофазе с напряжением смещения, по­этому ток Iэ, а следовательно, и Iк уменьшаются; отрицательные полуволны сигнала действуют согласованно с напряжением смеще­ния, и токи 1д и Iк возрастают. В результате напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в выходной цепи, будет (по отношению к об­щей точке схемы) противофазным с напряжением подводимого сиг­нала (т. е. ф=180°).

В схеме с общим коллектором входным является ток Iб, а вы­ходным Iэ. Так как во входной цепи проходит малый ток базы, входное сопротивление rВX=ДUвх/ДIвх достигает десятков килоомов, Выходное напряжение в схеме приложено к эмиттерному переходу, поэтому малые изменения этого напряжения вызывают большие изменения Iэ, вследствие чего rВых=ДUвых/ДIвых мало (десятки омов).

Напряжение подводимого сигнала Uвх и выходное напряжение Uвых в схеме действуют встречно, т. е. U36 = Uвx — Uвых. Для полу­чения на эмиттерном переходе требуемого напряжения необходимо скомпенсировать выходное напряжение, что достигается при Uвх>Uвых. В этих условиях схема с ОК не дает усиления по напря­жению (Kн<1). Коэффициент передачи по току Kт=ДIэ/ДIб =ДIэ/(ДIэ — ДIк) = 1/(1 — а) здесь несколько больше, чем в схеме с ОЭ. Отсутствие усиления по напряжению приводит к снижению усиления по мощности против схем с ОБ и ОЭ.

В схеме отрицательные полуволны подводимого напряжения сигнала Uвх действуют встречно напряжению смещения, поэтому результирующее прямое напряжение на эмиттерном переходе и ток Iэ=Iб+Iк уменьшаются. При этом напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в цепи эмиттера, повторяет фазу напряжения подводи­мого сигнала, т. е. Ф=0 (эмиттерный повторитель). 

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями, (Сзи=1-20 пФ; Сзс=0,5-8 пФ; Сси<Сзи).

Входная емкость СВх.и = Сзи+СэС, проход­ная Спр.и = Сзс, выходная СВых.и=Сзс+ССи. Крутизна S характе­ристики Iс=Ф(Uз) представляет собой внешнюю проводимость пря­мой передачи и для транзисторов малой мощности составляет 0,5 — 10 мСм. Выходное сопротивление сравнительно велико (обычно многократно превышает сопротивление нагрузки), поэтому коэф­фициент усиления каскада &»5Rн достигает десятков единиц. Вход­ное сопротивление (если пренебречь областями очень низких и вы­соких частот) .носит емкостной характер; входная емкость Свх= — Сэя+SRнСзс. Поскольку междуэлектродные емкости малы, на па­раметры схемы существенно влияют емкости монтажа См= 1-5-3 пФ. Общая шунтирующая емкость С0=СЕ1+См определяет частоту верхнего среза fв.ср=1/(2пС0Rн).

Схема с ОЗ подобно схеме с ОБ не изменяет полярности сиг­нала и обеспечивает его-усиление по напряжению аналогично уси­лению сигнала в схеме с ОИ. Входное сопротивление гвх= U3m/Iит вследствие потребления от источника сигнала сравнительно боль­шого тока Iст=Iит=SUзот оказывается незначительным.

Выходное сопротивление rвых~rси(1+SRи) из-за влияния отрицательной об­ратной связи по току (элементом которой является внутреннее со­противление источника сигнала RИ) велико. Влияние емкостной составляющей входной проводимости мало (так как она шунтиро­вана сравнительно большой активной проводимостью gВх=1/rвх=S), поэтому каскад с ОЗ более широкополосен, чем схема с ОИ.

Схема с ОС не меняет фазу входного сигнала на выходе (истоковый повторитель), значительно усиливает ток (но не может усиливать напряжение), обладает высоким активным входным со­противлением, малой входной емкостью СВх = Сзс+С3и(1 — K), где K. = Ucm/UC3m=SRн/(1+SRн), и небольшим выходным сопротивле­нием r=l/S (близким к входному сопротивлению схемы с, ОЗ), большой широкополосностью благодаря малой входной емкости.

Схемы составных транзисторов. Составной транзистор пред­ставляет собой комбинацию двух (и более) транзисторов, соеди­ненных таким образом, что число внешних выводов этой комбинированной схемы равно числу выводов одиночного транзистора. Составной транзистор, выполненный по схеме сдвоенного эмиттер-ного повторителяне изменяет полярности сигнала, об­ладает большим коэффициентом передачи тока hzi=hziVihziVz, име­ет большое входное и малое выходное сопротивления.

Составной транзистор в виде усилителя на разноструктурных (р-n-р и n-р-n) транзисторах содержит два каскада с ОЭ с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поскольку каждый каскад изменяет полярность сигнала, в целом схема пред­ставляет собой неинвертирующий усилитель. С выхода схемы напряжение подается на вход (эмиттер первого транзистора) в про-тивофазе с входным сигналом, подводимым к цепи базы. Приве­денный составной транзистор обладает свойствами эмиттерного повторителя. Его коэффициент усиления меньше единицы, а из-за ОС входное сопротивление велико, выходное мало. Точкой малого выходного сопротивления является коллектор транзистора V2, так как от него начинается цепь ОС по напряжению, поэтому вывод коллектора транзистора V2 играет роль эмиттера составного тран­зистора, а вывод эмиттера V2 — роль его коллектора.

При выбранных структурах транзисторов, VI и V2 схема обладает свой­ствами р-n-р-транзистора.

Составной транзистор, выполненный по каскодной схеме представляет собой усилитель, в котором транзистор VI включен по схеме с ОЭ, a V2 — по схеме с ОБ. Схема эквивалент­на одиночному транзистору, включенному по схеме с ОЭ с пара* метрами, близкими к параметрам транзистора VI. Последний обла­дает высоким выходным сопротивлением, что обеспечивает транзи« стору V2 получение широкой полосы частот

Схемы включения биполярных транзисторов.

На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:

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

Схема включения с общей базой.

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

I_э = I_к + I_б

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

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

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

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

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

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

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

А что же это такое?

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

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

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

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

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала. В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

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

Получили такую красотищу 🙂 Если резисторы R_1 и R_2 равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора.

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

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

Схемы включения транзистора – для новичков в радиоделе

Рассматривая схемы разных электронных устройств, можно увидеть, что транзисторы далеко не всегда включены так, как нарисовано выше Действительно, мы использовали для входного сигнала выводы транзистора база и эмиттер А для выходного  сигнала использовали выводы коллектор и эмиттер Такое включение транзистора называется включением с общим эмиттером Эмиттер служит общим выводом и для входного, и для выходного сигнала

Уберём из схемы эксперимента приборы и источник питания Полученная схема выглядит так:

У транзистора три вывода Их назначение определяется конструкцией транзистора Но мы не обязаны использовать общим выводом для входного и выходного сигнала только эмиттер

Посмотрим, нельзя ли использовать в качестве общего  вывода, скажем, коллектор

С этой целью перенесём резистор R2 из цепи коллектора в цепь эмиттера

Рис 57 Основная схема включения транзистора

Мы уже говорили, что транзистор работает как усилитель тока Мы видели, что он усиливает и напряжение То есть, в конечном счёте, он усиливает мощность входного сигнала У схемы включения с общим эмиттером то преимущество, что сигнал усиливается и по току, и по напряжению Запомним это

На многих схемах источник сигнала включён между базой и общим проводом (землёй)

В этом случае может создаться впечатление, что коллектор не является общим для входного и выходного сигнала

Но это не так Батарейка в цепи питания (между общим проводом и коллектором) имеет такое маленькое внутреннее сопротивление, что можно считать, что общий провод и коллектор (в данной схеме) – это один и то же провод

Рис 58 Схема включения транзистора с общим коллектором

Рассмотрим в этой схеме включения напряжения на выходе и входе Мы прикладываем входное напряжение между базой и общим проводом, а снимаем выходное напряжение с эмиттера и общего провода Таки образом для входного напряжения (пусть это будет источник ЭДС) можно записать: Uвх = Uб-э + UR2 (которое будет Uвых)

Рис 59 Распределение входного напряжения в схеме с общим коллектором

Из распределения напряжений следует, что входное напряжение всегда будет оставаться больше выходного А из этого можно сделать вывод, что в схеме с общим коллектором нет усиления по напряжению, но только усиление по току Зачем тогда нужна такая схема включения, если мы проигрываем в усилении по мощности

Кроме усиления любой усилитель характеризуется рядом других параметров, которые могут быть важнее, чем усиление по напряжению Благодаря резистору R2 входное сопротивление (сопротивление схемы для входного сигнала) становится гораздо больше, чем для схемы с общим эмиттером Иногда большое входное сопротивление столь важно, что можно мириться с худшими усилительными свойствами каскада Благо мы можем добавить ещё один каскад, который включим по схеме с общим эмиттером, получив максимальное усиление по мощности

Мы использовали выводы эмиттер и коллектор в качестве общих выводов Осталась база Этот вывод транзистора тоже может дать включение транзистора, которое называется включением с общей базой Аналогично рассмотрению распределения  напряжения для  схемы с общим коллектором,  рассмотрим  распределение  токов  для схемы  с  общей  базой  Для  неё  входным

током будет ток эмиттера, а выходным ток коллектора Но мы знаем, что Iэ = Iк + Iб То есть, ток эмиттера всегда больше, чем ток коллектора, а, значит, усиления по току мы при таком включении транзистора не получим Что же мы выиграем

Вы помните верхнюю частоту среза для схемы с общим эмиттером Проделаем этот же опыт для схемы с общей базой

Рис 510 Амплитудно-частотная характеристика каскада с общей базой

Обычно схему с общей базой рисуют несколько иначе, но сейчас нас интересуют её частотные свойства Вы видите, что верхняя граничная частота для транзистора 2N2222 стала близка к 14 МГц (против 370 кГц) Такое включение, с общей базой, используют, например, при создании антенного усилителя для телевизора

Рис 511 Схема антенного усилителя для телевизора

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

        Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как , а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

       Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

               Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 3.7). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u1 и u2 заменяют закоротками (закорачивают).

