У яких режимах може працювати біполярний транзистор. Біполярні транзистори

Залежно від напруги на висновках транзистор може перебувати у таких основних режимах:

• Режим відсічення;
• активний режим;
• Режим насичення.

Крім цих режимів, існує ще інверсний режим, який використовується дуже рідко.

Режим відсічки

Коли напруга між базою та емітером нижче, ніж 0.6V - 0.7V, то p-n перехідміж базою та емітером закритий. У такому стані транзистор практично відсутній струм бази. В результаті струму колектора теж не буде, оскільки в базі немає вільних електронів, які готові рухатися у бік напруги на колекторі. Виходить, що транзистор замкнений, і кажуть, що він перебуває в режимі відсікання.

Активний режим

В активному режимі на базу подано напругу, достатню для того, щоб p-n перехід між базою та емітером відкрився. Виникають струми бази та колектора. Струм колектора дорівнює струму бази, помноженому на коефіцієнт посилення. Тобто активним режимом називають нормальний робочий режим транзистора, який використовують для посилення.

Режим насичення

Якщо збільшувати струм бази, може наступити такий момент, коли струм колектора перестане збільшуватися, т.к. транзистор повністю відкриється, і струм визначатиметься тільки напругою джерела живлення та опором навантаження ланцюга колектора. Транзистор досягає режиму насичення. У режимі насичення струм колектора буде максимальним, який може забезпечуватися джерелом живлення при цьому опорі навантаження, і не залежатиме від струму бази. У такому стані транзистор не здатний посилювати сигнал, оскільки струм колектора не реагує зміни струму бази. У режимі насичення провідність транзистора максимальна, і він більше підходить для перемикача (ключа) в стані «включений». Аналогічно, в режимі відсікання провідність транзистора мінімальна, і це відповідає перемикачу в стані «вимкнений». Всі ці режими можна пояснити за допомогою вихідних параметрів транзистора.

Розглянемо каскад посилення на транзисторі, включеному за схемою із загальним емітером (рис. 4.14). При зміні величини вхідного сигналу змінюватиметься струм бази Iб. Струм колектора Iк змінюється пропорційно струму бази:

Iк = β I б. (4.5.1)

Мал. 4.14. Схема підсилювального каскаду (малюнок виконаний авторами)

Зміну струму колектора можна простежити за вихідними характеристиками транзистора (рис. 4.15). На осі абсцис відкладемо відрізок, рівний ЕК - напрузі джерела живлення колекторного ланцюга, а на осі ординат відкладемо відрізок, що відповідає максимально можливому струму в ланцюзі цього джерела:

I до макс = E до /R до (4.5.2)

Між цими точками проведемо пряму лінію, яка називається лінією навантаження та описується рівнянням:

I до = (E до - U ке)/R до (4.5.3)

Де U КЕ - напруга між колектором та емітером транзистора; R К - опір навантаження в колекторному ланцюзі.

Мал. 4.15. Режими роботи біполярного транзистора (малюнок виконаний авторами)

З (4.5.3) випливає, що

R до = Eк/I до макс = tanα. (4.5.4)

І, отже, нахил лінії навантаження визначається опором R К. З рис. 4.15 слід, що в залежності від струму бази Iб, що протікає у вхідному ланцюгу транзистора, робоча точка транзистора, що визначає його колекторний струм і напруга U КЕ, буде переміщатися вздовж лінії навантаження від нижнього положення (точки 1, що визначається перетином лінії навантаження з вихідною характеристикою при I б =0), до точки 2, яка визначається перетином лінії навантаження з початковим крутозростаючим ділянкою вихідних характеристик.

Зона, розташована між віссю абсцис і початковою вихідною характеристикою, що відповідає I б =0, називається зоною відсічки і характеризується тим, що обидва переходи транзистора - емітерний і колекторний зміщені у зворотному напрямку. Колекторний струм при цьому є зворотним струмом колекторного переходу - I К0 , який дуже малий і тому майже вся напруга джерела живлення E К падає між емітером і колектором закритого транзистора:

U ке ≈ E к.

А падіння напруги на навантаженні дуже мало й одно:

U Rк = I к0 R до (4.5.5)

Кажуть, що у цьому випадку транзистор працює у режимі відсічення. Оскільки в цьому режимі струм, що протікає по навантаженню зникаючий, а майже вся напруга джерела живлення прикладена до закритого транзистора, то в цьому режимі транзистор можна представити у вигляді розімкнутого ключа.

