Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.
Что такое транзистор?
Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.
Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.
Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире , прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!
Приставка нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.
Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.
Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор - прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.
Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью – p (positive).
Как работает транзистор?
Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).
(далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий ), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором , базой и эмиттером . Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же
Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.
Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).
Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.
Физические процессы в транзисторе
А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.
Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.
Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.
Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.
Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса .
Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили , обращайтесь в Заочник.
PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.
Конструкция прибора
Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.
Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока ("внутрь" для транзистора PNP).
PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.
Основные отличия двух типов биполярных транзисторов
Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.
Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.
Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой
Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора I C (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.
По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора I C , так и ток эмиттера I E . Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как I C немного меньше, чем I E . Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с I E , и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа - втекающий.
Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером
В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.
Полный ток эмиттера задается суммой двух токов I C и I B ; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем I E = I C + I B .
В этой схеме ток базы I B просто «ответвляется» от тока эмиттера I E , также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток I B , а NPN-типа - втекающий.
В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.
PNP-транзистор: подключение источников напряжения
Источник напряжения между базой и эмиттером (V BE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.
Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (V CE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.
Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.
На этот раз коллектор подключен к напряжению питания V CC через нагрузочный резистор, R L , который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения V B , которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор R B , который снова используется для ограничения максимального тока базы.
Работа PNP-транзисторного каскада
Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.
Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: I C = I E - I B , так как ток должен вытекать из базы.
Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.
Характеристики транзистора
Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.
Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.
Транзисторные пары в усилительных каскадах
Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов - NPN и PNP - дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют "комплементарные", или "согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.
Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=I C /I B согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.
Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор - только его отрицательную половину.
Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.
Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями
Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.
H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.
Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.
Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.
Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.
Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.
Определение типа транзисторов
Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.
Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:
1. Эмиттер - База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.
2. Коллектор - База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.
3. Эмиттер - Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.
Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов
Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.
Характеристики биполярных транзисторов
Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.
Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные . На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.
Рис.8. Схема
измерений статических
параметров транзистора с ОЭ.
Входная статическая характеристика I Б от входного напряжения U БЭ при постоянном выходном напряжении U КЭ . Для схемы с общим эмиттером:
I Б = f (U БЭ) при U ЭК = const.
Поскольку ветви входной статической характеристики для U КЭ > 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а ). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U 1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).
Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I К от выходного напряжения U КЭ при постоянном входном токе I Б . Для схемы включения с общим эмиттером:
I К = f (U КЭ) при I Б = const.
Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I Э .
Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R К , за счёт которого изменение входного тока или напряжения U ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U ВЫХ = U КЭ (Рис.10).
Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.
Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I Б от входного напряжения U БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:
I Б = f (U БЭ)
Поскольку в статическом режиме для U КЭ > 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а ).
Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.
Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U КЭ от выходного тока I К при фиксированных значениях входного тока I Б (Рис.11б ):
U КЭ = E К – I К R К
Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А , В на Рис.11б .
Координаты точки А [U КЭ = 0; I K = Е К ⁄ R К ] – на оси I K .
Координаты точки В [I K = 0; U КЭ = Е К ] – на оси U КЭ.
Координаты точки Р [U 0К; I 0 K ] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).
 |  |
Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.
Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.
В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).
Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I К0 , а напряжение U КЭ = E К.
Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.
I Б = max; I К ≈ I КН; U КЭ = E К – I КН R Н; U КЭ → 0.
Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I К доп, U КЭ доп, P К доп (Рис.11б ) и I Б нас, U БЭ доп (Рис.11а ) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.
Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.
В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером.
ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной - электронной (n ) и дырочной (p ) - проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых - либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.
Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.
У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.
Схемы включения транзистора
Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.
Схема включения транзистора с общим коллектором
– предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель
.
Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой . Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.
Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.
Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.
Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R б1 и R б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.
Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R 2 делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R 1 делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R 2 делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:
Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.
Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.
Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).
Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I б – U бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I к – U кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I R – U R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R к , который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.
На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С . Средняя точка – В , является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.
По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С , транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А . При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R к , наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С , до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R к ., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.
По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.
Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)
Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:
Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);
Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;
В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;
Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h 21 . Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);
Коллекторное (R к ) и эмиттерное (R э ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R вх =R э *h 21 , а выходное равно R вых =R к . Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R э ;
Номиналы резисторов R к и R э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.
Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ
Исходные данные:
Питающее напряжение U и.п. =12 В.
Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:
P max =150 мВт; I max =150 мА; h 21 >50.
Принимаем R к =10*R э
Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U бэ = 0,66 В
Решение:
1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.