Рис. 3.7. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)

     После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения uвх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором.

       Напряжение uбэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения uвых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

       Учитывая, что , можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.

       Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения uбэ, так и напряжения uвых.

       На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

Немного теории. Схемы включения транзисторов. | Старый радиолюбитель

Эта статья для тех, кто хочет вспомнить или узнать о трех схемах включения транзисторов, их применении.

У транзисторов три вывода: эмиттер, коллектор и база. Поэтому транзистор в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) .

Рис. 1. Включение транзистора по схеме с общей базой.

Рис. 1. Включение транзистора по схеме с общей базой.

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и высоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом). Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+h31э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+h31э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала.

На рис. 1 справа приведена реальная схема усилителя с общей базой. Входное сопротивление не превышает 100 Ом. База транзистора соединена с общим проводом через конденсатор С2, который представляет для высокочастотных сигналов очень малое сопротивление. Если усилитель работает на частотах более 30 МГц, то параллельно С2 нужно включить конденсатор с емкостью 1 нФ. Высокое сопротивление каскада составляет сотни килоом, что позволяет полностью включить в цепь коллектора высокодобротный колебательный контур L1C3. Чтобы полностью использовать усилительные свойства каскада, следующий каскад должен иметь очень высокое сопротивление (например, каскад на полевом транзисторе или эмиттерный повторитель). Каскад с ОБ имеет высокую стабильность и мало зависит колебаний напряжения питания, так как охвачен ООС по постоянному току через резистор R1.

Рис. 2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Рис. 2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току (а следовательно и по мощности). К особенностям данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка единиц кОм), и относительно высокое (порядка нескольких кОм) выходное сопротивление. Отличительная особенность — изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть — инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления по мощности схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК. В качестве усилительной характеристики транзисторов используется величина «h31э» — это статический коэффициент усиления данного экземпляра транзистора, включенного по схеме с Общим Эмиттером.

Справа на рис. 2 приведена реальная схема резонансного усилителя, где транзистор включен по схеме с ОЭ. У этой схемы имеются недостатки, по сравнению с ОБ. Имеется зависимость коэффициента усиления от частоты. Поэтому следует выбирать транзистор, граничная частота усиления которого по крайней мере в 1,5 раза превышает частоту, на которой будет работать каскад. Следует также выбирать тип транзистора с низким уровнем собственных шумов (особенно в первых каскадах усилителей с большим коэффициентом усиления). Схема с ОЭ не так стабильна, как с ОБ, так как не охвачена ООС по постоянному току. Это можно сделать, если включить в цепь эмиттера параллельно включенные резистор и блокирующий его конденсатор. Чтобы не снижать добротности резонансного контура, коллектор подключен к части его витков.

Рис. 3. Включение транзистора по схеме с общим коллектором.

Рис. 3. Включение транзистора по схеме с общим коллектором.

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Входное сопротивление каскада с ОК зависит от сопротивления нагрузки (Rн) и больше его (приблизительно) в h31э раз. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или резонансный контур с высокой добротностью. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Иногда такую схему называют Эмиттерным повторителем.

В схеме на рис. 3 конденсатор С3 замыкает токи высокой частоты на общий провод. Схема имет ООС по постоянному току через резистор R2.

Обобщим для ясности свойства всех схем в таблице:

Буду рад, если вам эта статья поможет.

Всем здоровья и успехов.

Биполярный транзистор. Схемы включения. Мгту «мами» — кафедра «автоматика и процессы управления

Транзистор, в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (а).

IК = f(UКБ) при IЭ = const (б).

Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ; 2 – слабая зависимость Iк от UКБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Входной характеристикой является зависимость:

IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (б).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКЭ) при IБ = const (а).

Режим работы биполярного транзистора

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы — усиление, генерация.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент – транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют выходную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Другие элементы схемы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Ек.

Резистор RБ, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора при отсутствии входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя IБ = Ек/RБ. С помощью резистора Rк создается выходное напряжение. Rк выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Ек = Uкэ + IкRк,

сумма падения напряжения на резисторе Rк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания Ек.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

5)Что такое полевой транзистор? Какие виды бывают?

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором ре-

гулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего

канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполяр-

ного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и

затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и ис-

током. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость кана-

ла, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно

рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Ес-

ли амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротив-

ление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае поле-

вой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

С управляющим p–n-переходом;

С металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком.

Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл –

диэлектрик – полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является

двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-

транзисторы (металл – окисел – полупроводник). В современных МОП-

транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический

кремний. Однако название МОП-транзистор используют и для таких приборов.

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной

или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор

называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную про-

водимость, называют p-канальными. В МОП- транзисторах канал может быть

обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой

транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых прибо-

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электро-

нике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полно-

стью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими при-229

чинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивле-

ние и обеспечивают малое потребление энергии. Во-вторых, МОП-транзисторы

занимают на кристалле интегральной схемы значительно меньшую площадь,

чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП-

интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии производства

интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций,

чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.

6)Что такое стабилитрон? Объясните принцип его работы. Нарисуйте его вольт-амперные характеристики.

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольтамперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения.

Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р-n -перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т. е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.

Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р-n -перехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р-n -перехода пробой носит лавинный характер.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 6.1 Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.

Рис. 6.1. Конструкция корпуса (а), вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение стабилитрона

Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН)

.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН. (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Температурная зависимость вольт-амперной характеристика стабилитрона

Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов последовательно в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. Как известно, у обычных диодов в прямом направлении падение напряжения на р-n -переходе при нагревании уменьшается. И если последовательно со стабилитроном (рис. 6.3) включить диодов в прямом направлении, где , (– изменение прямого падения напряжения на диоде при нагревании отдо), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона.

Рис. 6.3. Термокомпенсация стабилитрона

Основные параметры стабилитронов:

Предельные параметры стабилитронов:

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от , а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку и в результате получается схема с 4-мя резисторами:


Резистор между базой и эмиттером назовем R бэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R э . Теперь, конечно же, главный вопрос: «Зачем они нужны в схеме?»

Начнем, пожалуй, с R э .

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->R к ——> коллектор—> эмиттер—>R э —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как I э = I к + I б ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

R кэ — это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения , где


Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе R э .

А чему равняется падение напряжения на R э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R э . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы R б и R бэ ?


Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения . Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к R э.

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R э .

б) падение напряжения на резисторе R э — это и есть напряжение на эмиттере U э . Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U э стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение U б , образованное делителем из резисторов R б и R бэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U бэ = U б — U э . Следовательно, U бэ станет меньше, так как U э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз U бэ уменьшилось, значит и сила тока I б , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.

е) Выводим из формулы ниже I к

I к =β х I б

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток;-) Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R э . Забегая вперед, скажу, что О трицательная О братная С вязь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада


1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

P рас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на U кэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

U кэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

I к = P рас / U кэ = 120×10 -3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах R к и R э . То есть получаем:

R к + R э = (Uпит / 2) / I к = 6 / 20х10 -3 = 300 Ом.

R к + R э = 300 , а R к =10R э, так как K U = R к / R э , а мы взяли K U =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10R э + R э = 300

11R э = 300

R э = 300 / 11 = 27 Ом

R к = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы I базы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.


Значит,

I б = I к / β = 20х10 -3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения I дел , образованный резисторами R б и R бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I б :

I дел = 10I б = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

U э = I к R э = 20х10 -3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

U б = U бэ + U э

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U бэ = 0,66 Вольт . Как вы помните — это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, U б =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта . Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на R б называется U 1 , а падение напряжения на R бэ будет U 2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

R б = U 1 / I дел = 10,8 / 1,4х10 -3 = 7,7 КилоОм . Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

R бэ = U 2 / I дел = 1,2 / 1,4х10 -3 = 860 Ом . Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:


Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:


Итак, беру свой и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма — это входной сигнал, желтая осциллограмма — это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты :


Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:


Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала


Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых , эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI .

Во-вторых , ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

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

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

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

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

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

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

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

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики


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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

Также параметрами биполярного транзистора являются:

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

Схемы включения биполярных транзисторов

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

Схема включения с общим эмиттером

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

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

Схема включения с общей базой

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

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

Схема включения с общим коллектором

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

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

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

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

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

Два слова о каскадах

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

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

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

Другие области применения биполярных транзисторов

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

Маркировка

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

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

Теги: Добавить метки

Введение

Современную жизнь трудно представить без хорошо развитой электроники.