Якщо тепер збільшувати базовий струм I б, то робоча точка буде переміщатися вздовж лінії навантаження, поки досягне точки 2. Базовий струм, відповідний характеристиці, що проходить через точку 2, називається струмом бази насичення I б нас. Тут транзистор входить у режим насичення і подальше збільшення базового струму не призведе до збільшення колекторного струму I К. Зона між віссю ординат і ділянкою вихідних характеристик, що круто змінюється, називається зоною насичення. У цьому випадку обидва переходи транзистора зміщені прямому напрямку; струм колектора досягає максимального значення і майже дорівнює максимальному струму джерела колекторного живлення:

I k max ≈ I до нас (4.5.6)

а напруга між колектором та емітером відкритого транзистора виявляється дуже маленькою. Тому в режимі насичення транзистор можна подати у вигляді замкнутого ключа.

Проміжне положення робочої точки між зоною відсічення та зоною насичення визначає роботу транзистора в режимі посилення, а область, де вона знаходиться, називається активною областю. При роботі в цій галузі емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний – у зворотному (Петрович В. П., 2008).

Насамперед давайте згадаємо, якої провідності бувають біполярні транзистори. Хто читав попередні статті, думаю пам'ятають, що транзистори бувають NPN провідності:

та PNP провідності

Принцип роботи транзистора PNP

Розглянемо такий малюнок:

Тут ми бачимо трубу, якою тече вода знизу вгору під високим тиском. На даний момент труба закрита червоною заслінкою і тому потоку води немає.

Але як тільки ми відтягуємо заслінку, трохи потягнувши зелений важіль, то червона заслінка відтягується і бурхливий потік води біжить трубою знизу вгору.

Але ось ми знову відпускаємо зелений важіль, і синя пружина повертає заслінку у вихідне положення і перегороджує шлях воді

Тобто ми трохи притягнули заслінку до себе, і вода побігла через трубу скаженим потоком. Майже так само поводиться PNP транзистор.Якщо уявити цю трубу як транзистор, його висновки виглядатимуть ось так:

Значить, для того, щоб струм біг від емітера до колектора (а ви пам'ятаєте, що струм повинен бігти туди, куди показує стрілка емітера)

ми повинні зробити так, щоб із бази випливавструм, або висловлюючись дилетантською мовою, подавати на базу мінус харчування(“відтягувати” напругу він).

Практичний досвід

Ну що, проведемо довгоочікуваний досвід. Для цього візьмемо транзистор КТ814Б, який є компліментарною парою транзистору КТ815Б.

Хто погано читав минулі статті, хочу нагадати, що компліментарна пара для когось транзистора – це транзистор точно з такими ж характеристиками та параметрами, АЛЕу нього просто інша провідність. Це означає, що транзистор КТ815 у нас зворотнійпровідності, тобто NPN, а КТ814 прямийпровідності, тобто PNP. Справедливим є також і зворотне: для транзистора КТ814 компліментарною парою є транзистор КТ815. Коротше кажучи, дзеркальні брати-близнюки.

Транзистор КТ814Б є транзистором PNP провідності:

Ось його цоколівка:

Для того, щоб показати принцип його роботи, ми його зберемо за схемою із Загальним Еміттером (ОЕ):

Насправді вся схема виглядає якось так:

Сині проводки-крокодили йдуть від блока живлення Bat1, а інші два дроти з крокодилами, чорний та червоний, від блоку живлення Bat2.

Отже, для того, щоб схема запрацювала, виставляємо на Bat2напруга для живлення лампочки розжарювання. Так як лампочка у нас на 6 Вольт, то й виставляємо 6 Вольт.

На блоці живлення Bat1акуратно додаємо напругу від нуля і поки не загориться лампочка розжарювання. І ось при напрузі 0,6 Вольт

у нас загорілася лампочка

Тобто транзистор "відкрився" і через ланцюг емітер-колектор побіг електричний струм, який змусив горіти нашу лампочку. Напруга відкриття – це падіння напруги на база-емітер. Як ви пам'ятаєте, для кремнієвих транзисторів (а транзистор КТ814Б у нас кремнієвий, про це говорить літера "К" на початку його назви) це значення знаходиться в діапазоні 0,5-0,7 Вольт. Тобто щоб "відкрити" транзистор, достатньо подати на базу-емітер напругу більш ніж 0,5-0,7 Вольт.

Схеми включення NPN та PNP транзисторів

Отже, подивіться дві схеми і знайдіть різницю. Зліва NPN транзистор КТ815Б у схемі з ОЕ, а праворуч КТ814Б за такою ж схемою включення:

Ну і в чому полягає відмінність? Та в полярності харчування! І тепер можна з упевненістю сказати, що транзистор провідності PNP відкривається “мінусом”, оскільки на базу ми подаємо “мінус”, а транзистор провідності NPN відкривається “плюсом”.

