Коэффициент усиления биполярного транзистора – Коэффициент усиления транзистора

Коэффициент усиления транзистора

Определение и формула коэффициента усиления транзистора

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который используют для усиления, преобразования и генерирования электрических сигналов. Сам по себе транзистор ни чего не усиливает. Свойства усиления его заключены в том, что небольшие изменения сигнала на входе ведут к существенным изменениям тока (напряжения) на выходе транзистора или их совокупности, за счет использования энергии от внешнего источника. Используют три схемы включения транзисторов: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.

Если транзистор работает в ключевом режиме, то используют коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала (чаще всего этот коэффициент обозначают буквой ). Это величина, равная отношению тока на коллекторе () (он определяется нагрузкой) к минимальному току базы ():

   

Большинство транзисторов на сегодняшний момент имеет

Коэффициентом усиления транзистора по току при рассмотрении схем с общей базой называют отношение силы тока коллектора () к силе тока эмиттера () при постоянном напряжении в переходе между эмиттером и коллектором. Чаще всего такой коэффициент усиления обозначают или Тогда формула определяющая коэффициент усиления транзистора по току , имеет вид:

   

Этот коэффициент не может быть больше единицы.

Коэффициент усиления транзистора по току для схем с общим эмиттером ( или ) можно определить при помощи выражения:

   

где — сила тока в коллекторе, — сила тока в базе. При этом напряжение на переходе коллектор эмиттер постоянно

Коэффициент усиления зависит не только от тока на входе, но и от температуры.

Коэффициентом усиления транзистора по напряжению () называют величину, равную отношению напряжения на нагрузке (R) вцепи коллектора () к напряжения на входе ():

   

Коэффициент усиления для однотипных транзисторов может лежать в довольно большом диапазоне. — зависит от свойств транзистора и от отношения сопротивлений нагрузки в цепях коллектора и эмиттера:

   

Единицы измерения коэффициента усиления транзистора

Коэффициент усиления — может быть величиной безразмерной. При решении задач следует обратить внимание на то, чтобы величины входных и выходных сигналов были выражены в одних единицах.

Или коэффициент усиления может выражаться в логарифмических единицах — децибелах.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.

Для каждой из схем включения транзисторов наиболее важными параметрами являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности.

Как отмечалось выше, исходное состояние транзистора определяется выбором режима его работы, который характеризуется протеканием установившихся в нем токов определенной величины и наличием напряжений как на транзисторе, так и на элементах, соединенных с ним. При подаче входного сигнала ранее имевшие место токи и напряжения в транзисторе изменяются в соответствии с изменением входного сигнала. Для исключения влияния положения рабочей точки транзистора на его коэффициенты усиления при их анализе используются не абсолютные значения токов и напряжений, а их приращения. Рассмотрим в общем виде коэффициенты усиления транзистора.

Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока на выходе к приращению тока на входе:

(5)

Коэффициентом усиления по напряжению

называется отношение приращения на выходе к приращению входного напряжения:

(6)

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение приращения мощности на выходе к приращению мощности на входе:

(7)

Входным сопротивлением называется отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока:

(8)

Выходным сопротивлением называется отношение приращения выходного напряжения к приращению выходного тока:

(9)

Рассмотрим эти параметры для двух схем включения транзистора. На рисунке 3.16 показано включение транзистора по схеме с О.Б. в динамическом режиме.

Рисунок 3.16 – Транзистор, включённый по схеме

с общей базой в динамическом режиме

Здесь с помощью источника E осуществляется установка рабочей точки на транзисторе, U_ист – источник усиливаемого сигнала, U_вх – входное напряжение, U_н – выходное напряжение. В этой схеме входным и выходным токами являются соответственно ток эмиттера и коллектора. Тогда, в соответствии с (5) коэффициент усиления по току в схеме с общей базой будет равен:

Исходя из принципа работы транзистора, ток коллектора заметно больше тока базы. Поэтому значения коэффициента усиления в схеме с О.Б. несколько меньше единицы и принято считать, что его значения лежат в интервале 0,9 ÷ 0,99. С целью большего удобства коэффициент усиления по току в схеме с О.Б. обозначают через α:

(10)

В соответствии с (6), определим коэффициент усиления по напряжению в схеме с О.Б.:

Здесь под R_вх,б понимается входное сопротивление транзистора между эмиттером и базой в схеме с О.Б. в динамическом режиме.

В стабилизаторах R_н составляет 10÷100 Ом.

Коэффициент усиления по мощности определяется по формуле (7):

Рассмотрим коэффициенты усиления для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером в динамическом режиме (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 – Включение транзистора по схеме

с общим эмиттером в динамическом режиме

Здесь входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера. Во входной цепи находится напряжение смещения E₁ и источник входного сигнала U_ист. Выходная цепь состоит из источника E₂ и сопротивления нагрузки R_н. Полярность подключения источников такова, чтобы под действием E₁ эмиттерный переход был под прямым напряжением, а коллекторный переход под действием E₂ находился под обратным напряжением. Как и в предыдущих случаях выполняется условие E₂>>E₁.

