БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и предназначеный для усиления сигнала.
Биполярные
транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и
широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых
устройствах.
Биполярные транзисторы можно классифицировать по материалу: германиевые и кремниевые; по виду проводимости: типа р- n -р и n - p - n ; по мощности: малая (Р мах < 0,3Вт), средняя (Р мах = 1,5Вт) и большая (Р мах > 1,5Вт); по частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.
В таких транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. Отсюда пошло их название: биполярные.
Биполярный транзистор представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n -р- n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электронную электропроводность.
Транзисторы типа р- n -р имеют среднюю область с электронной, а крайние - с дырочной проводностью.
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, вторая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р- n - перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором.
Эмиттером - это область транзистора для инжекции носителей заряда в базу. Коллектором - область, назначением которой является извлечение носителей заряда из базы. Базой называется область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Концентрация основных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основных носителей заряда в базе, а в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтому проводимость эмиттера гораздо выше проводимости базы, а проводимость коллектора меньше проводимости эмиттера.
В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).
Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.
Принцип действия транзистора на примере транзистора р- n -р –типа, включенного по схеме с общей базой (ОБ).
Внешние напряжения двух источников питания ЕЭ и Е к подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении, а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении.
Если к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток I ко . Он возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход. Обратный ток протекает по цепи: +Е к , база-коллектор, −Е к .
При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектирование дырок в базу.
Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этом дырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. При малой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источника питания Е к . Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы I Б.
Под воздействием обратного напряжения Е к, потенциальный барьер коллекторного перехода повышается, а толщина перехода П2 увеличивается. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным напряжением, и втягиваются коллектором, создавая коллекторный ток I к . Коллекторный ток протекает по цепи: +Е к , база-коллектор, -Е к .
Таким образом, в б иполярном транзисторе протекает три вида тока: эмиттера, коллектора и базы.
В проводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направлены встречно. Ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: I Б = I Э − I К.
Физические процессы в транзисторе типа n -р- n протекают аналогично процессам в транзисторе типа р- n -р.
Полный ток эмиттера I Э определяется количеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток I к . Незначительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы I Б. Следовательно, ток эмиттера разделятся на токи базы и коллектора, т.е. I Э = I Б + I к .
Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому транзистор- прибор, управляемый током.
Изменения тока эмиттера, вызванные изменением напряжения эмиттерного перехода, полностью передаются в коллекторную цепь, вызывая изменение тока коллектора. А т.к. напряжение источника коллекторного питания Е к значительно больше, чем эмиттерного Е э , то и мощность, потребляемая в цепи коллектора Р к , будет значительно больше мощности в цепи эмиттера Р э . Таким образом, обеспечивается возможность управления большой мощностью в коллекторной цепи транзистора малой мощностью, затрачиваемой в эмиттерной цепи, т.е. имеет место усиление мощности.
Схемы включения биполярных транзисторов
Транзистор, в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК . Для транзистора n -р- n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
Статические характеристики биполярных транзисторов
Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.
Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ
I Э = f (U ЭБ) при U КБ = const (а).
I К = f (U КБ) при I Э = const (б).
Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость I к от U КБ; 2 – слабая зависимость I к от U КБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения U КБ.
Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ:
Входной характеристикой является зависимость:
I Б = f (U БЭ) при U КЭ = const (б).
Выходной характеристикой является зависимость:
I К = f (U КЭ) при I Б = const (а).
Режим работы биполярного транзистора
Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.
Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р- n - перехода закрыты).
Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р- n - перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы - усиление, генерирация.
усилительный каскад на биполярном транзисторе
Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Основными элементами схемы являются источник питания Е к , управляемый элемент – транзистор VT и резистор R к . Эти элементы образуют выходную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Другие элементы схемы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор С р является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Е к .
Резистор R Б, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора при отсутствии входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя I Б = Е к / R Б. С помощью резистора R к создается выходное напряжение. R к выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.
Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:
Е к = U кэ + I к R к ,
сумма падения напряжения на резисторе R к и напряжения коллектор-эмиттер U кэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания Е к .
Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е к в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.
Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.
Введение
Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.
Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.
Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.
Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.
Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:
Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.
Использование NPN транзистора как коммутатора
На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.
1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V c . Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.
2. Определение тока насыщения коллектора:
Напряжение между коллектором и эмиттером (V ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V ce = V c - 0 = V c . Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:
Иногда, сопротивления нагрузки R L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.
3. Расчет необходимого тока базы:
Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:
Из неё следует что:
4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.
5. Расчёт необходимого значения R b:
Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R b может быть рассчитано по следующей формуле:
где V 1 является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)
Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V 1 = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:
Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R b известно, транзистор "настроен" на работу в качестве переключателя, что также называется "режим насыщения и отсечки ", где "насыщение" - когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а "отсечение" – когда закрыт и ток не проводит.
Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.
Расчет нагрузки
Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:
H FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V CEsat . Но V CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.
Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший H FE , крупнейший V CEsat и V CEsat .
Типичное применение транзисторного ключа
В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.
2. Подключение транзистора с открытым коллектором:
Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B
3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):
Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.
На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.
Поиск ошибок в транзисторных схемах
При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:
1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.
2. Измерение V CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.
3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.
Опытные электрики и электронщики знают, что для полной проверки транзисторов существуют специальные пробники.
С помощью них можно не только проверить исправность последнего, но и его коэффициент усиления — h21э .
Необходимость наличия пробника
Пробник действительно нужный прибор, но, если вам необходимо просто проверить транзистор на исправность вполне подойдет и .
Устройство транзистора
Прежде, чем приступить к проверке, необходимо разобраться что из себя представляет транзистор.
Он имеет три вывода, которые формируют между собой диоды (полупроводники).
Каждый вывод имеет свое название: коллектор, эмиттер и база. Первые два вывода p-n переходами соединяются в базе.
Один p-n переход между базой и коллектором образует один диод, второй p-n переход между базой и эмиттером образует второй диод.
Оба диода подсоединены в схему встречно через базу, и вся эта схема представляет собой транзистор.
Ищем базу, эмиттер и коллектор на транзисторе
Как сразу найти коллектор.
Чтобы сразу найти коллектор нужно выяснить, какой мощности перед вами транзистор, а они бывают средней мощности, маломощные и мощные.
Транзисторы средней мощности и мощные сильно греются, поэтому от них нужно отводить тепло.
Делается это с помощью специального радиатора охлаждения, а отвод тепла происходит через вывод коллектора, который в этих типах транзисторов расположен посередине и подсоединен напрямую к корпусу.
Получается такая схема передачи тепла: вывод коллектора – корпус – радиатор охлаждения.
Если коллектор определен, то определить другие выводы уже будет не сложно.
Бывают случаи, которые значительно упрощают поиск, это когда на устройстве уже есть нужные обозначения, как показано ниже.
Производим нужные замеры прямого и обратного сопротивления.
Однако все равно торчащие три ножки в транзисторе могу многих начинающих электронщиков ввести в ступор.
Как же тут найти базу, эмиттер и коллектор?
Без мультиметра или просто омметра тут не обойтись.
Итак, приступаем к поиску. Сначала нам нужно найти базу.
Берем прибор и производим необходимые замеры сопротивления на ножках транзистора.
Берем плюсовой щуп и подсоединяем его к правому выводу. Поочередно минусовой щуп подводим к среднему, а затем к левому выводам.
Между правым и среднем у нас, к примеру, показало 1 (бесконечность), а между правым и левым 816 Ом.
Эти показания пока ничего нам не дают. Делаем замеры дальше.
Теперь сдвигаемся влево, плюсовой щуп подводим к среднему выводу, а минусовым последовательно касаемся к левому и правому выводам.
Опять средний – правый показывает бесконечность (1), а средний левый 807 Ом.
Это тоже нам ничего не говорить. Замеряем дальше.
Теперь сдвигаемся еще левее, плюсовой щуп подводим к крайнему левому выводу, а минусовой последовательно к правому и среднему.
Если в обоих случаях сопротивление будет показывать бесконечность (1), то это значит, что базой является левый вывод.