PNP-транзистор є електронним приладом, у певному сенсі зворотному NPN-транзистору. У цьому типі конструкції транзистора його PN-переходи відкриваються напругою зворотної полярності по відношенню до NPN-типу. В умовному позначенні приладу стрілка, яка також визначає виведення емітера, цього разу вказує на середину символу транзистора.

Конструкція приладу

Конструктивна схема транзистора PNP-типу складається з двох областей напівпровідникового матеріалу p-типу по обидва боки області матеріалу n-типу, як показано на малюнку нижче.

Стрілка визначає емітер та загальноприйнятий напрямок його струму ("всередину" для транзистора PNP).

PNP-транзистор має дуже схожі характеристики зі своїм NPN-біполярним побратимом, за винятком того, що напрями струмів та полярності напруг у ньому зворотні для будь-якої з можливих трьох схем включення: із загальною базою, із загальним емітером та із загальним колектором.

Основні відмінності двох типів біполярних транзисторів

Головною відмінністю між ними вважається те, що дірки є основними носіями струму для транзисторів PNP, NPN-транзистори мають в цій якості електрони. Тому полярності напруги, що живлять транзистор, змінюються на зворотні, а його вхідний струм випливає з бази. На відміну від цього, у NPN-транзистора струм бази втікає в неї, як показано нижче на схемі включення приладів обох типів із загальною базою та загальним емітером.

Принцип роботи транзистора PNP-типу заснований на використанні невеликого (як і NPN-типу) базового струму і негативного (на відміну від NPN-типу) базової напруги зміщення для управління набагато більшим емітерно-колекторним струмом. Іншими словами, для транзистора PNP емітер є більш позитивним по відношенню до бази, а також по відношенню до колектора.

Розглянемо відмінності PNP-типу на схемі включення із загальною базою

Дійсно, з неї можна побачити, що струм колектора I C (у разі транзистора NPN) випливає з позитивного полюса батареї B2, проходить по виводу колектора, проникає всередину і повинен далі вийти через виведення бази, щоб повернутися до негативного полюса батареї. Таким же чином, розглядаючи ланцюг емітера, можна побачити, як його струм від позитивного полюса батареї B1 входить у транзистор виведення бази і далі проникає в емітер.

За виведенням бази, таким чином, проходить як струм колектора I C , так і струм емітера I E . Оскільки вони циркулюють за своїми контурами в протилежних напрямках, то результуючий струм бази дорівнює їх різниці і дуже малий, так як IC трохи менше, ніж IE. Але оскільки останній все ж таки більше, то напрям протікання різницевого струму (струму бази) збігається з I E , і тому біполярний транзистор PNP-типу має струм, що випливає з бази, а NPN-типу - що втікає.

Відмінності PNP-типу на прикладі схеми включення із загальним емітером

У цій новій схемі PN-перехід база-емітер відкритий напругою батареї B1, а перехід колектор-база зміщений у зворотному напрямку за допомогою напруги батареї В2. Висновок емітера, таким чином, є загальним для ланцюгів бази та колектора.

Повний струм емітера визначається сумою двох струмів I C і I B ; що проходять з висновку емітера в одному напрямку. Таким чином, маємо IE = IC + IB.

У цій схемі струм бази IB просто «відгалужується» від струму емітера IE, також збігаючись з ним у напрямку. При цьому транзистор PNP-типу, як і раніше, має витік з бази струм I B , а NPN-типу - що втікає.

У третій з відомих схем включення транзисторів, із загальним колектором, ситуація така сама. Тому ми її не наводимо з метою економії місця та часу читачів.

PNP-транзистор: підключення джерел напруги

Джерело напруги між базою та емітером (V BE) підключається негативним полюсом до бази та позитивним до емітера, тому що робота PNP-транзистора відбувається при негативному зміщенні бази по відношенню до емітера.

Напруга живлення емітера також позитивно по відношенню до колектора (V CE). Таким чином, у транзистора PNP-типу виведення емітера завжди більш позитивний як до бази, так і до колектора.

Джерела напруги підключаються до PNP-транзистора, як показано нижче.

Цього разу колектор підключений до напруги живлення V CC через резистор навантаження, R L , який обмежує максимальний струм, що протікає через прилад. Базова напруга V B , яка зміщує її в негативному напрямку по відношенню до емітера, подано на неї через резистор R B , який знову використовується для обмеження максимального струму бази.

Робота PNP-транзисторного каскаду

Отже, щоб викликати протікання базового струму в PNP-транзисторі, база повинна бути негативнішою, ніж емітер (струм повинен залишити базу) приблизно на 0,7 вольт для кремнієвого приладу або на 0,3 вольта для германієвого. Формули, що використовуються для розрахунку базового резистора, базового струму або струму колектора такі ж, як ті, що використовуються для еквівалентного NPN-транзистора та представлені нижче.