Коэффициент усиления по току определяем по формуле (5), учитывая, что в этой схеме входным током является ток базы, а выходным ток коллектора:

Из-за особой важности коэффициента усиления по току в схеме транзистора с О.Э. этот коэффициент принято обозначать дополнительно к общему обозначению греческой буквой β (бета).

Учитывая, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой изменяется в пределах α=0,9 – 0,99, находим, что β изменяется в пределах:

= 9÷99

Теоретически, при α → 1, что возможно при

→ 0, значение → ∞.

Коэффициент усиления по напряжению определяем по формуле (6):

Коэффициент усиления по мощности определим как произведение коэффициентов усиления по току и по напряжению:

Сравнивая коэффициенты усиления для двух рассмотренных схем включения транзистора, видим, что в схеме включения с общим эмиттером коэффициенты усиления на много больше коэффициентов усиления в схеме включения с общей базой. Необходимо отметить, что сомножители (дроби), стоящие в коэффициентах усиления по току и по мощности, мало отличаются по величине. Поэтому понятно, что при построении усилителей сигналов используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

3.2.6 Эквивалентная схема транзистора.

При расчёте электрических цепей, содержащих транзисторы, в место транзисторов используются их эквивалентная электрическая схема. Для каждого способа включения транзистора имеет место своя эквивалентная схема. Эквивалентные схемы отображают устройство транзистора и его электрические свойства.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включённого по схеме с общей зоной. На рисунке 3.18,а показана конструкция транзистора, которая ранее уже рассматривалась и представлена на рисунке 3.1.

Рисунок – 3.18 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с

общей базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

При изучении свойств p-n перехода и принципа действия транзистора было установлено, что каждый из p-n переходов обладает определённым омическим сопротивлением. Омическое сопротивление эмиттерного перехода обозначается через .

Как известно, одно из условий функционирования транзистора состоит в том, чтобы эмиттерный переход был под прямым напряжением. В этом случае отсутствует запирающий слой в p-n переходе, а значит сопротивление его мало. Поэтому величина мала и составляет от единиц до десяток Ом. Так же известно, что p-n переход характеризуется барьерной ёмкостью. Барьерная ёмкость эмиттерного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключается параллельно .

Сопротивление коллекторного перехода обозначаются через . Известно, что коллекторный переход находится под обратным напряжением, что создает запирающий слой, обладающий большим омическим сопротивлением. Поэтому величина коллекторного сопротивления велика и составляет сотни тысяч Ом (сотни кОм). Барьерная ёмкость коллекторного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключена параллельно . Величина барьерной ёмкости достаточно велика и составляет сотни пикофарад. Представленная на рисунок 3.18,а эквивалентная схема является пассивным четырёхполюсником и усилительными свойствами, как транзистор, обладать не может. Для того, чтобы эквивалентная схема обладала усилительными свойствами в неё вводится генератор тока (рисунок 3.18,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с общей базой, на величину тока эмиттера, что равно току коллектора:

Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером без генератора тока представлена на рисунке 3.19,а. Назначение элементов ()

Рисунок – 3.19 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей

базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

такое же, как и в схеме с общей базой. Однако, как было сказано, транзистор обладает усилительными свойствами, поэтому эквивалентная схема дополняется генератором тока (рисунок 3.19,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с О.Э., на величину тока базы, что равно коллекторному току:

studfile.net

Принцип усиления транзистора | Как усиливает транзистор

Что такое усиление

Давайте для начала разберем, что мы вообще подразумеваем под словом “усиление”? Ну… усиление это когда мы производим какое-то действие, чтобы было лучше, качественнее, комфортнее, удобнее, безопаснее. По-моему как-то так. Усиливаем подвеску на машине, чтобы езда была комфортнее. Усиливаем фундамент под дом, загоняя туда железную арматуру, чтобы дом стоял долго и не трещал. Усиливаем армию военной техникой, чтобы обеспечить себе и своему народу безопасность, усиливаем свое тело, чтобы выглядеть уверенно и дать отпор гопникам.

Но какое слово идет рядом в паре со словом “усиление”? Мне кажется – это слово “мощность”. 

Усиливаем подвеску на машине, то есть делаем ее мощнее. Усиливаем фундамент – делаем его мощнее. Усиливаем армию танками и самолетами – делаем ее мощнее :-), усиливаем свою тушку – значит делаем ее опять же мощнее.

Давайте рассмотрим на примере человека. Как же его усилить? Здесь я вижу два варианта:

Увеличить человека в размерах

Либо усилить его с помощью экзоскелета:

Тут уже даже и ежу понятно, что мощности каждого из этих персонажей хватит для того, чтобы размотать целую роту вояк в рукопашном бою. В первом случае их проще будет давить либо пяточкой, а если попадется воспитанный великан с хорошими манерами – то пальчиками :-). Во втором случае, с экзоскелетом – хуком справа и слева.

