Где находятся транзисторы. Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Где находятся транзисторы. Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Страшное слово - Транзистор

Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.


Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только - очень маленьких.

Транзистор - это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.


Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух - поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!

Небольшая поясняющая картинка:


Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.


Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.


Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером - слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h21э . У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току - это отношение коллекторного тока к току базы:

h21э = Iк / Iб

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

Iк = Iб * h21э

Рисуем схему.


В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h21э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Немножко посчитаем:)

.

Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А,
а транзистор имеет h21э = 100.
Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал?
И каким при этом будет сопротивление R1?

Полный накал - это когда ток потребления равен номинальному.
Номинальный - 0,33 А. Таким образом, необходимый ток коллектора - 0,33 А.
Ток базы должен быть меньше коллекторного в h21э раз. То есть - в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА.
Ура, решили!!!

Мы разбирались с основами усилителей, немного было сказано о том, что такое обратная связь и коэффициент усиления. Был приведен расчет схемы на операционном усилителе. Теперь мы готовы заглянуть чуть глубже, чтобы понять основы основ.

Транзистор можно представить в виде переменного сопротивления. Положение регулятора зависит от тока подаваемого на базу. Если ток не подается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер очень большое. При подаче на базу небольшого тока, сопротивление переменного резистора уменьшится, и по цепи К-Э потечет ток в h21 раз больше тока базы. H21 это величина коэффициента усиления транзистора, находится по справочнику.

Если ток базы постепенно увеличивать, то сопротивление перехода будет постепенно уменьшаться, до тех пор пока не станет близким к нулю. В этот момент транзистор будет полностью открыт, именно этот режим мы и рассматривали в статье про подключение нагрузки при помощи транзистора.

На этот раз нас интересует промежуточное состояние, так как вход и выход взаимосвязаны, то сигнал на выходе будет являться копией входного, но усиленный в несколько раз. Теперь разберемся с усилением. Дело в том, что h21, имеет довольно большой разброс для одного типа транзистора может находиться в пределах от 400 до 1000. Так же, он зависит от температуры. Поэтому, существует типовая схема усиления, которая учитывает все эти недостатки. Но для общего развития стоит рассказать какие они вообще бывают.

Вспомним что мы представляли усилитель, как черный ящик — две ножки вход и две выход. В случае с транзистором, одна из ножек будет постоянно общей для входа и для выхода. В зависимости от этого транзистор может быть включен по схеме с общем базой, с общим коллектором и общим эмиттером.


Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки. Наша цель рассмотреть включение по схеме с общим эмиттером, потому что данная схема позволяет усилить и ток, и напряжение.

На самом деле, информации с расчетом схемы с общим эмиттером в интернете полно, но на мой взгляд, она не годится для человека, который с трудом представляет себе как выглядит транзистор. Здесь мы будет рассматривать максимально упрощенный вариант, который позволит получить весьма приближенный, но, нам мой взгляд, понятный результат. Поэтому постараемся шаг за шагом разложить все по полочкам.

Реальный транзистор имеет несколько особенностей, которые нужно учитывать при разработке схемы. Например, если сигнал маленькой амплитуды подать на базу, то на выходе ничего не будет — транзистор просто напросто не откроется. Для того, чтобы на выходе появился сигнал, его нужно приоткрыть, т.е. подать на базу напряжение смещения, порядка 0,7В. Обычно это напряжение подается при помощи делителя напряжения. На номиналы резисторов пока не обращаем внимание, расчет будет чуть дальше.

Следующий момент, когда транзистор будет открываться, то по цепи коллектор-эмиттер потечет ток, причем когда транзистор будет полностью открыт, то ток будет ограничен только источником питания. Поэтому транзистор может сгореть. Величина максимального тока приводится в справочнике, поэтому для ограничения тока в цепь коллектора ставится токоограничивающий резистор (как для светодиода).

Осталось добавить резистор в цепь эмиттера. Смысл его в том, что когда под влиянием окружающей температуры напряжение на выходе изменяется, изменяется и ток коллектора. Так как ток коллектора и эмиттера одинаков, то и на эмиттерном резисторе изменяется напряжение. Напряжение базы и эмиттера связаны формулой U бэ = U б – U э. получается, что если на выходе напряжение увеличилось, то на базе оно уменьшится, при этом транзистор призакроется и наоборот. Таким образом транзистор сам себя регулирует, не давая напряжению изменяться под действием внешних факторов, т.е. эмиттерный резистор играет роль отрицательной обратной связи.

Вспомним, что коэффициент усиления находится в довольно большом диапазоне. Поэтому эмиттерный резистор, кроме того, за счет обратной связи, позволяет контролировать величину коэффициента усиления схемы. Отношение сопротивления коллекторного резистора к эмиттерному, примерно, является коэффициентом усиления Ku.