Но современная аппаратура обеспечивается совокупностью электротехнических и электронных устройств различной сложности, состоящих из элементов, к которым приложены электрические напряжения или протекают электрические токи. Сколь угодно сложные электронные устройства, в конечном счете, состоят из разнообразных электронных приборов, обладающих вполне определенными свойствами. Таким образом, чтобы разрабатывать, изготавливать или эксплуатировать различную аппаратуру, следует, прежде всего, знать процессы, происходящие в электронных приборах при различных условиях, а также законы, которым подчиняются эти процессы, т.е. освоить основы электроники.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°. Усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Режимы работы биполярного транзистора

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы бывают биполярные и полевые.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n или p-n-p, которые называют соответственно эмиттером, базой и коллектором.

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) U ЭБ >0;U КБ

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор.

В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором.

Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

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

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

Схемы включения

Схема включения с общим эмиттером

U вых = U кэ

· Коэффициент усиления по току:

I вых /I вх =I к /I б =I к /(I э -I к) = α/(1-α) = β [β>>1]

· Входное сопротивление:

R вх =U вх /I вх =U бэ /I б

Достоинства:

· Большой коэффициент усиления по току

· Большой коэффициент усиления по напряжению

· Наибольшее усиление мощности

· Можно обойтись одним источником питания

· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

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

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

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

Как работают транзисторы?

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

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

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

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

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

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

Параметры транзисторов

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

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

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

1. Схема с ОК

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

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

2. Схема с ОБ

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

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

3. Схема с ОЭ

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

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

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

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

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

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

Режимы работы

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

1. Режим отсечки

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

2. Активный режим

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

3. Режим насыщения

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

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

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

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

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

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

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

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

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

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

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

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

Работа в режиме переключения

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

Заключение

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

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

Схемы включения БТ – В помощь студентам БНТУ – курсовые, рефераты, лабораторные !

Схемы включения БТ

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3,в). Потенциал общего электрода принимается за нулевой (земля). Отсчёт напряжений на остальных электродах производится относительно точки нулевого потенциала. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рис. 1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы.

  1. Активный режим – эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный – в обратном направлении (закрыт) (режим, при котором транзистор обладает активными свойствами, т.е. способен обеспечивать усиление по мощности).
  2. Режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении (закрыты) (в этом режиме транзистор заперт и ток его близок к нулю).
  3. Режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении (открыты) (в этом режиме транзистор полностью открыт и протекающий ток равен максимальному значению).
  4. Инверсный режим – коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В таком режиме коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер – роль коллектора. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

 

Примечание: Скорость перехода транзистора из открытого состояния в закрытое и обратно главным образом зависит от переходных процессов в базе, связанных с накоплением и рассасыванием неравновесных носителей зарядов.

Принцип действия транзистора

Принцип действия транзисторов n-p-n и p-n-p типов одинаков, различие заключается лишь в полярности внешних напряжений и типа основных носителей, инжектированных в область базы.

Принцип действия транзистора принято рассматривать в активном режиме работы с общей базой (рис. 3, а). Под действием внешнего напряженияUэб эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а под действием Uкб коллекторный переход – в обратном.

При увеличении Uкб снижается потенциальный         барьер эмиттерного перехода, а так как концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, то происходит инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Это вызывает протекание токов инжекцииIэп –  электронного и Iэр – дырочного. Так как число дырок в области базы значительно меньше количества электронов в области эмиттера, то Iэп<<Iэр.

Для количественно оценки составляющих полного тока эмиттерного перехода вводят параметр – коэффициент инжекции или эффективность эмиттерного перехода:

который показывает, какую долю от общего тока эмиттера составляет ток инжектированных в базу носителей заряда (в данном случае электронов). На практике коэффициент инжекции оказывается близким к единице (=0,98…0,995). Дырки, инжектированные из области базы в область эмиттера, полностью рекомбинируют. В дальнейшем этот процесс не рассматривается, поскольку инжекция электронов из эмиттера в базу является доминирующей.

Электроны, инжектированные в базу, создают в ней вблизи p-n перехода неравновесную концентрацию носителей, которая нарушает электронейтральность области базы. Для сохранения электронейтральности из внешней цепи от источника питанияUэб дырки через вывод базы устремляются к эмиттерному переходу, создавая ток

. Таким образом, входная цепь эмиттер – база оказывается замкнутой, во внешней цепи протекает входной ток – ток эмиттера Iэ. Часть подошедших к эмиттерному переходу дырок рекомбинирует с инжектированными электронами, а вследствие разности концентраций (в диффузионных транзисторах)  и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых) электроны и дырки движутся вглубь базы к коллекторному переходу. Так как ширина базы значительно меньше диффузионной длины электронов, то большинство инжектированных электронов не успевает рекомбинировать. Электроны, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в ускоряющее полеUкб, экстрагируют (втягиваются) в коллектор, создавая ток коллектора Iкп, а подошедшие дырки отталкиваются полем коллекторного перехода и возвращаются к базовому выводу. Таким образом, выходная цепь – (коллектор–база) оказывается замкнутой и в ней протекает ток Iк.

Процесс переноса неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса: 

величина которого зависит от ширины базы, диффузионной длины носителей и близка к единице: 0,988…0,995.

Экстракция электронов может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Процесс умножения носителей оценивается коэффициентом лавинного умножения:

В связи с этим ток коллектора, вызванный инжекцией основных носителей заряда через эмиттерный переход, равен: , где h31б=– статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Кроме управляемого тока коллектора, который зависит от количества носителей, инжектированных из эмиттера в базу и экстрагированных из базы в коллектор с учётом коэффициента лавинного размножения, протекает обратный неуправляемый токIкбо . Причина появления этого тока обусловлена дрейфом неосновных носителей базы и коллектора к обратносмещённому коллекторному переходу и их экстракцией через него. Этот ток имеет такую же природу, как и обратный ток полупроводникового диода. Поэтому его называют обратным током коллекторного перехода.

Таким образом, принцип действия транзистора основан на следующих физических процессах:

  1. Инжекция носителей через прямосмещённый эмиттерный переход;
  2. Рекомбинации и диффузионном переносе носителей через область базы от эмиттерного к коллекторному переходу;
  3. Экстракции носителей через обратносмещённый коллекторный переход.

 

Основные параметры транзистора в схеме с общей базой

На практике чаще всего используются два семейства ВАХ транзисторов – входные и выходные. Входные характеристики определяют зависимость входного тока (базы или эмиттера в зависимости от способа включения транзистора) от напряжения между базой и эмиттером при фиксированных значениях напряжения на коллекторе. Выходные характеристики определяют зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при фиксированных значениях тока базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора). Входные характеристики имеют вид, аналогичный характеристикам диодов: ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения база-эмиттер. При повышении и понижении температуры входные характеристики смещаются в сторону меньших и больших входных напряжений соответственно. Напряжение между базой и эмиттером для кремниевых транзисторов уменьшается примерно на 2 мВ при увеличении температуры на каждый градус Цельсия. Особенностью выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-базаUкб. При больших напряжениях Uкб происходит пробой коллекторного перехода. При увеличении температуры выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного токаIко . У транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток коллектора более сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем коллекторном напряжении, чем для включения транзистора по схеме с ОБ. При повышении температуры выходные характеристики значительно смещаются в сторону больших токов, их наклон сильно увеличивается.

ВАХ транзисторов и диодов снимаются на постоянном токе (по точкам) или с помощью специальных приборов — характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева приборов.

Входные и выходные характеристики транзисторов используются для расчета цепей смещения и стабилизации режима, расчета конечных состояний ключевых схем (режима отсечки, насыщения).

 

Рассмотрим способы измерения основных характеристик биполярных

транзисторов.

Вольтамперные характеристики. Схема для исследования ВАХ транзистора показана на рисунке 7. Семейство входных ВАХ снимается при фиксированных значениях Ukб  путем изменения тока Iэ и измерения Uэб.

Семейство выходных ВАХ снимается при фиксированных значениях Ie, путем изменения напряжения Ukб, и измерения Ik.

Основными параметрами транзисторов в схеме с общей базой являются:

  • Дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока:
  • Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:
  • Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:
  • Коэффициент внутренней связи по напряжению, характеризующий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное:

При определении параметров приведенных выше с помощью ВАХ транзисторов производные заменяют конечными приращениями соответствующих величин.

Статические коэффициенты передачи тока эмиттера (a) и базы (β) определяются в соответствии с выражениями:

 

Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ Н21Б и Н21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами:Н21Б и Н21Э.

Величины Н21Б и Н21Э могут быть найдены двумя способами:

• решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из них токов;

• анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н21Б и Н21Э будут выражены через величины электрических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему)n-р-n транзистора

На частотные свойства БТ влияют СЭ, СК и r½ ББ, а также время пролета носителей через базу t Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н21Б, который становится комплексным, следующим образом:

,

где Н21Б0- коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f – текущая частота, fН21Б- предельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½ Н21Б½ на предельной частоте fН21Б снижается в

раз.

Сдвиг по фазе между входным и вых. токами определяется формулой:

Для схемы с ОЭ известно соотношение

Подставляя ( ) в ( ) получим

,

где

.