Ми бачимо, що фундаментальною відмінністю між NPN і PNP-транзистором є правильне зміщення pn-переходів, оскільки напрями струмів та полярності напруг у них завжди протилежні. Таким чином, для наведеної вище схеми: I C = I E - I B, тому що струм повинен витікати з бази.

Як правило, PNP-транзистор можна замінити на NPN у більшості електронних схем, різниця лише в полярності напруги та напрямку струму. Такі транзистори також можуть бути використані як перемикаючі пристрої, і приклад ключа на PNP-транзистори показаний нижче.

Характеристики транзистора

Вихідні характеристики транзистора PNP-типу дуже схожі на відповідні криві еквівалентного NPN-транзистора, за винятком того, що вони повернуті на 180° з урахуванням реверсу полярності напруги та струмів (струми бази і колектора, PNP-транзистора негативні). Так само, щоб знайти робочі точки транзистора PNP-типу, його динамічна лінія навантаження може бути зображена в III чверті декартової системи координат.

Типові характеристики PNP-транзистора 2N3906 показані нижче.

Транзисторні пари у підсилювальних каскадах

Ви можете поставити запитання, що за причина використовувати PNP-транзистори, коли є багато доступних NPN-транзистори, які можуть бути використані як підсилювачі або твердотільні комутатори? Однак наявність двох різних типів транзисторів – NPN та PNP – дає великі переваги при проектуванні схем підсилювачів потужності. Такі підсилювачі використовують "комплементарні", або "узгоджені" пари транзисторів (являють собою один PNP-транзистор і один NPN, з'єднані разом, як показано на рис. нижче) у вихідному каскаді.

Два відповідні NPN та PNP-транзистори з близькими характеристиками, ідентичними один одному, називаються комплементарними. Наприклад, TIP3055 (NPN-тип) і TIP2955 (PNP-тип) є хорошим прикладом комплементарних силічних силікових силових транзисторів. Вони обидва мають коефіцієнт посилення постійного струмуβ=I C /I B узгоджений у межах 10% і великий струм колектора близько 15А, що робить їх ідеальними для пристроїв керування двигунами або роботизованих додатків.

Крім того, підсилювачі класу B використовують узгоджені пари транзисторів та у своїх вихідний потужних каскадах. Вони NPN-транзистор проводить лише позитивну напівхвилю сигналу, а PNP-транзистор - лише його негативну половину.

Це дозволяє підсилювачу проводити необхідну потужність через гучномовець в обох напрямках при заданій номінальній потужності та імпедансі. В результаті вихідний струм, який зазвичай буває близько декількох ампер, рівномірно розподіляється між двома комплементарними транзисторами.

Транзисторні пари у схемах керування електродвигунами

Їх застосовують також у H-мостових ланцюгах управління реверсивними двигунами постійного струму, що дозволяють регулювати струм через двигун рівномірно в обох напрямках його обертання.

H-мостовий ланцюг вище називається так тому, що базова конфігурація чотирьох перемикачів на транзисторах нагадує букву «H» з двигуном, розташованим на поперечній лінії. Транзисторний H-міст, ймовірно, є одним з типів схеми управління реверсивним двигуном постійного струму, що найчастіше використовуються. Він використовує "взаємодоповнюючі" пари транзисторів NPN- і PNP-типів у кожній гілки, що працюють як ключі при керуванні двигуном.

Вхід керування A забезпечує роботу двигуна в одному напрямку, в той час як вхід B використовується для зворотного обертання.

Наприклад, коли транзистор TR1 увімкнено, а TR2 вимкнено, вхід A підключено до напруги живлення (+ Vcc), і якщо транзистор TR3 вимкнено, а TR4 увімкнено, то вхід B підключено до 0 вольт (GND). Тому двигун буде обертатися в одному напрямку, що відповідає позитивному потенціалу входу A та негативному входу B.

Якщо стану ключів змінити так, щоб TR1 був вимкнений, TR2 включений, TR3 включений, а TR4 вимкнений, струм двигуна протікатиме в протилежному напрямку, що спричинить його реверсування.

Використовуючи протилежні рівні логічної "1" або "0" на входах A і B, можна керувати напрямком обертання двигуна.

Визначення типу транзисторів

Будь-які біполярні транзистори можна уявити що складаються переважно з двох діодів, з'єднаних разом спина до спини.

Ми можемо використовувати цю аналогію, щоб визначити, чи транзистор відноситься до типу PNP або NPN шляхом тестування його опору між його трьома висновками. Тестуючи кожну їхню пару в обох напрямках за допомогою мультиметра, після шести вимірювань отримаємо наступний результат:

1. Еміттер – База.Ці висновки мають діяти як звичайний діод та проводити струм лише в одному напрямку.