Значит, для того, чтобы сделать сигнал мощнее, мы должны либо увеличить его амплитуду, либо увеличить его…Хм… Зачем наш Тони Старк сделал себе костюм? Чтобы он защищал его тело, то есть чтобы оказывать сопротивление ударам, пулям и тд. Какая-бы пулька или удар не влетали в него, он бы стоял колом (разумеется в разумных пределах) То есть его экзоскелет защищает его от разного рода сопротивления.

Получается,  для нашего сигнала какое бы сопротивление он не встретил на своем пути, он будет таким же “бодрым и энергичным”, каким был и до встречи с нагрузкой. Если Тони Старк брал энергию из своей реактора на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника 😉  Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.

Как усиливает транзистор

Итак, представим себе нашу сборную России по футболу. Ну да, ребята частенько лажают), но суть не в этом. Для того, чтобы наши футболисты играли хорошо, нужно к каждому футболисту приставить хорошего тренера, установить нормальный график труда и отдыха, кормить самой лучшей спортивной едой, пичкать допингами и тд. Как результат – команда может быть дотянет до полуфинала на чемпионате мира.

Но… есть и другой вариант. Почему бы в команду не пригласить таких футболистов, как Месси, Рональдо, Роналду, Бекхэма и других знаменитостей? То есть в этом варианте мы полностью заменили всю команду. Но для нас ведь главное  – победа, и не волнует, кто играет в нашей команде. Главное, чтобы наша команда порвала всех на чемпионате.

И там и там мы усилили эти команды. Но как вы думаете, какой вариант будет лучше? Ну тут уже и ежу понятно, что второй вариант – стопроцентный! Если провести параллельную грань с электроникой, то можно сказать, что транзистор использует именно второй вариант. В нем нет ничего такого, чтобы он сам бы усиливал сигнал. Он его полностью заменяет другим сигналом. То есть усиливаемый сигнал, который выходит из транзистора, является копией входного слабенького сигнала, но это не тот же самый слабенький сигнал.

Тяжко для понимания? Ну давайте приведем тогда еще один пример.

Вернемся в детство. Вам купили маленького хомячка. Вы за ним ухаживаете, меняете водичку, убираете какашки, покупаете колесико, чтобы он бегал и радовался жизни. Через год из маленького хомячка вырастает здоровый пушистый хомяк. Вы очень рады, что у вас вырос такой здоровый хомячок. Но…  как-то летом вы решили съездить в деревню к бабушке, за хомяком никто не ухаживал и он сдох. Ваши предки, конечно же, ничего вам не сказали. Они быстренько сбегали в зоомагазин и купили точно такого же хомяка! Один в один! Вы приезжаете к себе домой и продолжаете радоваться своему хомяку, даже не догадываясь, что это вообще не он))). Именно точно также ведет себя транзистор). Он не усиливает сигнал, а просто выводит усиленную копию на выходе.

Откуда берется энергия для усиления

Вспомните  также в своей жизни моменты, когда вы или кто-то другой прилагали очень малую силушку, но наворотили делов.

Получается, какое-то слабенькое движение хвостиком привело к нехорошим последствиям, но энергия использовалась извне. Для мышки-норушки это будет гравитационная сила. Тот же самый принцип заложен и в транзисторе. Он не может сам по себе усиливать. Он использует энергию извне. А для энергии извне используется источник постоянного тока.

Можно сказать, транзистор представляет из себя именно такую же систему – слабенький управляющий базовый ток управляет огромным током коллектор-эмиттер. Справа это все показано на бачке с водой. То есть чуток открыв краник, чтобы из трубки “База”(Б) полилась водичка, мы открываем клапан, который держит закрытым бачок “Коллектор” (К). Вода сразу же из бачка “Коллектор” стремится в тазик “Эмиттер” (Э). Если же мы закрываем краник “База”, то пружинка возвращает клапан и закрывает прохождение водички из бачка “Коллектор”.

Из всего выше рассказанного и показанного можно сделать некоторые выводы:

– выходной сигнал с транзистора – это усиленная копия входного сигнала

– транзистор для усиления сигнала использует энергию извне, а точнее, источник постоянного тока.

– малый управляющий базовый ток управляет намного большим коллекторным током (рисунок выше)

– независимо от схемы включения управляющий P-N переход – эмиттерный, а управляемая цепь – эмиттер-коллектор

Усиление в электронике

Увеличивая амплитуду сигнала, мы меняем его напряжение, а делая сигнал “неуязвимым”, мы добавляем ему силу. Силу тока. Поэтому, увеличивая или напряжение, или силу тока, либо сразу два этих параметра, мы сделаем сигнал мощнее.