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота fГР – это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½ Н21Э½ =1. Из формул  получим, что fГР» fН21Э× Н21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности КP> 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, где fН21Б-предельная частота в мегагерцах;
r1ББ-объемное сопротивление в омах; CК-емкость коллекторного перехода в

пикофарадах; fМАКС-в мГц.

Частота на которой модуль коэффициента передачи, a уменьшается в

раз по сравнению с его значением на низкой частоте, называется граничной частотой fгр.Величина fгр для схемы с ОБ определяется из соотношения fгр = п / tD, где tд = W * W / 2Dр – среднее время диффузии носителей.

Граничные частоты для схемы с ОБ и ОЭ связаны формулой:

Wб = W * (1 – a0) = Wa /(1 + B0),

где B – модуль коэффициэнта передачи тока базы при W = 0. Граничная частота в схеме с ОЭ в 1 + B0 раз меньше чем в схеме с ОБ.

Чтобы охарактеризовать частотные свойства транзистора широко используются частотные характеристики; представляющие собой зависимость модуля коэффициента передачиa от частоты (АЧХ) (ФЧХ) С увеличением частоты W увеличивается сдвиг по фазе, обусловленный влиянием инерционных процессов при прохождении не основных носителей через базу; и в конечном счете уменьшается коэффициентa. Уменьшение коэффициента a происходит в результате того, что с повышением частоты ток коллектора отстает от тока эмиттера.

Как использовать транзистор в качестве переключателя с примерами схем

Транзистор — это электронный компонент, который также используется в качестве цифрового переключателя. Хотя работает он аналогично механическому переключателю. Но цифровой сигнал с высокой логикой управляет этим переключателем по сравнению с традиционными кнопками. Мы управляем традиционными переключателями вручную, применяя механическую силу.

Введение в транзистор

Мы разрабатываем этот цифровой переключатель, соединяя полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом.Когда мы комбинируем полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом, между ними образуется переход. Этот переход также известен как PN-переход или транзистор. Этот PN-переход контролирует поток тока через соединение. Но этот переход разрывается из-за подачи правильного напряжения смещения на контакты транзистора.

Транзисторы бывают двух типов, таких как NPN и PNP. Это трехконтактное устройство. Эти терминалы:

  • База (при использовании в качестве переключателя мы применяем управляющую логику к этой клемме)
  • Коллектор
  • Эмиттер

Когда мы прикладываем напряжение смещения к клемме базы, PN-переход выходит из строя.После этого ток может течь между выводами коллектора и эмиттера. В противном случае прямой ток не может протекать через устройство.

можно проверить эти практичные транзисторы: 2N2222, MPSA42, 2N3906

Использование транзистора в качестве переключателя

Теперь узнаем:

  • Как использовать транзистор в качестве переключателя в схемах электроники
  • Как использовать его в качестве переключателя в проектах микроконтроллеров.

Где использовать?

В любом приложении нам нужно связать транзистор с микроконтроллером . Но вопрос, который может возникнуть у вас, зачем нам нужно сопрягать транзистор с микроконтроллером? Поскольку выводы микроконтроллера не могут обеспечивать выходной ток более 3 мА и напряжение более 5 В. Если мы хотим подключить нагрузку, требующую более высокого рабочего тока, более 3 мА, микроконтроллер сгорит. Многим выходным устройствам потребуется схема переключения транзисторов для работы с нагрузкой с высокими требованиями к току, такой как реле, соленоиды и двигатели.

Как им пользоваться?

На этой диаграмме показаны три рабочие области транзистора, такие как область насыщения, активная область и область отсечки.В области насыщения он остается полностью включенным. В отрезанной области он остается полностью отключенным. Для переключения нам нужно, чтобы это устройство работало либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. Следовательно, мы можем игнорировать точку Q и переключать ее между областями насыщения и среза.

Как работают транзисторы в качестве переключателя?

Как мы видели ранее, мы можем использовать только два региона. Теперь посмотрим, как транзистор работает в этих областях.

Область отключения также известна как полностью выключенный режим.В этом режиме он действует как разомкнутый переключатель. Чтобы устройство работало в отключенном режиме, необходимо подключить к обоим переходам напряжение обратного смещения. Следовательно, в этом рабочем состоянии ток не может течь между выводом коллектора и эмиттера из-за разрыва цепи между этими выводами.

В области насыщения транзистор остается в полностью открытом режиме. Максимальный ток, который может протекать через коллектор к эмиттеру, зависит от номинальной емкости транзистора. Мы обеспечиваем прямое смещение напряжения между базой и выводом эмиттера.Это работает как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Напряжение смещения обычно превышает 0,7 В.

Пример цифровых логических переключателей

Это устройство на основе PN-перехода имеет множество применений, таких как интерфейс с сильноточной нагрузкой, интерфейс реле и взаимодействие двигателей через микроконтроллеры. Но во всех этих приложениях основная цель — переключение.

На этой схеме показан пример управления мощными нагрузками, такими как двигатели, лампы и обогреватель.

  • В этой схеме мы хотим управлять нагрузкой 12 В с цифрового логического логического элемента И. Но выход логического элемента И составляет всего 5 В.
  • Используя транзистор в качестве переключателя, мы можем управлять нагрузкой 12 В или даже высоким напряжением с помощью цифрового логического сигнала 5 В.
  • Мы также можем использовать эти устройства для более быстрого переключения и управление широтно-импульсной модуляцией в отличие от традиционных механических переключателей

Пример управления двигателем

В этом примере мы используем управление двигателем постоянного тока с помощью переключателя.Полупроводниковый прибор действует как переключатель. На этой схеме мы можем предоставить управляющий сигнал с любого микроконтроллера, такого как Arduino, платы разработки STM32F4.

Резистор с выводом базы является токоограничивающим резистором. Поскольку контакты GPIO любого микроконтроллера могут обеспечивать базовый управляющий ток менее 20 мА. Кроме того, D1 — это диод свободного хода, который контролирует обратную ЭДС двигателя. Обходит эффект обратной ЭДС. Мы можем использовать любой транзистор в зависимости от номинальной мощности двигателя.

В заключение, если управляющий сигнал на базовом входе равен 0 вольт. Он подаст сигнал ВКЛ. Потому что мы используем переключатель PNP в этой примерной схеме. Точно так же он останется выключенным, его управляющий сигнал будет ВЫСОКИЙ.

Транзистор

как переключатель с Arduino Пример

На этой схеме показано взаимодействие Arduino с NPN-транзистором и двигателем. Эта схема предназначена только для демонстрационных целей. Потому что мы обеспечиваем питание нагрузки через питание Arduino.В этом примере мы можем управлять только 5-вольтовым двигателем постоянного тока. Если вам нужно управлять двигателем большой мощности, следует использовать специальный силовой транзистор и отдельный блок питания.

Транзистор как переключатель Пример моделирования Proteus

Этот пример является точной копией предыдущей схемы. Но вместо него используется транзистор NPN. Следовательно, управляющие сигналы будут действовать наоборот.

Транзистор как переключатель Примеры

В этом разделе мы увидим различные примеры использования транзистора в качестве переключателя.

Два транзистора в качестве переключателя Пример

В этой схеме два транзистора. В первом транзисторе база заземлена, и ток в нее не может течь. В результате транзистор «выключен», и ток не может течь через лампочку. В другом случае ток течет в базу, поэтому транзистор включен, и ток может течь через него, что приводит к включению лампочки.

В этом примере два резистора установлены так, что база транзистора находится под достаточно высоким напряжением, чтобы ток мог течь в нее, и, как следствие, транзистор включен.В результате ток проходит через лампочку, которая излучает свет.

Управление током базы транзистора с помощью потенциометра

В этом случае ток, протекающий в базу, можно изменять. Если ток большой, транзистор включен и лампочка горит. Если стрелка на потенциометре перемещается вниз, ток в базе падает до тех пор, пока транзистор не выключится и ток через лампочку не перестанет течь.

Управляющее реле с транзистором в качестве переключателя

В этом примере принцип такой же, как и в предыдущем примере схемы, за исключением того, что вместо включения и выключения лампочки активируется катушка реле, которая, в свою очередь, включает лампочки во вторичной цепи.

Управление работой транзисторного переключателя с помощью конденсатора

В этой примерной схеме используется конденсатор для управления током, протекающим к клемме базы транзистора. Первоначально конденсатор заряжается через резистор над ним. В конце концов, верхняя пластина конденсатора достигает такого потенциала, что ток начинает течь в базу транзистора, включая транзистор и заставляя лампочку светиться.

Также следует отметить, что лампа остается выключенной, пока внутри конденсатора не накопится достаточно заряда, который может обеспечить ток включения на вывод базы транзистора.

В этой примерной схеме конденсатор заряжается до тех пор, пока его нижняя пластина не будет иметь такой низкий потенциал, что ток не может протекать через базу транзистора. В результате транзистор сначала включен, но через некоторое время отключается. В этой и последней схемах присутствует эффект синхронизации. По прошествии определенного периода времени, который можно определить выбором резистора и конденсатора, транзистор либо включается, либо выключается.

Схема транзистора в этом примере в качестве переключателя аналогична схеме из предыдущего примера, за исключением того, что, изменяя значение переменного резистора, можно изменять время, которое проходит до включения транзистора.