2.Колектор – база.Ці висновки також мають діяти як звичайний діод та проводити струм лише в одному напрямку.

3. Еміттер - колектор.Ці висновки не повинен проводити у будь-якому напрямку.

Значення опорів переходів транзисторів обох типів

Тоді ми можемо визначити PNP-транзистор як справний та закритий. Невеликий вихідний струм і негативна напруга на його базі (B) по відношенню до його емітера (E) його відкриватиме і дозволить протікати значно більшому емітер-колекторному струму. Транзистори PNP проводять за позитивного потенціалу емітера. Іншими словами, біполярний PNP-транзистор буде проводити лише в тому випадку, якщо висновки бази та колектором є негативним по відношенню до емітера.

Біполярний транзистор- Електронний напівпровідниковий прилад, один з типів транзисторів, призначений для посилення, генерування та перетворення електричних сигналів. Транзистор називається біполярний, оскільки в роботі приладу одночасно беруть участь два типи носіїв заряду – електрониі дірки. Цим він відрізняється від уніполярного(польового) транзистора, у якого бере участь лише одне тип носіїв заряду.

Принцип роботи обох типів транзисторів схожий роботу водяного крана, який регулює водяний потік, лише через транзистор проходить потік електронів. У біполярних транзисторів через прилад проходять два струми - основний "великий" струм, і керуючий "маленький" струм. Потужність основного струму залежить від потужності керуючого. У польових транзисторів через пристрій проходить лише один струм, потужність якого залежить від електромагнітного поля. У статті розглянемо докладніше роботу біполярного транзистора.

Влаштування біполярного транзистора.

Біполярний транзистор складається з трьох шарів напівпровідника та двох PN-переходів. Розрізняють PNP і NPN транзистори за типом чергування діркової та електронної провідностей. Це схоже на два діоди, з'єднаних віч-на-віч або навпаки.

У біполярного транзистора три контакти (електрода). Контакт, що виходить із центрального шару, називається основа (base).Крайні електроди мають назву колекторі емітер (collectorі emitter). Прошарок бази дуже тонка щодо колектора та емітера. На додаток до цього області напівпровідників по краях транзистора несиметричні. Шар напівпровідника з боку колектора трохи товстіший, ніж з боку емітера. Це потрібно для правильної роботи транзистора.

Розглянемо фізичні процеси, які відбуваються під час роботи біполярного транзистора. Для приклад візьмемомодель NPN. Принцип роботи транзистора PNP аналогічний, лише полярність напруги між колектором та емітером буде протилежною.

Як мовилося раніше у статті про типи провідності у напівпровідниках , у речовині P-типу перебувають позитивно заряджені іони — дірки. Речовина N типу насичена негативно зарядженими електронами. У транзисторі концентрація електронів області N значно перевищує концентрацію дірок в області P.

Підключимо джерело напруги між колектором та емітером V КЕ (V CE). Під його дією, електрони з верхньої частини N почнуть притягуватися до плюсу і збиратися біля колектора. Однак струм не зможе йти, тому що електричне поле джерела напруги не досягає емітера. Цьому заважає товстий прошарок напівпровідника колектора плюс прошарок напівпровідника бази.

Тепер підключимо напругу між базою та емітером V BE , але значно нижчою за V CE (для кремнієвих транзисторів мінімальне необхідне V BE — 0.6V). Оскільки прошарок P дуже тонкий, плюс джерела напруги підключеного до бази, зможе «дотягнутися» своїм електричним полем до N області емітера. Під його впливом електрони попрямують до бази. Частина з них почне заповнювати дірки, що знаходяться там (рекомбінувати). Інша частина не знайде собі вільну дірку, тому що концентрація дірок у базі набагато нижча за концентрацію електронів в емітері.

Внаслідок цього центральний шар бази збагачується вільними електронами. Більшість із них попрямує у бік колектора, оскільки там напруга набагато вища. Також цьому сприяє дуже маленька товщина центрального шару. Якась частина електронів, хоч набагато менша, все одно потече у бік плюс бази.

У результаті ми отримуємо два струми: невеликий - від бази до емітера I BE, і великий - від колектора до емітера I CE.

Якщо збільшити напругу з урахуванням, то прошарку P збереться ще більше електронів. В результаті трохи посилиться струм бази, і значно посилиться струм колектора. Таким чином, при невеликій зміні струму бази I B , сильно змінюється струм колектора IТак і відбувається посилення сигналу у біполярному транзисторі. Співвідношення струму колектора I до струму бази I B називається коефіцієнтом посиленняза струмом. Позначається β , hfeабо h21e, Залежно від специфіки розрахунків, що проводяться з транзистором.