Любой источник сигнала имеет свое внутреннее сопротивление, поэтому для того чтобы ток от внешнего источника VCC не протекал через источник V1 ставят блокировочный конденсатор С1. В итоге мы получили схему усилителя с общим эмиттером.


Чтобы не было искажения сигнала, на базу необходимо подавать напряжение смещения, т.е. транзистор должен быть постоянно приоткрыт, поэтому даже при отсутствии сигнала на входе, по цепи коллектор-эмиттер постоянно будет протекать ток. Этот ток называется ток покоя, его рекомендуемая величина 1-2мА. Остановимся на 1мА.

Теперь нужно выбрать резисторы R3 и R4, Их величина будет определять ток покоя, но необходимо учесть, что транзистор не сможет усиливать напряжение ниже 0,7В, поэтому сигнал на выходе обычно колеблется относительно некоторой точки, в качестве которой обычно выбирают половину напряжения питания. Поэтому половина напряжения должна падать на этих резисторах, а вторая половина будет падать на транзисторе.

R3+R4 = (Uпит/2)/Iк = 2,5В/0,001 = 2,5кОм.
Требуемый коэффициент усиления 10, т.е. R3 должен быть больше R4 в 10 раз. Исходя из этого есть два условия:
R3+R4=2500
R3=10*R4

Подставим в первую формулу второе выражение
10R4+R4=2500
11R4=2500
R4=227 Ом ближайший реально существующий номинал 220 Ом
R3=10*R4=2270 ближайший номинал 2,2кОм

Пересчитаем напряжение средней точки на выходе, с учетом выбранных резисторов:
Uк=Uпит-(Rк*Iк)=5-2,2*0,001=2,8В

Теперь нужно вычислить ток базы, для транзистора BC547C h21min=420
Iб=(Uпит/(Rк+Rэ))/h21=(5/(2200+220))/420=0,00000492А

Ток делителя R1,R2 должен быть в 5-10раз больше тока базы, для того, чтобы не оказывать на него влияния
Iд=Iб*10=0,0000492А

Рассчитаем общее сопротивление делителя R1,R2
R12=Uпит/Iд=5/0,0000492=101 692 Ом

Напряжение Uбэ типовое для всех транзисторов, находится в пределах 0,55-0,7В. По знакомой формуле вычисляем напряжение на базе:
Uб=Uэ+Uбэ=0,22+0,66=0,88В

Отсюда вычислим сопротивление R2:
Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Eп=(101*0,88)/5=17 776 или 18кОм по номинальному ряду

Из их суммы R1,R2 можно найти R1
R1=R12-R2=101-18=83кОм или 82кОм из существующих

Остался только блокировочный конденсатор, его величина должна быть больше
C>>1/2*pi*f*R2||R1 f — нижняя граница усиливаемой частоты, возьмем 20Гц
С=1/(6,28*20*82000)=0,09мкФ, можно поставить 0,47мкФ

В результате мы получили следующую схему:


Как видно выходной вольтметр показывает 432мВ, т.е. коэффициент усиления схемы получился Кu=432/50~8,5. Чуть меньше ожидаемого, но в целом неплохо. И еще один момент, на графиках видно, что сигнал, как уже говорилось, смещен относительно нуля, убрать постоянную составляющую можно поставив на выход конденсатор. Так же обратите внимание, что усиленный сигнал смещен относительно входного на 180 градусов.

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки - главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема - каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 4.3 - Ключевая схема на транзисторе и графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-р показана на рисунке 4.3, а . Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а - б по постоянному току (рисунок 4.3, б ).

Линия нагрузки описывается соотношением U кэ = − (Е к − I к R к) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (U вх > 0), указанной на рисунке 4.3, а без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U бэ > 0) и его ток I э = 0. Вместе с тем через резистор R б протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I к0 . Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка М з (см. рисунок 4.3, б ).


Протекание через нагрузку теплового тока I к0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R к от источника питания. Малое значение I к0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения U вх. з an выбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резистор R б тепловом токе было обеспечено выполнение условия:

U бэ = U вх. з an − I к0 R б > 0.

Напряжение U 6э для германиевых транзисторов составляет 0,5…2,0 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U вх < 0) и заданием соответствующего тока базы. Открытое состояние транзистора характеризует точка М о на линии нагрузки.

Определим необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. С этой целью предположим, что при U вх < 0 ток базы I б увеличивается постепенно. Увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора и перемещение рабочей точки из положения М з вверх по линии нагрузки. Напряжение U кэ транзистора при этом постепенно уменьшается. До некоторого граничного значения тока базы I б.гр сохраняется известная пропорциональная зависимость между I к и I б.



top