Видеолекция

В приведенной выше схеме логический пробник используется в качестве входа от микроконтроллера, а диод D1 используется в качестве свободно вращающегося диода, чтобы позволить току течь, когда устройство находится в выключенном состоянии. Помните, что мы использовали 3904 только для демонстрации. При выборе транзисторов следует учитывать максимальный ток, который может протекать через транзистор во включенном состоянии. Вход микроконтроллера используется только для управления транзистором во включенном или выключенном состоянии, как показано на рисунке ниже.

Обратите внимание, что обычно к выходному устройству подключают диод подавления обратной ЭДС. Это важно для таких устройств, как реле, соленоиды и двигатели, которые создают обратную ЭДС, когда остается питание для отключения.

На практике мы использовали в основном реле для сильноточных нагрузок. В этом случае транзистор, используемый для управления реле и нагрузкой, соединен с реле.

Транзистор в качестве переключателя Применения

  • Контроллер высоковольтных ламп, двигателей и нагревателей
  • Высокочастотное переключение с широтно-импульсной модуляцией
  • Действует как усилитель

Статьи по теме:

Низкая сторона vs.Транзисторный ключ высокого уровня

Обычная задача транзистора — это включение и выключение устройства. Существует две конфигурации транзисторного переключателя: со стороны низкого и высокого уровня. Расположение транзистора определяет тип схемы и ее название. Любая конфигурация транзистора может использовать BJT или MOSFET.

В этом посте я рисую конфигурацию для обоих типов транзисторов, рассказываю о том, для чего требуется драйвер, и объясняю, почему вы должны использовать любой из них. Если вы плохо знакомы с транзисторами, ознакомьтесь с ссылками на ресурсы внизу.У меня есть несколько видеороликов, которые я снял, и некоторые из «Учебной схемы element14», которые отлично справляются с внедрением транзисторов.

Конфигурация транзисторов нижнего плеча

Когда транзистор заземлен, это означает, что нагрузка находится между + V и транзистором. Поскольку транзистор переключает путь на землю или находится на стороне низкого напряжения нагрузки, он называется переключателем на стороне низкого напряжения.

Обычно они используют NPN BJT или N-канальный MOSFET.

Примеры транзисторов нижнего уровня (обратите внимание, что полевой транзистор имеет понижающий резистор.)

Для NPN BJT эмиттер подключается к земле, а коллектор подключается к отрицательной стороне нагрузки. В качестве переключателя BJT работает в режиме насыщения. Насыщение означает, что ток базы достаточен для полного включения транзистора.

Для N-канального MOSFET исток подключается к земле, а сток подключается к отрицательной стороне нагрузки. Хотя вы можете использовать JFET для этой схемы, MOSFET в режиме улучшения работает лучше.

Переключатель на транзисторах верхнего плеча

Переключатель на стороне высокого давления противоположен переключателю на стороне низкого давления.Этот транзистор соединяет + V и нагрузку. Из-за того, как работают транзисторы, их может быть немного сложнее использовать в схеме Arduino или Raspberry Pi.

Обычно они используют PNP BJT или MOSFET с P-каналом.

Транзисторы верхнего плеча (обратите внимание, что полевой транзистор имеет подтягивающий резистор.)

Для PNP BJT эмиттер подключается к источнику напряжения, а коллектор подключается к положительной стороне нагрузки. Глядя на схематический рисунок для NPN и PNP, PNP может выглядеть так, как будто он перевернут.Как и NPN, PNP BJT должен работать в области насыщения, чтобы полностью включить транзистор.

Для МОП-транзистора с P-каналом, исток подключается к источнику напряжения, а сток подключается к положительной стороне нагрузки. Как и в случае с нижней стороной, вы, вероятно, захотите использовать MOSFET в режиме улучшения. Имейте в виду, что вы никогда не найдете P-Channel в режиме истощения. Они существуют только в учебниках и как ошибки при вводе данных.

МОП-транзистор с каналом P с одинаковым напряжением нагрузки

При использовании транзистора P-типа при напряжении нагрузки, которое имеет тот же уровень напряжения, что и сигнал, управляющий транзистором, приведенная выше схема работает нормально.Ну, логика перевернута, но в остальном все в порядке. Для подробного объяснения ознакомьтесь с этим постом, который я написал в Учебном пособии по P-Channel MOSFET только с положительным напряжением.

Когда напряжение нагрузки ВЫШЕ, чем напряжение сигнала, вам нужен драйвер. Затем давайте посмотрим, как драйвер используется с транзисторными переключателями низкого и высокого уровня.

Транзистор управляет другим транзистором

Схема задающего транзистора — это схема, которая управляет другим транзистором. Эта схема отличается от пары Дарлингтона BJT, которая представляет собой BJT с высоким коэффициентом усиления.Вместо этого используется драйвер транзистора, когда напряжение (или ток) управляющего сигнала несовместимо с нагрузочным транзистором. Ниже приведены два случая, когда вам может потребоваться драйвер транзистора. Это ни в коем случае не единственные. Поэтому, если вы знаете о каком-либо случае или подозреваете, что он вам нужен, оставьте комментарий.

Примеры транзисторных драйверов

Сильноточные полевые МОП-транзисторы имеют значительный порог Vgs. Хотя 5 вольт на выводе Arduino GPIO может быть достаточно для включения транзистора, этого недостаточно для его насыщения.Пока полевой транзистор не будет насыщен, его Rds-ON может быть относительно высоким, ограничивая максимальный ток, который он может выдержать.

Часто используется драйвер NPN с PNP BJT или P-канальным MOSFET, когда напряжение нагрузки выше, чем напряжение сигнала. Без драйвера транзистор может никогда не выключиться. Драйвер, по сути, повышает управляющее напряжение до достаточно высокого уровня, чтобы не смещать переход Vbe или Vgs транзистора. Мой учебник по ШИМ-вентилятору для ПК — это пример того, как Arduino управляет 12-вольтовым вентилятором через PNP.

Зачем вообще заморачиваться с транзисторами верхнего плеча?

Как для BJT, так и для MOSFET транзисторов их P-тип обычно имеет большее сопротивление (или более низкую допустимую нагрузку по току), чем их аналоги N-типа. По этой причине некоторые могут прийти к выводу, что вам всегда следует использовать N-тип в конфигурации низкого уровня.

Однако сделайте шаг назад и подумайте на секунду, что делают два разных типа схем. Переключатель нижнего плеча подключает массу, в то время как выключатель верхнего плеча подключает источник напряжения.Как правило, в цепи вы хотите, чтобы земля оставалась подключенной, а питание переключалось. Одна из причин заключается в том, что даже когда транзистор полностью открыт, на нем все еще есть небольшое падение напряжения. Это падение напряжения означает, что заземление этого устройства не равно 0 вольт. Для чего-то простого, например, светодиода, не имеет значения, что вы переключаете. Однако активное устройство, такое как микроконтроллер, нуждается в заземлении! Поэтому, когда у вас есть нагрузка, которая требует заземления, вам НЕОБХОДИМО использовать переключатель высокого напряжения.

Как простое практическое правило, если вы включаете и выключаете устройство, переключатель нижнего уровня является простым решением.Однако, если вы подаете питание на всю цепь или устройство, чувствительное к напряжению, вам следует использовать переключатель высокого напряжения.

Между прочим, есть готовые компоненты, называемые «выключателем нагрузки». Это ИС, которые имеют полевой МОП-транзистор с P-каналом в качестве переключающего транзистора со встроенным драйвером для этого P-канала. Для компонентов этого типа не требуется внешний драйвер.

Ссылки по основам транзисторов

(для справки)

  • Схема обучения, как работают транзисторы.Карен объясняет с нуля, как работают биполярные переходные транзисторы (BJT). В сети есть много объяснений физики транзисторов, но Карен — самая ясная из тех, с которыми я сталкивался.
  • Цепь обучения, обратная связь BJT. В этом эпизоде ​​TLC я присоединился к Карен и рассмотрел некоторые заблуждения сообщества (и я подозреваю, что другие) в видео, указанном выше.
  • АддОм, БЮЦ. Видео, которое я сделал о БЮТ. Я не буду вдаваться в подробности того, как работают электроны, но вместо этого покажу, как их использовать в цепи.
  • AddOhms, МОП-транзисторы. Вторая часть моих видео о транзисторах. В этом выпуске я объясню, как использовать полевые МОП-транзисторы. (Это видео является самым популярным на моем канале YouTube с миллионом просмотров.)

Общие сведения о биполярных транзисторных переключателях


Табличка 1

Льюиса Лофлина

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

Здесь нас интересует только их использование в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, такими как реле, лампы, двигатели и т. Д. Они выпускаются в различных корпусах и стилях корпуса.


Табличка 2

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

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



Пластина 3

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

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

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

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

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

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

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

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.
  

Значения hfe представляют усиление постоянного тока — небольшой ток база-эмиттер создает больший ток эмиттер-коллектор.

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



Пластина 4

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

Если провода DVM перевернуты, ток не протекает. Падение напряжения на PN-переходе с прямым смещением составляет примерно 0,6В.