Для тех, кто позабыл:

P=IU

где

P – это мощность, измеряется в Ваттах

I – сила тока, в Амперах

U – напряжение, в Вольтах

В своих электронных разработках вы должны точно решить для себя, что именно собираетесь делать с сигналом:

– увеличить его амплитуду напряжения, при этом силу тока оставить неизменной

– оставить амплитуду напряжение такой же, но прибавить мощности с помощью силы тока

– увеличить и напряжение и силу тока

В основном применяют усиление сразу по обоим параметрам.  Поэтому в электронике чаще всего используется схема с ОЭ (Общим Эмиттером), которая увеличивает сигнал и по силе тока, и по напряжению одновременно.

Для транзистора PNP проводимости подключение транзистора  с ОЭ выглядит так:

А для NPN транзистора вот так:

Но вы также должны иметь ввиду, что в электронике нам не просто надо усилить сигнал, а усилить его правильно, чтобы он не потерял свой первозданный вид. Мощная копия сигнала должна пропорционально усиливаться по амплитуде. По времени мы не должны ее трогать, иначе изменится частота сигнала. Но тогда это уже будет совсем другой сигнал.

На рисунке ниже мы можем увидеть входной слабенький сигнал, а на выходе усиленный сигнал после транзисторного каскада.

Как мы видим, сигнал по амплитуде изменился линейно и пропорционально, но период сигнала не изменился. То есть T1=T2. Это пример идеального усилителя.

Принцип усиления

Усилители в электронике в большинстве случаев усиливают именно напряжение. То есть на вход загоняем какой-либо маленький сигнал напряжения, а на выходе мы должны уже получить точную копию сигнала, но бОльшего напряжения. Но как это сделать с практической точки зрения?

А почему бы нам не использовать делитель напряжения, у которого один резистор будет постоянным, а другой – переменным:

Что будет, если мы на переменном резисторе будем менять сопротивление? Правильно! Будем меняться напряжение на выходе U. А теперь представьте, что мы не ручками меняли бы сопротивление, а за нас это бы делало напряжение? Чем больше меняем напряжение, тем больше меняется сопротивление. То есть сопротивление переменного резистора менялось бы прямо пропорционально напряжению. Было бы круто, так ведь?

Помните, как в одной из статей мы сравнивали транзистор с краником? Открываем чуток – напор воды слабый, открываем больше – сильнее. Открываем полностью – вода бежит полным потоком

В биполярном транзисторе происходят похожие процессы. Меняя значение напряжения на базе, а следовательно силу тока в цепи база-эмиттер, мы тем самым меняем сопротивление между коллектором и эмиттером 😉 Следовательно, наша схема из такого вида:

примет вот такой вид

Выглядеть должно все приблизительно так, но не совсем так… и далее вы поймете почему.

Опыт с транзистором

Итак, для того, чтобы все это показать нам понадобится:

1) Генератор частоты. Он у меня китайского происхождения.

2) Двухканальный цифровой осциллограф OWON

3) Блок питания постоянного напряжения

А также мелочевка… Транзистор и резистор. Собираем все это дело вот по такой схеме:

Осциллограммы будем снимать с красной и желтой точек на схеме.

Загоняю на базу сигнал с частотой в 1 КилоГерц и амплитудой в 1 Вольт. Смотрим, что у нас получилось:

На осциллограмме, снятой с желтой точки, мы видим только шумы.

Ладно, ставлю амплитуду в 2 Вольта:

Ничего не изменилось…

И только тогда, когда уже амплитуда стала больше, чем 2 Вольта, на желтой осциллограмме появился уже какой-то периодический сигнал

С увеличением амплитуды его импульсы просто стали шире.

Итак, теперь обо все по  порядку:

Первый косяк этой схемы в том, что мы не учли напряжение для открытия транзистора. Оно, как вы помните, составляет 0,6-0,7 Вольт.

Режимы работы транзистора

Второй косяк. Для того, чтобы транзистор усиливал, мы его должны вогнать в активный режим. Это промежуточный режим между режимом насыщения и режимом отсечки транзистора.

Режим отсечки – это когда транзистор полностью закрытый, то есть нет напряжения смещения на базе-эмиттере 0,6-0,7. Вольт. В этом случае у нас сопротивление между коллектором и эмиттером очень большое.

Режим насыщения – это когда транзистор полностью открытый. В этом режиме смещение на базе-эмиттере более, чем 0,6-0,7 Вольт и сопротивление между коллектором и эмиттером равняется почти нулю.

В режиме отсечки и насыщения работает транзисторный ключ.

В активном режиме напряжение смещения более, чем 0,6-0,7 Вольт, но у нас сопротивление между коллектором и эмиттером не равняется ни нулю, ни бесконечности. В этом режиме мы можем регулировать сопротивление с помощью силы тока, проходящего между базой и эмиттером. А чтобы регулировать эту силу тока , мы можем подавать большее или меньшее напряжение на базу.