А вот где эмиттер и коллектор (средний и правый выводы) нужно будет еще найти.
Теперь нужно сделать замер прямого сопротивления. Для этого теперь делаем все наоборот, минусовой щуп к базе (левый вывод), а плюсовой поочередно подсоединяем к правому и среднему выводам.
Запомните один важный момент, сопротивление p-n перехода база – эмиттер всегда больше, чем p-n перехода база – коллектор.
В результате замеров было выяснено, что сопротивление база (левый вывод) – правый вывод равно 816 Ом, а сопротивление база – средний вывод 807 Ом.
Значит правый вывод - это эмиттер, а средний вывод – это коллектор.
Итак, поиск базы, эмиттера и коллектора завершен.
Как проверить транзистор на исправность
Чтобы проверить транзистор мультиметром на исправность достаточным будет измерить обратное и прямое сопротивление двух полупроводников (диодов), чем мы сейчас и займемся.
В транзисторе обычно существуют две структуру перехода p-n-p и n-p-n .
P-n-p – это эмиттерный переход, определить это можно по стрелке, которая указывает на базу.
Стрелка, которая идет от базы указывает на то, что это n-p-n переход.
P-n-p переход можно открыть с помощью минусовое напряжения, которое подается на базу.
Выставляем переключатель режимов работы мультиметра в положение измерение сопротивления на отметку «200 ».
Черный минусовой провод подсоединяем к выводу базы, а красный плюсовой по очереди подсоединяем к выводам эмиттера и коллектора.
Т.е. мы проверяем на работоспособность эмиттерный и коллекторный переходы.
Показатели мультиметра в пределах от 0,5 до 1,2 кОм скажут вам, что диоды целые.
Теперь меняем местами контакты, плюсовой провод подводим к базе, а минусовой поочередно подключаем к выводам эмиттера и коллектора.
Настройки мультиметра менять не нужно.
Последние показания должны быть на много больше, чем предыдущие. Если все нормально, то вы увидите цифру «1» на дисплее прибора.
Это говорит о том, что сопротивление очень большое, прибор не может отобразить данные выше 2000 Ом, а диодные переходы целые.
Преимущество данного способа в том, что транзистор можно проверить прямо на устройстве, не выпаивая его оттуда.
Хотя еще встречаются транзисторы где в p-n переходы впаяны низкоомные резисторы, наличие которых может не позволить правильно провести измерения сопротивления, оно может быть маленьким, как на эмиттерном, так и на коллекторном переходах.
В данном случае выводы нужно будет выпаять и проводить замеры снова.
Признаки неисправности транзистора
Как уже отмечалось выше если замеры прямого сопротивления (черный минус на базе, а плюс поочередно на коллекторе и эмиттере) и обратного (красный плюс на базе, а черный минус поочередно на коллекторе и эмиттере) не соответствуют указанным выше показателям, то транзистор вышел из строя.
Другой признак неисправности, это когда сопротивление p-n переходов хотя бы в одном замере равно или приближено к нулю.
Это указывает на то, что диод пробит, а сам транзистор вышел из строя.
ЭТО МОЖЕТ БЫТЬ ИНТЕРЕСНЫМ:
Статьях про транзисторы мы касались такого понятия, как "усиление сигнала". Так как многие из вас не читали или подзабыли что значит это словосочетание, давайте припомним.
Усилить сигнал - это значит создать его копию, которая будет либо больше, чем этот сигнал, либо 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 фиговины на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника;-) Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.
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=IxU
где
P - это мощность, измеряется в Ваттах
I - сила тока, в Амперах
U - напряжение, в Вольтах
ну и значок "х " - это знак умножения (мало ли)
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.
Итак, как же это все реализовать?
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.
Итак, для того, чтобы все это показать нам понадобится:
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.
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 педалькой газа)
Допустим, мы поставили первую скорость и решили проехаться по трассе. Топим педальку 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 педальки - 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 педальки.
Ну а в активном режиме мы нажимаем педальку 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.
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?
Придется учесть все замечания и построить каскад с нуля, что мы и сделаем в следующей статье...
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.
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 h21e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.
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
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 h21e , 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)).