Пластина 5

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



Пластина 6

На пластине 6 мы используем транзистор TIP41 NPN, рассчитанный на 6 ампер и минимальную hfe 20. Всегда принимайте наименьшее hfe из спецификаций транзисторов!

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

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

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



Пластина 7

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



Пластина 8

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

Q2 также будет известен как предварительный драйвер.



Табличка 9

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



Пластина 10

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

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

Время переключения транзистора

Время переключения транзистора:

Для времен переключения транзисторов скорость переключения устройства может быть важной величиной. Рассмотрим схему на рис. 8-18 (а). Когда подается базовый входной ток, транзистор не включается сразу.Как и частотная характеристика, время переключения транзисторов зависит от емкости перехода и времени прохождения электронов через переходы. Время между подачей входного импульса и началом протекания тока коллектора называется временем задержки (t d ) [см. Рис. 8-18 (b)]. Даже когда транзистор начинает включаться, проходит конечное время, прежде чем I C достигнет своего максимального уровня. Это известно как время нарастания (t r ).Время нарастания определяется как время, необходимое I C для перехода от 10% до 90% от максимального уровня. Как показано, время включения (t на ) является суммой t d и t r .

Когда входной ток отключен, I C не переходит в ноль до истечения времени выключения t выключается , состоящий из времени хранения (t с ) и время падения (t f ), как показано на рисунке.Время спада определяется как время, необходимое для перехода I C с 90% до 10% от максимального уровня. Время хранения является результатом захвата носителей заряда в обедненной области, когда полярность перехода меняется на противоположную.

Когда транзистор находится в состоянии насыщения, переходы коллектор-база и эмиттер-база смещены в прямом направлении. При выключении оба перехода смещены в обратном направлении, и до того, как I C начнет падать, накопленные носители заряда должны быть извлечены или заставить рекомбинировать с носителями заряда противоположного типа.

Для транзистора с быстрым переключением t на и t на выключенном должны быть порядка наносекунд. В части спецификации транзистора 2N3904 на рис. 8-19 указаны следующие времена переключения транзисторов: t d = 35 нс, t r = 35 нс, t с = 200 нс и t f = 50 нс.

Как переключать большие нагрузки с помощью микроконтроллера с помощью транзисторов

Микроконтроллеры

отлично подходят для реализации интеллектуальных функций данного продукта.Эта статья научит вас, как обойти некоторые из их основных ограничений.

Опубликовано Джон Тил

Микроконтроллеры не могут напрямую управлять чем-либо, кроме, может быть, одного светодиода. Это связано с тем, что выходной ток большинства микроконтроллеров может напрямую подавать или потреблять только около 10 мА.

Давайте рассмотрим несколько способов переключения более тяжелых нагрузок на низкую нагрузку с типичного выхода микроконтроллера. Для определения типичных значений компонентов требуется несколько простых математических расчетов, которые будут представлены в легко доступных форматах.Однако такой подход означает, что были приняты некоторые вольности с техническими требованиями.

Одним из простейших подходов к управлению большими нагрузками, работающими от постоянного тока, является переключатель насыщения. Фактический электронный переключающий элемент поставляется в двух вариантах: биполярные переходные транзисторы, или BJT, и MOSFET.

Прежде чем перейти к собственно самому переключателю, давайте определим, что означает переключение нижнего уровня . На рисунке 1 показан этот тип переключения нагрузки.

Рисунок 1 — Реле нагрузки нижней стороны

Переключатель контролирует отрицательную сторону нагрузки.Это означает, что когда переключатель разомкнут, нагрузка по существу плавающая по отношению к минусу источника питания, который обычно является опорным заземлением в большинстве конструкций.

Если этот тип коммутационного устройства приемлем, то переключатель нижнего уровня обычно является самым дешевым способом переключения нагрузки.

Переключатель нижнего уровня BJT

BJT может использоваться в качестве переключателя нагрузки и бывает двух видов: NPN и PNP. Для переключения на низком уровне используются транзисторы NPN, а для переключения на высоком уровне используется PNP.

Прежде чем перейти к реальным методам, давайте определим некоторую номенклатуру, которая используется при работе с NPN-транзисторами.

На рис. 2 показаны соответствующие соглашения об именах напряжения и тока. Начиная с тока, I B является базовым током и показан входящим в базу NPN. Те же аргументы применимы для I C и I E , при этом показано, что I E выходит из транзистора.

Видно, что: I E = I C + I B

Для напряжений V CE — это напряжение между коллектором и эмиттером и обычно является положительным значением для NPN-транзисторов.Другими словами, для NPN-транзистора напряжение коллектора обычно выше, чем напряжение эмиттера.

Согласно тому же соглашению, V BE — это напряжение между базой и эмиттером. В целом это положительно для NPN.

Рисунок 2 — Напряжение и ток NPN BJT

Ключом к пониманию того, как транзистор может управлять большой нагрузкой, является следующее уравнение:

I C = βI B, , где β — коэффициент усиления постоянного тока, который может составлять от 20 до 300 или более.

Это говорит о том, что ток коллектора равен значению β, умноженному на ток базы. Итак, если β = 100, то ток коллектора будет в 100 раз больше базового тока.

Значение β указано в техническом описании данного транзистора как h FE. В данной статье они означают одно и то же. Обратите внимание, что это не фиксированное значение для данного транзистора, но несколько зависит от значения тока коллектора и температуры, но это не имеет большого значения для целей данной статьи.

Когда BJT используются в качестве переключателей нагрузки, они используются в двух режимах: Cutoff и Saturation. Рассмотрим рисунок 3 ниже. Как было сказано ранее, I C = βI B. Итак, если I B = 0, то I C также должен быть 0. В этом состоянии транзистор находится в режиме отсечки. Обратите внимание, что, поскольку в транзисторе не течет ток, он не рассеивает мощность; также в этом случае V C совпадает с V CC .

Для следующей части предположим, что V CC = 10 В, R = 10 Ом и β = 100.Посмотрим, что произойдет, если I B = 1 мА. В данном случае I C = 100 мА, поскольку β = 100. Напряжение на резисторе I C x R L , или 1 В. Это означает, что тогда V C должен быть 9 В, поскольку V CC составляет 10 В, а падение напряжения на R L составляет 1 В. Тот же аргумент применим, если I B = 2 мА и так далее.

А что будет, если I B = 20 мА. По расчетам это означает, что I C = 2000мА, или 2А.Однако этого не может быть. Поскольку V CC = 10 В и R L = 10 Ом, максимальный ток, который может протекать через R L , составляет 1 А.

Другими словами, максимальное значение I C также равно 1A. Это происходит, когда V C = 0, что означает, что транзистор полностью замкнут на землю.

В этом состоянии транзистор находится в режиме насыщения. В этом режиме ток коллектора транзистора является максимальным, который позволяют условия схемы, и увеличение тока базы не приведет к его увеличению.

Итак, уравнение I C = βI B выполняется только до насыщения транзистора. Обратите внимание, что если в только что описанном примере V CC теперь увеличивается, скажем, до 25 В или R L изменяется на 1 Ом, транзистор больше не будет насыщаться. Таким образом, насыщение определяется в зависимости от условий внешней цепи.

Наконец, обратите внимание, что настоящие транзисторы не могут полностью замыкать свои коллекторы и эмиттеры, если они не неисправны.Когда реальный транзистор насыщен, его V CE будет иметь значение V CEsat . Это значение указано в таблице данных транзистора и обычно составляет от 0,2 В для небольшого транзистора до более 1 В для большого.

В CEsat также зависит от тока коллектора и температуры. Эта зависимость обычно приводится в виде набора кривых в таблице данных.

В режиме насыщения транзистор рассеивает некоторую мощность, заданную параметром

.

Рассеиваемая мощность = I C x V CEsat

Однако, поскольку V CEsat обычно довольно низок, рассеиваемая мощность также будет низкой.Таким образом, отсечка и насыщение — это два состояния, при которых транзистор будет рассеивать наименьшую мощность.

Сфокусируясь теперь на базе транзистора, быстрый способ установить I B — это предположить, что V BE составляет 0,7 В. Это значение подходит для большинства транзисторов.

Итак, в данном случае по закону Ома

I B = (V BB — 0,7) / R B

Если необходимо заданное значение I B , то R B можно рассчитать как:

R B = (V BB -0.7) / I B

Для насыщения транзистора необходимо минимальное значение I B , которое вызовет максимальное значение I C , учитывая значение β транзистора и условия схемы.

На практике это значение I B должно быть больше этого минимума примерно на 10–15%, чтобы учесть изменения значения β от устройства к устройству.

Рисунок 3 — Работа транзистора

Управление BJT от микроконтроллера

То, что было только что описано, на самом деле является переключателем NPN BJT нижнего уровня.Если V BB был выходным контактом микроконтроллера, то, зная его высокое логическое значение, требуемый ток нагрузки и значение β транзистора, можно легко вычислить значение R B .

Еще несколько вещей, которые необходимо проверить, это убедиться, что:

Расчетное значение I B не превышает допустимый ток возбуждения микроконтроллера.

Ток нагрузки не превышает максимального тока коллектора транзистора.

Рассеиваемая мощность в режиме насыщения не превышает максимальной рассеиваемой мощности транзистора.

Напряжение V CC не превышает максимального значения V CE транзистора.