Если все объяснить заумной фразой получается так: небольшое изменение силы тока в цепи базы-эмиттер приводит к пропорциональному изменению силы тока в цепи коллектор-эмиттер. Коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается сила тока коллектор-эмиттер от силы тока базы-эмиттер называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Этот коэффициент часто называют h_21э или просто  β.

Думаю, большинство из вас сидело за рулем авто. Может быть, вы когда-нибудь даже пользовались педалью газа)

Допустим, мы поставили первую скорость и решили проехаться по трассе. Топим педаль в пол и едем на всей первой скорости, не переключая коробку скоростей. По аналогии с транзистором – это и есть режим насыщения.

Вообще убираем ногу от педали – машина встает колом. Это режим отсечки (о понятии отсечки в самом авто мы с вами сейчас не говорим). В этом режиме мы вообще не касаемся педали.

Ну а в активном режиме мы нажимаем педаль с такой силой, которая нам нужна 😉 В этом режиме мы сами регулируем скорость. Хотим – едем быстрее, а хотим медленнее 😉  То есть мы управляем автомобилем между режимами отсечки и насыщения. Именно в этом режиме работает транзистор в режиме усиления сигналов.

Недостатки усилителя на транзисторе

Честно говоря, усилитель на биполярном транзисторе – тот еще геморрой.

Во-первых, он управляется силой тока, а не напряжением.

Во-вторых, мы должны обязательно предусмотреть напряжение смещения.

В-третьих, схема каскада усилителя на биполярном транзисторе получается довольно таки громоздкая

В-четвертых, даже тогда, когда мы не подаем сигнал на такой транзисторный каскад, то схема все равно жрет ток.

Как тогда должны выглядеть схема, чтобы мы могли из слабого сигнала получать усиленную копию?

Основные схемы включения транзистора

Итак, существуют три основные схемы соединения биполярного транзистора:

– с Общей Базой (ОБ)

Эта схема усиливает по напряжению. Схема с общей базой используется редко.

– с Общим Эмиттером (ОЭ)

Эта схема усиливает и по напряжению, и по току, и на практике используется наиболее часто.

– с Общим Коллектором (ОК)

Эта схема усиливает по току. Ее часто называют эмиттерный повторитель.

Здесь все просто: какой вывод является общим для входного и выходного сигнала, такая значит и схема включения транзистора.

Обозначение напряжений выводов транзистора

А теперь давайте поговорим об условностях, которые применяются в схемотехническом жаргоне транзистора.

Итак, если вы слышите, что напряжение на базе равно 1 Вольт, то это означает, что это напряжение между базой и общим проводником. На общий в основном садят “минус” и обозначается общий проводник вот таким значком:

Например, U_Б  (напряжение на базе)  транзистора VT1 замеряется как-то вот так:

Напряжение между выводами обозначается двумя индексами, например, напряжение между базой и эмиттером обозначается как U_БЭ . Также на схемах часто можно увидеть обозначения типа U_КК (в буржуйском варианте V_CC ) – это напряжение питания коллектора, обычно положительное. Также есть и U_ЭЭ (в буржуйском варианте V_EE) – напряжение питания эмиттера, обычно отрицательное. Короче говоря, это в основном напряжение питания схемы.

Также имейте ввиду, что каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_К U_КЭ 

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Attention!

Превышение какого-либо параметра из списка выше приведет к неминуемой гибели транзистора!

Принцип работы транзистора

Для того, чтобы понять принцип работы транзистора, давайте рассмотрим вот такое фото:

Условимся считать, что это самая простая модель транзистора. Направление потока воды – это направление электрического тока. Пусть у нашего “транзистора” будет проводимость N-P-N, то есть он будет выглядеть вот так:

С помощью краника (Базы) мы уменьшаем или увеличиваем скорость потока воды через трубу. В нашем случае вода бежит с жёлтой трубы к чёрной трубе, или по аналогии с транзистором: от коллектора к эмиттеру, потому что стрелочка эмиттера показывает направление электрического тока.

Итак, в таком положении краник полностью закрыт, следовательно поток воды не проходит через трубу:

А вот так краник полностью открыт и поток воды бежит на полной мощности через трубу:

Краник открыли, вода через трубу побежала на полной мощности:

Краник закрыли, вода не бежит:

С помощью одного только пальчика, я включал и выключал ОГРОМНЫЙ поток воды, который бы мог смыть все какашки на вашей тельняшке). То есть поток воды из трубы обладает огромнейшей силой, по сравнению с силой пальчика, которую я прикладывал к рыжачку краника. 

Транзистор работает аналогичным образом! Прикладывая небольшое напряжение к базе, я могу управлять огромнейшим током проходящим через коллектор и эмиттер. В данном случае я показал только два положения, краник полностью включен, или краник полностью выключен. Режим, при котором я включал и отключал краник до упора, в транзисторе называется “ключевым режимом”.  Не от слова “ключевой” – типа главный, важный, а от слова “ключ”. А что у нас делает ключ? Что-то отпирает и закрывает, да хотя бы те же самые двери или бабушкин комод.