Найпростіший підсилювач на біполярному транзисторі

Розглянемо докладніше принцип посилення сигналу електричної площині з прикладу схеми. Заздалегідь зазначу, що така схема не зовсім правильна. Ніхто не підключає джерело постійної напруги безпосередньо до джерела змінного. Але в даному випадку так буде простіше і наочніше для розуміння самого механізму посилення за допомогою біполярного транзистора. Так само, сама техніка розрахунків у наведеному нижче прикладі має дещо спрощений характер.

1.Опис основних елементів ланцюга

Отже, допустимо у нашому розпорядженні транзистор з коефіцієнтом посилення 200 (? = 200). З боку колектора підключимо щодо потужне джерело живлення в 20V, за рахунок енергії якого відбуватиметься посилення. З боку бази транзистора приєднаємо слабке джерело живлення до 2V. До нього послідовно приєднаємо джерело змінної напруги у формі синуса, з амплітудою коливань 0.1V. Це буде сигнал, який слід посилити. Резистор Rb біля бази необхідний для того, щоб обмежити струм, що йде від джерела сигналу, що зазвичай має слабку потужність.

2. Розрахунок вхідного струму бази I b

Тепер порахуємо струм бази I b. Оскільки ми маємо справу зі змінною напругою, потрібно порахувати два значення струму – при максимальній напрузі (V max) та мінімальній (V min). Назвемо ці значення струму відповідно - I bmax і I bmin.

Також, щоб порахувати струм бази, необхідно знати напругу база-емітер V BE . Між базою та емітером розташовується один PN-перехід. Виходить, що струм бази зустрічає на своєму шляху напівпровідниковий діод. Напруга, у якому напівпровідниковий діод починає проводити — близько 0.6V. Не будемо вдаватися в подробиці вольт-амперних характеристик діода, і для простоти розрахунків візьмемо наближену модель, згідно з якою напруга на діоді, що проводить струм, завжди 0.6V. Отже, напруга між базою та емітером V BE = 0.6V. А оскільки емітер підключений до землі (VE = 0), то напруга від бази до землі теж 0.6V (V B = 0.6V).

Порахуємо I bmax та I bmin за допомогою закону Ома:

2. Розрахунок вихідного струму колектора I С

Тепер, знаючи коефіцієнт посилення (β = 200), можна легко порахувати максимальне і мінімальне значення струму колектора (I cmax і I cmin).

3. Розрахунок вихідної напруги V out

Через резистор Rc тече струм колектора, який ми вже порахували. Залишилося підставити значення:

4. Аналіз результатів

Як очевидно з результатів, V Cmax вийшов менше ніж V Cmin . Це сталося через те, що напруга на резистори V Rc віднімається від напруги живлення VCC. Проте здебільшого це має значення, оскільки нас цікавить змінна складова сигналу – амплітуда, яка збільшилася з 0.1V до 1V. Частота та синусоїдальна форма сигналу не змінилися. Звісно, ​​співвідношення V out /V in у десять разів — далеко на найкращий показник для підсилювача, проте для ілюстрації процесу підсилення цілком підійде.

Отже, підсумуємо принцип роботи підсилювача на біполярному транзисторі. Через основу тече струм I b , що несе у собі постійну та змінну складові. Постійна складова потрібна для того, щоб PN-перехід між базою та емітером почав проводити – «відкрився». Змінна складова - це, власне, сам сигнал (корисна інформація). Сила струму колектор-емітер усередині транзистора – це результат множення струму бази коефіцієнт посилення β. Напруга на резисторі Rc над колектором – результат множення посиленого струму колектора на значення резистора.

Таким чином, на висновок V out надходить сигнал зі збільшеною амплітудою коливань, але з формою, що збереглася, і частотою. Важливо підкреслити, що енергію посилення транзистор бере в джерела живлення VCC. Якщо напруги живлення буде недостатньо, транзистор не зможе повноцінно працювати, і вихідний сигнал може вийде зі спотвореннями.

Режими роботи біполярного транзистора

Відповідно до рівнів напруги на електродах транзистора, розрізняють чотири режими його роботи:

• Режим відсікання (cut off mode).
• Активний режим (Active mode).
• Режим насичення (saturation mode).
• Інверсний ражим (reverse mode).

Режим відсічки

Коли напруга база-емітер нижче, ніж 0.6V - 0.7V, PN-перехід між базою та емітером закритий. У такому стані транзистор відсутній струм бази. В результаті струму колектора теж не буде, оскільки в базі немає вільних електронів, які готові рухатися у бік напруги на колекторі. Виходить, що транзистор ніби замкнений, і кажуть, що він знаходиться в режимі відсічення.

Активний режим

У активному режимінапруга на базі достатня, щоб PN-перехід між базою і емітером відкрився. У цьому стані у транзистора присутні струми бази та колектора. Струм колектора дорівнює струму бази, помноженому на коефіцієнт посилення. Тобто активним режимом називають нормальний робочий режим транзистора, який використовують для посилення.

Режим насичення

Іноді струм бази може бути занадто великим. В результаті потужності живлення просто не вистачить для забезпечення такої величини струму колектора, яка відповідала б коефіцієнту посилення транзистора. У режимі насичення струм колектора буде максимальним, який може забезпечити джерело живлення і не залежатиме від струму бази. У такому стані транзистор не здатний посилювати сигнал, оскільки струм колектора не реагує зміни струму бази.

У режимі насичення провідність транзистора максимальна, і він більше підходить для перемикача (ключа) в стані «включений». Аналогічно, в режимі відсікання провідність транзистора мінімальна, і це відповідає перемикачу в стані «вимкнений».

Інверсний режим

У цьому режимі колектор та емітер змінюються ролями: колекторний PN-перехід зміщений у прямому напрямку, а емітерний – у зворотному. В результаті струм із бази тече в колектор. Область напівпровідника колектора несиметрична емітеру, і коефіцієнт посилення в інверсному режимі виходить нижче, ніж у нормальному активному режимі. Конструкція транзистора виконана таким чином, щоб максимально ефективно працював в активному режимі. Тому в інверсному режимі транзистор практично не використовують.

Основні параметри біполярного транзистора.

Коефіцієнт посилення струму- Співвідношення струму колектора I С до струму бази I B . Позначається β , hfeабо h21e, Залежно від специфіки розрахунків, що проводяться з транзисторів.

β - величина стала для одного транзистора, і залежить від фізичної будови приладу. Високий коефіцієнт посилення обчислюється у сотнях одиниць, низький - у десятках. Для двох окремих транзисторів одного типу, навіть якщо під час виробництва вони були "сусідами по конвеєру", може трохи відрізнятися. Ця характеристика біполярного транзистора є, мабуть, найважливішою. Якщо іншими параметрами приладу досить часто можна знехтувати розрахунками, то коефіцієнтом посилення по струму практично неможливо.

Вхідний опір- Опір в транзисторі, який «зустрічає» струм бази. Позначається R in (R вх). Чим воно більше - тим краще для підсилювальних характеристик приладу, оскільки з боку бази зазвичай знаходиться джерело слабкого сигналу, у якого потрібно споживати якнайменше струму. Ідеальний варіант- Це коли вхідний опір дорівнює нескінченність.

R вх для середньостатистичного біполярного транзистора становить кілька сотень КΩ (кілоом). Тут біполярний транзистор дуже сильно програє польовому транзистору, де вхідний опір сягає сотень ГΩ (гігаом).

Вихідна провідність— провідність транзистора між колектором та емітером. Чим більша вихідна провідність, тим більше струму колектор-емітер зможе проходити через транзистор при меншій потужності.

Також зі збільшенням вихідної провідності (або зменшенням вихідного опору) збільшується максимальне навантаження, яке може витримати підсилювач за незначних втрат загального коефіцієнтапосилення. Наприклад, якщо транзистор з низькою вихідною провідністю посилює сигнал у 100 разів без навантаження, то при під'єднанні навантаження в 1 КΩ, він вже підсилюватиме всього в 50 разів. У транзистора, з таким самим коефіцієнтом посилення, але з більшою вихідною провідністю, падіння посилення буде менше. Ідеальний варіант - це коли вихідна провідність дорівнює нескінченність (або вихідний опір R out = 0 (R вих = 0)).

Статті ми з вами розібрали такий важливий параметртранзистора як коефіцієнт бета (β) . Але є у транзисторі ще один цікавий параметр. Сам по собі він мізерний, але діл може наробити ого-го! Це все одно, що галька, яка потрапила в кросівок легкоатлету: начебто маленька, а завдає незручності при бігу. Тож чим заважає ця сама “галька” транзистору? Давайте розберемося…

Пряме та зворотне включення PN-переходу

Як ми пам'ятаємо, транзистор складається із трьох напівпровідників. , який у нас база-емітер називається емітерним переходом, А перехід, який база-колектор - колекторним переходом.

Так як у даному випадку у нас транзистор NPN, то струм буде текти від колектора до емітера, за умови, що ми відкриватимемо базу, подаючи на неї напругу більш ніж 0,6 Вольт (ну щоб транзистор відкрився).

Давайте гіпотетично візьмемо тонкий-тонкий ніж і виріжемо емітер прямо по PN-переходу. У нас вийде якось так:

Стоп! У нас що, вийшов діод? Так, він самий! Пам'ятайте, у статті вольтамперна характеристика (ВАХ) ми розглядали ВАХ діода:

У правій частині ВАХ ми з вами бачимо, як гілочка графіка дуже різко злетіла вгору. У цьому випадку ми подавали на діод постійну напругу таким чином, тобто це було пряме включення діода.

Діод пропускав через себе електричний струм. Ми з вами навіть проводили досліди з прямим та зворотним включенням діода. Хто не пам'ятає, можна прочитати.

Але якщо змінити полярність

то діод у нас не пропускатиме струм. Нас завжди так навчали, і в цьому є частка правди, але… наш світ не є ідеальним).

Принцип роботи PN переходу? Ми його представляли як лійку. Так ось, для цього рисуночка

наша вирва буде перевернута шийкою до потоку

Напрямок потоку води – це напрям руху електричного струму. Вирва – це і є діод. Але ось вода, яка потрапила через вузьку шийку воронки? Як її можна назвати? А називається вона зворотний струм PN переходу (I обр).

А як ви думаєте, якщо додати швидкість течії води, чи збільшиться кількість води, яка пройде через вузьку шийку воронки? Однозначно! Значить, якщо додавати напруги U обр, то й збільшиться зворотний струм I обр, що ми з вами і бачимо в лівій частині на графіку ВАХ діода:

Але до якої межі можна збільшувати швидкість потоку води? Якщо вона буде дуже великою, наша лійка не витримає, стінки тріснуть і вона розлетиться по шматочках, так? Тому на кожен діод можна знайти такий параметр, як U обр., перевищення якого для діода рівнозначне смерті.

Наприклад, для діода Д226Б:

U обр.= 500 Вольт, а максимальне зворотне імпульсне U зр. імп.макс= 600 Вольт. Але майте на увазі, що електронні схемипроектують, як то кажуть “з 30% запасом”. І навіть у схемі зворотне напруга на діоді буде 490 Вольт, то схему поставлять діод, який витримує понад 600 Вольт. Із критичними значеннями краще не грати). Імпульсна зворотна напруга - це різкі сплески напруги, які можуть досягати амплітудою до 600 вольт. Але тут теж краще взяти із невеликим запасом.

Так… а що я це все про діод та про діод… Ми ж наче транзистори вивчаємо. Але як не крути, діод – цегла для побудови транзистора. Значить, якщо прикласти до колекторного переходу зворотну напругу, то через перехід у нас потече зворотний струм, як у діоді? Саме так. І називається такий параметр у транзисторі . У нас він позначається як I КБО, у буржуїв - I CBO. Розшифровується як “струм між колектором та базою, при відкритому емітері”. Грубо кажучи, ніжка емітера нікуди не чіпляється і висить у повітрі.

Щоб заміряти зворотний струм колектора, достатньо зібрати такі простенькі схемки:

Для транзистора NPN для транзистора PNP

У кремнієвих транзисторів зворотний струм колектора менше, ніж 1 мкА, у германієвих: 1-30 мкА. Так як у мене заміряє лише від 10 мкА, а германієвих транзисторівпід рукою немає, то провести цей досвід я не зможу, оскільки дозвіл приладу не дозволяє.

Ми так і не відповіли на запитання, чому зворотний струм колектора має таке. важливе значенняі наводиться у довідниках? Вся справа в тому, що при роботі транзистор розсіює якусь потужність у простір, отже, нагрівається. Зворотний струм колектора дуже залежить від температури і кожні 10 градусів за Цельсієм збільшує своє значення удвічі. Не, а що такого? Нехай зростає, нікому начебто не заважає.

Вплив зворотного колекторного струму

Справа в тому, що в деяких схемах включення частина цього струму проходить через емітерний перехід. А як ми з вами пам'ятаємо через емітерний перехід тече базовий струм. Чим більше керуючий струм (струм бази), тим більше керований (струм колектора). Це ми з вами розглядали ще у статті. Отже, найменша зміна базового струму веде до великої зміни колекторного струму, і вся схема починає працювати неправильно.

Як борються із зворотним колекторним струмом

Отже, найголовніший ворог транзистора – це температура. Як із нею борються розробники радіоелектронної апаратури (РЕА)?

- Використовують транзистори, у яких зворотний колекторний струм має дуже мале значення. Це, звичайно, кремнієві транзистори. Невелика підказка – маркування кремнієвих транзисторів починається з букв “КТ”, що означає Доременевий Транзистор.

- Використання схем, які мінімізують зворотний струм колектора.

Зворотний струм колектора є важливим параметром транзистора. Він наводиться в датасіті на кожен транзистор. У схемах, які використовуються в екстремальних температурних умовах, зворотний струм колектора відіграватиме дуже велику роль. Тому якщо збираєте схему, де не використовується радіатор і вентилятор, то, звичайно ж, краще взяти транзистори з мінімальним зворотним колекторним струмом.