Для обеспечения надежной работы в приведенный выше пример также должны быть включены некоторые запасы безопасности и снижения номинальных характеристик. Около 20% — это разумно.

Перемещение тяжелых грузов с использованием Darlington

Поскольку ток возбуждения вывода GPIO микроконтроллера редко превышает 10 мА, а минимальное значение β транзистора обычно не превышает около 50 для силового транзистора, то максимальный ток, которым можно управлять, составляет около 500 мА.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF. 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Для управления более высокими токами можно использовать схему Дарлингтона. Есть Дарлингтоны, доступные в одном корпусе, или он может быть собран с использованием двух транзисторов, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 — NPN Darlington

В этой схеме Q1 обычно представляет собой транзистор малой мощности с высоким коэффициентом усиления, а Q2 — транзистор большой мощности.Если предположить, что резистор R на данный момент отсутствует, то видно, что весь ток эмиттера Q1 течет в базу Q2.

Как указывалось ранее, ток эмиттера — это сумма тока коллектора и тока базы.

Итак, I E = I C + I B

Таким образом, I E = β x I B + I B , или I E = (β + 1) I B

Поскольку β довольно велико, (β + 1) близко к β.

Это означает:

I E ≈ I C

Теперь, поскольку I E Q1 течет непосредственно в базу Q2, это означает, что I C2 , ток коллектора Q2 определяется как:

I C2 = β1 x β2 x I B1 .

Итак, небольшой входной базовый ток может вызвать большой выходной ток коллектора. Однако следует отметить несколько моментов. Во-первых, V BE этого составного транзистора теперь является суммой V BE двух транзисторов.Это необходимо учитывать при расчете номинального сопротивления базового резистора, как описано ранее.

Что касается резистора R, то он влияет на время выключения Q2. Когда Q2 проводит, в его базу текут заряды. Теперь, когда на входе Q1 становится низкий уровень, Q1 отключается, и заряд, хранящийся в Базе Q2, некуда деваться.

В конечном итоге он исчезнет в результате внутреннего процесса, называемого рекомбинацией носителей, но до тех пор, пока это не произойдет, Q2 останется в проводящем состоянии. Это может длиться от нескольких микросекунд до десятков микросекунд в зависимости от транзистора.

По сути, микроконтроллер отключает свой выход, но после этого нагрузка остается включенной еще некоторое время. R используется для ускорения выключения Q2 путем стравливания сохраненного базового заряда.

Для таких приложений, как ШИМ, рекомендуется использовать этот резистор. Для большинства встроенных приложений подходят значения от 1 кОм до 5 кОм.

R также шунтирует часть базового тока Q2 при нормальной работе. Этот ток равен (V BE2 / R) или приблизительно 0.7 / Р. Чтобы компенсировать этот ток, просто увеличьте базовый ток Q1. Поскольку этот базовый ток x β1 должен быть равен 0,7 / R, из этого следует, что базовый ток в Q1 должен быть увеличен на (0,7 / (β1 x R)).

Переключатель нижнего уровня на полевом МОП-транзисторе

Как и BJT, MOSFET поставляется в двух основных вариантах: N-канал и P-канал. N-канальный MOSFET похож на NPN и используется для переключения нижнего уровня. Аналогичным образом, полевой МОП-транзистор с P-каналом похож на PNP BJT и используется для переключения высокого уровня.

N-канальный MOSFET-транзистор относительно легко подключается к выходному выводу GPIO микроконтроллера при соблюдении определенных условий.

На рис. 5 показан этот тип полевого МОП-транзистора вместе с некоторыми из его наиболее важных аспектов, когда это устройство рассматривается как переключатель низкого уровня.

Рисунок 5 — MOSFET расширения с N-каналом

Когда напряжение подается между затвором и источником, ток начинает течь между стоком и источником, если напряжение выше порогового напряжения, V th , которое указано в его техническом описании.

Выше этого порогового значения, чем выше V GS , тем больше ток стока I D , пока V GS не достигнет V GSMax , что опять же указано в таблице данных.I D vs V GS определяется набором кривых в таблице данных, и, как и в случае BJT, полевой МОП-транзистор насыщается, когда ток стока является максимальным, что позволяют условия схемы.

Поскольку полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением, для его включения почти не требуется ток. Таким образом, GPIO от микроконтроллера может управлять полевым МОП-транзистором, который затем может управлять очень большими токами. Нет необходимости в аранжировках Дарлингтона. Доступны полевые МОП-транзисторы с низким напряжением и , которые полностью усилены приводом затвора 5 В, которые, в свою очередь, могут управлять несколькими усилителями.

Еще одним преимуществом полевого МОП-транзистора перед BJT является отсутствие V DS sat. Вместо этого, когда полевой МОП-транзистор является проводящим, соединение сток-исток ведет себя как резистор со значением R DS , которое является функцией V GS и может быть очень низким значением для мощного полевого МОП-транзистора.

Таким образом, рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, когда он является проводящим или увеличенным, представляет собой просто значение (I D ) 2 , где I D — ток стока, умноженный на R DS , То же, что и мощность, рассеиваемая в резисторе R, пропускающем ток, I, определяется выражением P = I 2 R.

Таким образом, во многих случаях мощность, рассеиваемая насыщенным MOSFET, будет меньше, чем мощность эквивалентного BJT. Это особенно актуально, если у меня D довольно высокий.

Следует отметить, что все N-канальные МОП-транзисторы имеют встроенные диоды-подложки, как показано на рисунке 5. Это заложено в конструкции МОП-транзистора. На практике это означает, что Утечка должна быть более положительной, чем Источник; в противном случае этот диод будет проводить.

Наконец, одна большая проблема с полевыми МОП-транзисторами — это емкость затвор-исток.Он может быть довольно большим для мощного полевого МОП-транзистора — 3 нФ и более не редкость. На практике это означает, что перед тем, как МОП-транзистор сможет начать проводить, эта емкость затвора должна сначала зарядиться. Учитывая, что большинство микроконтроллеров могут подавать ограниченный ток, для зарядки этого конденсатора потребуется время.

Итак, при непосредственном управлении выходом микроконтроллера MOSFET просто не может переключаться очень быстро. Таким образом, использование полевого МОП-транзистора для быстрой ШИМ, вероятно, не сработает.

В таких ситуациях драйвер полевого МОП-транзистора, такой как TI UCC27511, должен использоваться между выводом GPIO и затвором полевого МОП-транзистора.Это, конечно, увеличивает стоимость и без того более высокой стоимости MOSFET по сравнению с BJT.

Наконец, не забудьте скачать бесплатно PDF : Ultimate Guide to Develop and Sell Your New Electronic Hardware Product . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

4.2 5 голоса

Рейтинг статьи

Транзистор

как переключатель — инженерные проекты


Привет, друзья, надеюсь, у вас все отлично.В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим транзистор как переключатель. Транзистор представляет собой 3-контактный полупроводниковый модуль, используемый для различных усилителей и схем переключения. Он был создан Уильямом Шокли (физиком из Соединенных Штатов Америки) в 1947 году. Он также использовался в различных инженерных проектах и ​​схемах. В зависимости от уровня легирования транзисторы делятся на 2 типа: первый — NPN, второй — PNP.

Большинство транзисторов построено из кремния и германия, но для изготовления транзисторов также используются другие полупроводниковые материалы.В сегодняшнем посте мы обсудим, как можно использовать транзистор в качестве переключателя, а также увидим его практическую работу в различных схемах. Итак, давайте начнем с транзистора в качестве коммутатора.

Транзистор как переключатель
  • Для понимания работы транзистора как переключателя мы используем биполярный транзистор (BJT) и построим его кривую зависимости тока от напряжения.
  • Есть 3 области, в которых транзистор работает: первая активна, вторая — насыщения, а третья — область отсечки.
  • В первой активной области транзистор работает как усилитель.
  • Но в других 2 областях, которые являются областью насыщения, в которой транзистор находится во включенном состоянии, и областью отсечки, в которой транзистор выключен, работают как переключатель.
  • Теперь мы подробно обсудим эти три региона один за другим.

Область работы транзистора

  • На данном рисунке показана кривая вольт-амперной характеристики.

  • На этой кривой вы можете видеть, что участок внизу кривой, имеющий розовый цвет, обозначен как участок отсечки, а участок синего цвета известен как участок насыщения транзистора.

Давайте подробно обсудим эти две области транзисторов.

Область отсечки транзистора

  • В этой рабочей области транзистора значение тока на базе равно нулю (IB = 0), поэтому значение тока на коллекторе также будет 0.
  • Значение напряжения на выводах коллектора и эмиттера (VCE) выше, что приводит к увеличению обедненного слоя в транзисторе и нулевом токе, протекающем через компонент.
  • Значит, транзистор полностью отключен, значит, это разомкнутая цепь.

Область насыщения транзистора

  • В этой части транзистор будет иметь такое смещение, что величина тока на выводе базы будет максимальной, что вызывает протекание экстремального тока через коллектор.
  • Значение напряжения на выводах коллектора и эмиттера будет равно нулю, поэтому не будет слоя обеднения, и через транзистор будет проходить большой ток, и он будет вести себя как замкнутый переключатель.
  • Проще говоря, мы можем определить область насыщения, которая будет возникать, когда ток, протекающий через коллектор, является экстремальным, а напряжение на клеммах базы равно 0.7 вольт это для NPN транзистора.
  • В случае PNP эмиттер должен быть подключен к положительной клемме батареи.