Режим, когда я ЗАКРЫВАЛ краник полностью, называется в транзисторе закрытый или в простонародье “зАпертый”. В этом случае на базу ток не идет и транзистор не пропускает электрический ток между коллектором и эмиттером.

Режим, когда я полностью ОТКРЫВАЛ краник, называется в транзисторе режимом “насыщения”. В этом случае через эмиттер и коллектор ток бежит по полной. Хочу сказать, что дальнейшее открывание краника бессмысленно, так как от этого ток не увеличится между коллектором и эмиттером, то есть нет резона подавать еще большее напряжение на базу, если транзистор уже работает в режиме насыщения.

Опыты на практике

Ну что же, надо теперь все это дело проверить на реальном транзисторе. У нас в гостях всеми вами любимый транзистор КТ815Б:

Его проводимость N-P-N, то есть он выглядит вот так:

Мы с вами разобрали, что краник – это база, а большой поток воды должен течь с коллектора на эмиттер. Направление стрелки на эмиттере показывает направление движения электрического тока. 

В транзисторе все то же самое. Давайте используем его в деле. Для этого собираем вот такую схемку:

Ну что, вроде бы все элементарно и просто. Есть батарея, есть лампочка. Электрический ток должен бежать от “плюса” к “минусу” и лампа должна гореть. Собираем схему в реале. Щупы-крокодилы идут от Блока питания. Красный – плюс, черный – минус. Напряжение на них около 13,5  Вольт, лампа на такое же напряжение. Лампа  не горит… В чем же дело?

Помните эту картинку?

Елки-палки, нам базу-то надо “повернуть” так, чтобы электрический ток мог бежать от коллектора к эмиттеру!  Но как “повернуть” базу? Да все просто! Для этого нам надо всего-то подать на нее напряжение ;-). 

Теперь наша схема будет выглядеть вот так:

Собираем схему. Крокодилы с синими проводами идут от блока питания Bat1.

Но теперь вопрос. Какое минимальное напряжение должно быть на Bat1, чтобы “краник открылся”?

Помните мы с вами разбирали статью, что на PN переходе у кремниевых транзисторов (а у нас как раз кремниевый) “падает” напряжение где-то 0,5-0,7 В? Кто не помнит, читаем эту статью. А давайте выставим на Bat1 где-то 0,5 В.

Нет… не канает.

Кручу крутилку и выставляю 0,6 Вольт и вуаля! В простонародье говорят, что транзистор “открылся”.

Отсюда делаем вывод: для того, чтобы через коллектор-эмиттер побежал электрический ток, мы должны на базу подать напряжение более чем 0,5-0,7 В, то есть  больше падения напряжения на PN переходе.

Но как много мы можем подать напряжения в базу? Давайте крутанем крутилку на уровень 0,7 В.

При 0,7 В базовый ток составляет уже 20 мА.

Давайте еще чуток добавим:

При 0,8 В уже 140 мА.

А при 0,9 Вольтах:

чуть меньше пол-Ампера! Дальнейшее увеличение напряжения может привести … к полному выходу транзистора из строя.

Максимальные параметры транзистора

Каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_КЭ х U_КЭ

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Более подробно про них можно прочитать здесь.

Если глянуть в даташит, то можно узнать, что максимальный допустимый ток коллектора транзистора КТ815Б составляет 1,5 А. Но как же теперь быть? Наша аппаратура ведь не может работать с такими маленькими допусками напряжения? А что если вдруг случись, напряжение на базе скаканет на 0,3 В? Транзистору сразу придет жопа… Поэтому, чтобы такого не случилось, в базу транзистора ставят токоограничительный резистор. Резистора на 500 Ом вполне хватит, чтобы транзистор был “открытым” от 1 В и до 40 В (ну это в данном опыте). Все, конечно же, зависит от токоограничительного резистора и самого транзистора.

В основном токоограничительный резистор высчитывают по формулам или на практике.

Итак, сколько у нас потребляет транзистор в открытом состоянии?

P = IU

0,7 В х 20 х 10^-3 А = 14 мВт.

А коммутирует нагрузку мощностью 13,5 х 115 х 10^-3 = 1,55 Вт

То есть 14 милливатт управляют 1,55 Ваттами.  Это получилось почти в 110 раз больше.  В этом одна из “фишек” транзистора 😉

www.ruselectronic.com

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE, и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняется ток коллектора I_С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I_b

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I_С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения V_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

hightolow.ru

1.Описание основных элементов цепи

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного(полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector иemitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE, и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P собереться еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом,при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняеться ток коллектора I_С. Так и происходитусиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_Bназывается коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора iс

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).

• Активный режим (active mode).

• Режим насыщения (saturation mode).

• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначаетсяβ, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

studfile.net

Основные параметры транзистора | Практическая электроника

Основные параметры биполярного транзистора описаны в любом даташите. Для того, чтобы понять характеристики транзистора, надо научиться читать его основные параметры. Не зная этих параметров, можно накосячить при конструировании своих радиоэлектронных безделушек. Погнали!

Виды транзисторов

Из первой ст атьи про биполярный транзистор, мы помним, что его производят из двух веществ – это германий и кремний. Следовательно, по материалу, из которых их производят, все биполярные транзисторы делятся на кремниевые и германиевые. Почему же идет такая классификация? Как вы помните из предыдущих статей, для того, чтобы транзистор “открылся” на германиевый транзистор надо подать 0,2-0,3 Вольта, а на кремниевый 0,6-0,7 Вольт. Кремниевый транзистор выдерживает температуру эксплуатации до 150 градусов по Цельсию, тогда как германиевый только до 70 градусов. Обратный коллекторный ток у кремниевого транзистора намного меньше, чем у германиевого, что кстати, тоже немаловажный параметр.

Проводимость транзистора

Проводимость NPN или PNP. С этим, думаю, уже все понятно

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по  току в схеме с Общим Эмиттером (ОЭ)

Обратный коллекторный ток

Обратный коллекторный ток  I_КБО (I_CBO)

Обозначения и индексы

Откуда вообще берутся эти обозначения индексов? Снизу синим маркером я пометил эти индексы:

Оказывается, все до боли просто.

Первая буква индекса – первый вывод транзистора, вторая буква – второй вывод транзистора, ну а третья буква обозначает оставшийся вывод и его условие, при котором производится этот замер. Самая распространенная третья буква – это “О”. Но скорее всего это даже и не буква, а цифра “ноль”. Она говорит о том, что на третьем выводе напряжение равняется нулю. Это достигается тем, что оставшийся третий вывод никуда не подключен и висит в воздухе.

Например, I_КБО говорит нам о том, что это ток (сила тока), между коллектором и базой, при условии, что напряжение на эмиттере равняется нулю. То есть эмиттер отключен.

Есть также более интересные условия, но они встречаются редко. Например, буква “К” от слова “короткий” (в англ.варианте “Shot”). Такой параметр как U_КЭК говорит нам о том, что это напряжение между коллектором и эмиттером, при условии, что база и эмиттер замкнуты накоротко, или детским языком, база  с эмиттером соединены проводочком. Здесь последняя буква говорит нам об оставшемся выводе и условии, которое происходит между этим выводом и буковкой-выводом которая рядом.

Также иногда встречается буква “R”, которая обозначает, как ни странно, сопротивление. Например U_КЭR говорит о том, что это напряжение между коллектором и эмиттером при условии что база и эмиттер соединены сопротивлением. И рядышком в справочнике приводится номинал этого сопротивления.

Также часто встречается вместо третьей буквы индекса обозначение “нас” или на буржуйский манер “sat”. “Нас” – кратко от “насыщение”, то же самое и “”sat” – saturation  в переводе на русский  – насыщение. Например, U_{КЭ нас} (V_CEsat) – это напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

И еще один нюанс… порядок индексов совпадает с положительным направлением тока. Что это значит? Например, U_КЭ напряжение между коллектором и эмиттером. Значит ток движется от коллектора к эмиттеру. Но если мы поменяем индексы вот так U_ЭК у нас это будет уже обозначать, что электрический ток движется от эмиттера к коллектору. Справедливы также следующие выражения:

U_КЭ= – U_ЭК и так далее.

Максимальное допустимое обратное напряжение между коллектором и базой

Максимальное допустимое обратное напряжение между коллектором и базой U_{КБ макс} (V_CBO)  – это максимальное обратное напряжение, которое может выдержать коллекторный P-N переход при открытом эмиттере (эмиттер ни с чем не связан и его ножка болтается в воздухе, короче говоря, на эмиттере ноль)

Для NPN транзистора это будет выглядеть так:

Для NPN транзистора этот параметр показан с плюсом. Оно и понятно, индексы  идут как “КБ”, что означает коллектор “плюсовый” а база “минусовая”.

Вот, например, этот параметр для транзистора BC337 структуры NPN:

Как вы видите, параметр V_CBO показан с плюсом.

Чтобы не мудрить с индексами, для PNP транзистора ставят просто тупо минус перед циферками в даташите, которое говорит нам о том, что напряжение подаем в обратной полярности. В некоторых даташитах знак “минус” не указан, но все равно имейте ввиду, что это обратное напряжение на P-N переходе.

Например как в этом даташите на транзистор S8550 PNP структуры. Видите перед цифрой “30” знак минус? Если бы мы поменяли индексы, то получили бы, что V_BCO =30 Вольт. Знак “минус” тогда бы исчез, но в то же время у нас индексы поменялись (я их даже выделил жирным шрифтом).

То есть тут мы видим, что это напряжение тоже обратное.

Максимальное допустимое значение напряжения между эмиттером и базой

Максимальное допустимое напряжение между эмиттером и базой U_{ЭБ макс} (V_ЕВО)  – это напряжение, которое может выдержать эмиттерный P-N переход, если приложить напряжение в обратном направлении, при условии, что коллектор у нас никуда не цепляется. Похожий параметр, но только  уже для эмиттерного перехода.

Для NPN транзистора это выглядит вот так и напряжение в даташите указывается с плюсом:

А для PNP как-то так:

Для PNP этот параметр также идет с минусом, чтобы не переставлять индексы:

Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером

Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером U_{КЭ макс} (U_КЭО). Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером по направлению стрелочки эмиттера , при условии что база  никуда не цепляется. Для PNP транзистора этот параметр также идет с минусом.

Максимальная рассеиваемая мощность

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе P_{K макс} (P_{C max}). Это максимальная мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающее пространство.

Например, для транзистора S8550 это значение равняется 1 Ватту.

Чтобы его не превысить, нужно рассчитать какую мощность будет рассеивать ваш транзистор по формуле:

P=U_K x I_K

где

P – это мощность, которая рассеивается на транзисторе

U_K  – напряжение на коллекторе относительно минуса

I_K  – ток коллектора

Рассеивание мощности транзистором означает, что на нем будет выделяться тепло, которое рассеивается в окружающее пространство. Поэтому, чтобы отвести это тепло от транзистора, применяют радиаторы:

Особенно это касается мощных транзисторов, через которые текут большие токи и напряжения. Как я уже говорил, для кремниевых транзисторов критическая температура нагрева это 150 градусов по Цельсию, для германиевых 70. Так что следите за температурой, если не хотите получить в результате уголек с дымом. Иными словами если Р превысит P_{К макс}, то вашему транзистору придет жопа.

Максимальный допустимый коллекторный ток

Максимально допустимый коллекторный ток I_{K макс} (I_{c max}). Превышение этого номинала приводит к пробою переходов, выгоранию тонких токоведущих проводов, которые соединяют ножку транзистора с кристаллом полупроводника. Ну и чем больше ток, тем разумеется и больше мощность, выделяемая транзистором, значит  будет больше нагрев.

Граничная частота передачи тока

Граничная частота передачи тока f_гр .  Это частота, на которой коэффициент β (коэффициент усиления по току) становится равным единице. Так что отсюда вывод, что не каждый транзистор будет усиливать высокочастотные колебания. Поэтому в радиоприемной и радиопередающей аппаратуре используются транзисторы с высокой граничной частотой.

Различных других параметров транзистора туева куча. Здесь же я привел те параметры, на которые следует обращать внимание при проектировании своих электронных безделушек. Некоторые параметры в одной книге обозначают так, в другой эдак, в третьей совсем по-другому. Не могу сказать, что мои названия и обозначение параметров образцовые, но все-таки старался обозначить как в большинстве учебной литературы, чтобы было понятно каждому начинающему электронщику.

Продолжение——>

<——-Предыдущая статья

www.ruselectronic.com

Схемы Подключения Биполярных Транзисторов — tokzamer.ru

В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA и 2SC Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении схемы усилительного каскада с общим эмиттером.


Конденсатор Ср является разделительным. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис.
Биполярные транзисторы

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные — 3…30 МГц, высокочастотные — свыше 30 МГц.

Рисунок 3.

Автор статьи предлагал регулировать частоту вращения коллекторного двигателя изменением длительности импульсов в обмотке управления ОУ.

Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, — не более

Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА. ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ [РадиолюбительTV 42]

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя.

Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях.

Заключение Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством.

Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.

При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах. Рисунок 2.
Как работает транзистор? Режим ТТЛ логика / Усиление. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 1

Смотрите также: Энергоаудит предприятия для чего и когда проводится

Схема с общей базой

При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле: Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Кроме биполярных существуют униполярные полевые транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей — электроны или дырки.

Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется.

Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б—Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи. Достоинства каскада по схеме с общим эмиттером: 1. Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Работа транзистора в ключевом режиме Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме. Эмиттерные повторители схемы с общим коллектором применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя БС. Теперь проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.

Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки читай одной партии. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками. Рисунок 7. Следовательно, для усилителей постоянного тока нижняя граничная частота усиления равна нулю переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором ОК. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! База является управляющим электродом.
Биполярные транзисторы. Принцип действия.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием.

Благодаря незначительной толщине слоя микроны и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Где транзисторы купить? Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Его также обозначают как Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах: Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Ответ может быть да а может и нет. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, этим объясняется тот факт, что коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Схема с общим коллектором ОК Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь.

Читайте также: Снип по прокладке кабеля в земле

Схемы включения биполярного транзистора

Ваш email:. Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем рис. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП- интегральных схемах значительно выше. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.

Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален. Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке в области базы транзистора.

Устройство и принцип действия

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда — электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя.

Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. Все эти схемы показаны на рисунке 2. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами.
Ключевой режим работы транзистора Схема с общим эмиттером

tokzamer.ru