Принимаем P рас.max =0,8*P max =0,8*150 мВт=120 мВт
2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):
I к0 =P рас.max /U кэ0 =P рас.max /(U и.п. /2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.
3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:
(R к +R э )=(U и.п. /2)/I к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.
Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R к =10*R э , находим значения резисторов:
R к = 270 Ом; R э = 27 Ом.
4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.
U к0 =(U кэ0 + I к0 *R э )=(U и.п. — I к0 *R к ) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.
5. Определим ток базы управления транзистором:
I б =I к /h 21 =/h 21 = / 50 = 0,8 мА.
6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R б1 ,R б2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I б , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:
R б1 ,R б2 : I дел. =10*I б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.
Тогда полное сопротивление резисторов
R б1 +R б2 =U и.п. /I дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.
7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:
U э =I к0 *R э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,
где I к0 — ток покоя транзистора.
8. Определяем напряжение на базе
U б =U э +U бэ =0,54 В+0,66 В=1,2 В
Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:
R б2 = (R б1 +R б2 )*U б /U и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом R б1 = (R б1 +R б2 )-R б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.
По резисторному ряду, в связи с тем, что через резистор R б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R б1 =1,3 кОм.
9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.
На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t н
=R вх
*C вх
, где R вх
=R э
*h 21
, C вх
— разделительная входная емкость каскада. C вых
транзисторного каскада, это C вх
следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f н
=1/t н
. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t н
=1/(R вх
*C вх
)<
Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R б1 . Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.
Транзисторы являются активными компонентами и используются повсеместно в электронных цепях в качестве усилителей и коммутационных устройств (транзисторных ключей). Как усилительные приборы они применяются в приборах высокой и низкой частоты, генераторах сигналов, модуляторах, детекторах и многих других цепях. В цифровых схемах, в импульсных блоках питания и управляемых электроприводах они служат в качестве ключей.
Биполярные транзисторы
Так называется наиболее распространенный тип транзистора. Они делятся на npn и pnp типы. Материалом для них наиболее часто является кремний или германий. Поначалу транзисторы делались из германия, но они были очень чувствительны к температуре. Кремниевые приборы гораздо более стойки к ее колебаниям и дешевле в производстве.
Различные биполярные транзисторы показаны на фото ниже.
Маломощные приборы расположены в небольших пластиковых прямоугольных или металлический цилиндрических корпусах. Они имеют три вывода: для базы (Б), эмиттер (Э) и коллектор (К). Каждый из них подключен к одному из трех слоев кремния с проводимостью либо n- (ток образуют свободные электроны), либо p-типа (ток образуют так называемые положительно заряженные «дырки»), из которых и состоит структура транзистора.
Как устроен биполярный транзистор?
Принципы работы транзистора нужно изучать, начиная с его устройства. Рассмотрим структуру npn-транзистора, которая изображена на рис.ниже.
Как видим, он содержит три слоя: два с проводимостью n-типа и один - p-типа. Тип проводимости слоев определяется степенью легирования специальными примесями различных частей кремниевого кристалла. Эмиттер n-типа очень сильно легирован, чтобы получить множество свободных электронов как основных носителей тока. Очень тонкая база p-типа слегка легирована примесями и имеет высокое сопротивление, а коллектор n- типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое сопротивление.
Принципы работы транзистора
Лучшим способом познакомиться с ними является экспериментальный путь. Ниже приведена схема простой цепи.
Она использует силовой транзистор для управления свечением лампочки. Вам также понадобится батарейка, небольшаю лампочка от фонарика примерно 4,5 В/0,3 А, потенциометр в виде переменного резистора (5К) и резистор 470 Ом. Эти компоненты должны быть соединены, как показано на рисунке справа от схемы.
Поверните движок потенциометра в крайнее нижнее положение. Это понизит напряжение на базе (между базой и землёй) до нуля вольт (U BE = 0). Лампа не светится, что означает отсутствие тока через транзистор.
Если теперь поворачивать рукоятку от ее нижней позиции, то U BE постепенно увеличивается. Когда оно достигает 0,6 В, ток начинает втекать в базу транзистора, и лампа начинает светиться. Когда рукоятка сдвигается дальше, напряжение U BE остается на уровне 0,6 В, но ток базы увеличивается и это увеличивает ток через цепь коллектор-эмиттер. Если рукоятка сдвинута в верхнее положение, напряжение на базе будет немного увеличено до 0,75 В, но ток значительно возрастет и лампа будет светиться ярко.
А если измерить токи транзистора?
Если мы включим амперметр между коллектором (C) и лампой (для измерения I C), другой амперметр между базой (B) и потенциометром (для измерения I B), а также вольтметр между общим проводом и базой и повторим весь эксперимент, мы сможем получить некоторые интересные данные. Когда рукоятка потенциометра находится в его низшей позиции, U BE равно 0 В, также как и токи I C и I B . Когда рукоятку сдвигают, эти значения растут до тех пор, пока лампочка не начинает светиться, когда они равны: U BE = 0.6 В, I B = 0,8 мА и I C = 36 мА.
В итоге мы получаем от этого эксперимента следующие принципы работы транзистора: при отсутствии положительного (для npn-типа) напряжения смещения на базе токи через его выводы равны нулю, а при наличии напряжения и тока базы их изменения влияют на ток в цепи коллектор - эмиттер.
Что происходит при включении питания транзистора
Во время нормальной работы, напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер, распределяется так, что потенциал базы (p-типа) приблизительно на 0,6 В выше, чем у эмиттера (n-типа). При этом к данному переходу приложено прямое напряжение, он смещен в прямом направлении и открыт для протекания тока из базы в эмиттер.
Гораздо более высокое напряжение приложено к переходу база-коллектор, причем потенциал коллектора (n-типа) оказывается более высоким, чем у базы (p-типа). Так что к переходу приложено обратное напряжение и он смещен в обратном направлении. Это приводит к образованию довольно толстого обедненного электронами слоя в коллекторе вблизи базы, когда к транзистору прикладывается напряжение питания. В результате ток через цепь коллектор-эмиттер не проходит. Распределение зарядов в зонах переходов npn-транзистора показан на рисунке ниже.
Какова роль тока базы?
Как же заставить работать наш электронный прибор? Принцип действия транзистора заключается во влиянии тока базы на состояние закрытого перехода база-коллектор. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, небольшой ток будет поступать в базу. Здесь его носителями являются положительно заряженные дырки. Они комбинируются с электронами, поступающими из эмиттера, обеспечивая ток I BE . Однако вследствие того, что эмиттер очень сильно легирован, гораздо больше электронов поступает из него в базу, чем способно соединиться с дырками. Это означает, что возникает большая концентрация электронов в базе, и большинство из них пересекает ее и попадает в обедненный электронами слой коллектора. Здесь они попадают под влияние сильного электрического поля, приложенного к переходу база-коллектор, проходят через обедненный электронами слой и основной объем коллектора к его выводу.
Изменения тока, втекающего в базу, влияют на количество привлеченных от эмиттера электронов. Таким образом, принципы работы транзистора могут быть дополнены следующим утверждением: очень небольшие изменения в базовом токе вызывают очень большие изменения в токе, протекающем от эмиттера к коллектору, т.е. происходит усиление тока.
Типы полевых транзисторов
По английски они обозначаются FETs - Field Effect Transistors, что можно перевести как «транзисторы с полевым эффектом». Хотя есть много путаницы в названиях для них, но встречаются в основном два основных их типа:
1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.
2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.
Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.
Устройство полевого транзистора
Все полевые транзисторы могут быть названы УНИПОЛЯРНЫМИ приборами, потому что носители заряда, которые образуют ток через них, относятся к единственному для данного транзистора типу - либо электроны, либо «дырки», но не оба одновременно. Это отличает принцип работы транзистора полевого от биполярного, в котором ток образуется одновременно обоими этими типами носителей.
Носители тока протекают в полевых транзисторах с управляющим pn-переходом по слою кремния без pn-переходов, называемому каналом, с проводимостью либо n-, либо p-типа между двумя выводами, именуемыми «истоком» и «стоком» - аналогами эмиттера и коллектора или, точнее,катода и анода вакуумного триода. Третий вывод - затвор (аналог сетки триода) - присоединен к слою кремния с другим типом проводимости, чем у канала исток-сток. Структура такого прибора показана на рисунке ниже.
Как же работает полевой транзистор? Принцип работы его заключается в управлении поперечным сечением канала путем приложения напряжения к переходу затвор-канал. Его всегда смещают в обратном направлении, поэтому транзистор практически не потребляет тока по цепи затвора, тогда как биполярному прибору для работы нужен определенный ток базы. При изменении входного напряжения область затвора может расширяться, перекрывая канал исток-сток вплоть до полного его закрытия, управляя таким образом током стока.