Работа транзистора как переключателя
  • Для практического понимания транзистора как переключателя мы обсудим схему, которая показана на данном рисунке.

  • В этой схеме NPN-транзистор используется в качестве переключателя, его коллектор и точки эмиттера работают как выводы переключателя.
  • Цепь, состоящая из лампы в качестве нагрузки, подключена к клеммам коллектора и эмиттера транзистора.
  • База и эмиттер транзистора работают как контроллер, который определяет открытое и закрытое состояние переключателя.
  • Для замкнутого переключателя батарея подключается между выводами базы и эмиттера.
  • Этот источник обеспечивает большое количество базового тока из-за того, что ток коллектора протекает в схемах коллектора и эмиттера.
  • Значение тока коллектора будет больше, если сопротивление между коллектором и эмиттером почти равно нулю.
  • На приведенном выше рисунке вы можете видеть, что эмиттер находится под потенциалом земли, поэтому мы также можем предположить, что коллектор также имеет нулевой потенциал. Итак, в этом случае результирующая схема может быть построена как.

  • Вы можете видеть, что клеммы переключателя, которые являются коллектором и эмиттером, замкнуты, а лампочка светится, когда через нее протекает большой ток коллектора.
  • Для размыкания выводов выключателя снимаем ток, проходящий через базу.
  • Поскольку Ic = βIb, поэтому из-за нулевого значения тока базы ток коллектора также равен нулю, и он ведет себя как разомкнутый переключатель.

Применение транзистора в качестве переключателя
  • Структура транзистора такова, что ток коллектора не будет течь, пока на базе не будет источника тока.
  • Из-за этой особенности он в основном используется в различных электронных схемах в качестве переключателя.
  • Итак, мы обсуждаем такие схемы, в которых транзистор используется в качестве переключателя, для объяснения таких схем мы используем транзистор NPN.

Световой выключатель

  • В приведенной ниже схеме транзистор используется в качестве переключателя для включения и выключения лампы. В этой схемотехнике сформирована схема LDR, лампочки и делителя напряжения.
  • Эта схема работает при свете и в темноте не работает.
  • Когда фотоны света сталкиваются со светозависимым сопротивлением, он начинает работать, и ток течет через основание, а не через коллектор, который освещает лампочку.

Переключатель с обогревом

  • В приведенном ниже транзисторе используется в переключателе с подогревом, основным элементом этой схемы является термистор.
  • Термистор — это тип сопротивления, работающий при изменении температуры.
  • Его сопротивление увеличивается с уменьшением температуры и с увеличением температуры сопротивление уменьшается.
  • Итак, в этой схеме, когда температура увеличивается, сопротивление термистора уменьшается, поэтому ток базы начинает течь, что вызывает движение тока по цепи.
  • Тогда на выходе начинает срабатывать тревога после получения сигнала от транзистора.

Это подробная статья о транзисторе как переключателе, если у вас есть какие-либо вопросы по этому поводу, задавайте в комментариях. Спасибо за прочтение.

Автор: Захид Али

Я профессиональный писатель технического контента, мое хобби — узнавать новые вещи и делиться ими с новыми учениками. Также имею опыт работы в различных отраслях в качестве инженера. Теперь я делюсь своими техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Пост-навигация

Расчет транзистора как переключателя

Хотя транзисторы (BJT) широко используются для создания схем усилителя, их также можно эффективно использовать для коммутационных приложений.

Транзисторный ключ — это схема, в которой коллектор транзистора включается / выключается с относительно большим током в ответ на соответствующий сигнал включения / выключения низкого тока на его базовом эмиттере.

В качестве примера следующую конфигурацию BJT можно использовать в качестве переключателя для инвертирования входного сигнала для логической схемы компьютера.

Здесь вы можете обнаружить, что выходное напряжение Vc противоположно потенциалу, приложенному к базе / эмиттеру транзистора.

Кроме того, база не связана с каким-либо фиксированным источником постоянного тока, в отличие от схем на основе усилителя. Коллектор имеет источник постоянного тока, который соответствует уровням питания системы, например, 5 В и 0 В в этом случае компьютерного приложения.

Мы поговорим о том, как эта инверсия напряжения может быть спроектирована, чтобы гарантировать, что рабочая точка правильно переключается с отключения на насыщение вдоль линии нагрузки, как показано на следующем рисунке:

Для настоящего сценария на приведенном выше рисунке мы имеем предполагается, что IC = ICEO = 0 мА, когда IB = 0 мкА (отличное приближение в отношении улучшения стратегии строительства).Кроме того, предположим, что VCE = VCE (sat) = 0 В вместо обычного уровня от 0,1 до 0,3 В.

Теперь, при Vi = 5 В, BJT включится, и при рассмотрении конструкции необходимо обеспечить высокую степень насыщения конфигурации на величину IB, которая может быть больше, чем значение, связанное с кривой IB, видимой вблизи насыщения. уровень.

Как видно из вышеприведенного рисунка, в этих условиях значение IB должно быть больше 50 мкА.

Расчет уровней насыщения

Уровень насыщения коллектора для показанной схемы можно рассчитать по формуле:

IC (sat) = Vcc / Rc

Величина базового тока в активной области непосредственно перед уровнем насыщения может быть рассчитывается по формуле:

IB (max) ≅ IC (sat) / βdc ———- Уравнение 1

Это означает, что для реализации уровня насыщения должно выполняться следующее условие:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc ——— Уравнение 2

На графике, обсужденном выше, когда Vi = 5 В, результирующий уровень IB может быть оценен в следующий метод:

Если мы проверим уравнение 2 с этими результатами, мы получим:

Это, по-видимому, полностью удовлетворяет требуемому условию.Несомненно, любое значение IB, превышающее 60 мкА, будет допущено к проникновению через точку Q над линией нагрузки, расположенной очень близко к вертикальной оси.

Теперь, если обратиться к сети BJT, показанной на первой диаграмме, в то время как Vi = 0 В, IB = 0 мкА и предположить, что IC = ICEO = 0 мА, падение напряжения на RC будет по формуле:

VRC = ICRC = 0 В.

Это дает нам VC = +5 В для первой диаграммы выше.

В дополнение к приложениям переключения компьютерных логок, эта конфигурация BJT также может быть реализована как коммутатор с использованием тех же крайних точек линии нагрузки.

Когда происходит насыщение, ток IC имеет тенденцию становиться достаточно высоким, что, соответственно, снижает напряжение VCE до самой низкой точки.

Это приводит к возникновению уровня сопротивления на двух клеммах, как показано на следующем рисунке и рассчитывается по следующей формуле:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), как показано на следующем рисунке.

Если мы предположим типичное среднее значение для VCE (sat), такое как 0,15 В в приведенной выше формуле, мы получим:

Это значение сопротивления на клеммах коллектора-эмиттера выглядит довольно маленьким по сравнению с последовательным сопротивлением в килоомах на коллекторные клеммы BJT.

Теперь, когда вход Vi = 0 В, переключение BJT будет отключено, в результате чего сопротивление на коллекторе-эмиттере будет:

R (отсечка) = Vcc / ICEO = 5 В / 0 мА = ∞ Ω

Это приводит к возникновению разрыва цепи на выводах коллектора-эмиттера. Если мы рассмотрим типичное значение 10 мкА для ICEO, значение сопротивления отсечки будет таким, как указано ниже:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 В / 10 мкА = 500 кОм

Это значение выглядит значительно большим и эквивалент разомкнутой цепи для большинства конфигураций BJT в качестве переключателя.

Решение практического примера

Рассчитайте значения RB и RC для транзисторного переключателя, сконфигурированного как инвертор ниже, учитывая, что ICmax = 10 мА

Формула для выражения насыщения коллектора:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 мА = 10 В / Rc

∴ Rc = 10 В / 10 мА = 1 кОм

Также в точке насыщения

IB ≅ IC (насыщ.) / Βdc = 10 мА / 250 = 40 мкА

Для гарантированного насыщения выберем IB = 60 мкА, а по формуле

IB = Vi — 0.7 В / RB, получаем

RB = 10 В — 0,7 В / 60 мкА = 155 кОм,

Округляя полученный результат до 150 кОм и снова оценивая приведенную выше формулу, получаем:

IB = Vi — 0,7 V / RB

= 10 В — 0,7 В / 150 кОм = 62 мкА,

, поскольку IB = 62 мкА > ICsat / βdc = 40 мкА

Это подтверждает, что мы должны использовать RB = 150 кОм

Расчет Коммутационные транзисторы

Вы встретите специальные транзисторы, называемые переключающими транзисторами, из-за их высокой скорости переключения с одного уровня напряжения на другой.

На следующем рисунке сравниваются периоды времени, обозначенные как ts, td, tr и tf, с током коллектора устройства.

Влияние периодов времени на характеристику скорости коллектора определяется характеристикой тока коллектора, как показано ниже:

Общее время, необходимое транзистору для переключения из состояния «выключено» в состояние «включено», обозначено как t (on) и может быть установлено по формуле:

t (on) = tr + td

Здесь td определяет задержку, происходящую, когда входной сигнал переключения меняет состояние, а транзисторный выход реагирует на изменение.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *