Коллектор транзистора. Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и применение

Какова структура биполярного транзистора. Какие существуют типы биполярных транзисторов. Как работает биполярный транзистор в активном режиме. Какие основные параметры характеризуют биполярный транзистор. Где применяются биполярные транзисторы.

Структура и типы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами. Он состоит из трех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости:

• Эмиттер (Э)
• База (Б)
• Коллектор (К)

В зависимости от чередования областей с электронной (n) и дырочной (p) проводимостью различают два типа биполярных транзисторов:

• n-p-n транзисторы
• p-n-p транзисторы

Структура n-p-n транзистора выглядит следующим образом: между двумя n-областями (эмиттером и коллектором) расположена тонкая p-область (база). У p-n-p транзистора структура обратная — между двумя p-областями находится тонкая n-область.

Принцип работы биполярного транзистора

Рассмотрим принцип работы n-p-n транзистора в активном режиме:

1. На эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный — обратное.
2. Электроны из эмиттера инжектируются в базу.
3. Благодаря малой толщине базы большая часть электронов достигает коллекторного перехода.
4. Под действием ускоряющего поля коллекторного перехода электроны втягиваются в коллектор.
5. В результате возникает управляемый ток коллектора.

Таким образом, небольшое изменение тока базы вызывает значительное изменение тока коллектора. В этом и заключается усилительное свойство транзистора.

Основные параметры биполярных транзисторов

Основными параметрами, характеризующими работу биполярного транзистора, являются:

• Коэффициент усиления по току β = ΔIк / ΔIб
• Максимально допустимый ток коллектора Iк max
• Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ max
• Граничная частота fгр, на которой коэффициент усиления уменьшается в √2 раз
• Мощность рассеяния на коллекторе Pк max

Применение биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы широко применяются в электронике благодаря своим усилительным и ключевым свойствам. Основные области применения:

• Усилители переменного и постоянного тока
• Генераторы электрических колебаний
• Импульсные устройства
• Стабилизаторы напряжения
• Электронные ключи
• Логические элементы

Таким образом, биполярные транзисторы являются основой для создания аналоговых и цифровых электронных устройств различного назначения.

Характеристики биполярных транзисторов

Работу биполярного транзистора описывают с помощью следующих характеристик:

Входные характеристики

Входные характеристики представляют собой зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер:

Iб = f(Uбэ) при Uкэ = const

Они имеют вид, схожий с прямой ветвью вольт-амперной характеристики диода.

Выходные характеристики

Выходные характеристики показывают зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы:

Iк = f(Uкэ) при Iб = const

На выходных характеристиках можно выделить три области:

• Область насыщения
• Активная область
• Область отсечки

Активная область является рабочей при использовании транзистора в качестве усилителя.

Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от напряжений на p-n переходах различают следующие режимы работы биполярного транзистора:

Активный режим

В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Это основной режим работы транзистора при усилении сигналов.

Режим отсечки

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Транзистор закрыт, токи через него минимальны.

Режим насыщения

В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении. Транзистор полностью открыт, падение напряжения на нем минимально.

Инверсный режим

В инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Этот режим используется редко.

Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

С общим эмиттером (ОЭ)

Схема с ОЭ обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению. Это наиболее распространенная схема включения.

С общей базой (ОБ)

Схема с ОБ дает усиление только по напряжению. Она имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление.

С общим коллектором (ОК)

Схема с ОК (эмиттерный повторитель) обеспечивает усиление по току, но не по напряжению. Имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление.

Как определить выводы биполярного транзистора

Для определения выводов биполярного транзистора можно воспользоваться следующим методом:

1. С помощью омметра находим два p-n перехода транзистора.
2. Общий вывод для обоих переходов — это база транзистора.
3. Для определения эмиттера и коллектора измеряем коэффициент передачи тока в прямом и инверсном включении.
4. Вывод, дающий больший коэффициент передачи тока — это эмиттер.

Также можно воспользоваться справочными данными по цоколевке конкретного типа транзистора.

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы имеют следующие преимущества:

• Высокий коэффициент усиления по току
• Способность работать на высоких частотах
• Хорошая температурная стабильность
• Низкий уровень шумов

К недостаткам можно отнести:

• Относительно большой входной ток
• Нелинейность характеристик
• Зависимость параметров от температуры
• Сложность создания интегральных схем на их основе

Несмотря на указанные недостатки, биполярные транзисторы по-прежнему широко применяются в аналоговой и силовой электронике благодаря своим уникальным свойствам.

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора.

Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить

усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве

электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔI_d /ΔU_GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I_Dmax — максимальный ток стока.

2.U_DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U_GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р_Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t_on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t_off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R_DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Биполярные транзисторы

3.9. Биполярные транзисторы

 

1. Общие сведения. Характеристики

 

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами и тремя выводами, служащий для усиления мощности. В транзисторе имеется три области – эмиттер (э), база (б) и коллектор (к). В зависимости от типа проводимости этих областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа. Таким образом, в транзисторе имеется два p-n перехода: эмиттер-база (эмиттерный) и коллектор-база (коллекторный). Стрелка на условных обозначениях транзисторов (см. в начале главы) указывает направление от p области к n области. Принцип работы обоих типов транзисторов одинаков.

Толщина базы делается значительно меньше длины свободного пробега неосновных носителей тока, попадающих в нее из эмиттера, а концентрация основных носителей в базе много меньше концентрации основных носителей в эмиттере. В результате в базе сводится до минимума рекомбинация неосновных носителей с основными, пришедшими из эмиттера.

Площадь коллекторного перехода (перехода база-коллектор) значительно больше площади эмиттерного перехода (перехода база-эмиттер). Это делается для того, чтобы перехватить весь поток носителей, идущих от эмиттера, а также потому, что на коллекторном переходе выделяется большая мощность. Концентрация же основных носителей в коллекторе несколько меньше, чем в эмиттере.

В зависимости от того, какое напряжение (прямое или обратное) подано на переходы транзистора, выделяют четыре режима работы транзистора. В активном режиме (он является основным) напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки (запирания) на оба перехода подается обратное напряжение. В режиме насыщения напряжение на обоих переходах прямое. В инверсном режиме на коллекторном переходе напряжение прямое, а на эмиттерном – обратное.

Рассмотрим работу транзистора n-p-n типа в активном режиме без нагрузки (рис. 3.30). На рисунке темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки. Поскольку на переход база-эмиттер подано прямое напряжение, то сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения тока на этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико (на него подано обратное напряжение) и напряжение Е₂ обычно составляет единицы и десятки вольт.

При увеличении прямого напряжения на эмиттерном переходе электроны из эмиттера переходят в базу. Благодаря малой толщине базы и малой концентрации в ней дырок лишь незначительная часть электронов рекомбинирует с дырками базы, образуя ток базы (его стараются сделать как можно меньше). Основная часть электронов достигает коллекторного перехода и под действием его обратного напряжения втягивается в коллектор (электроны являются неосновными носителями для базы и поле запирающего слоя на переходе коллектор-база является для них ускоряющим). Поэтому ток коллектора лишь немного меньше тока эмиттера: i_э=i_к+i_б.

Когда на эмиттерный переход не подано прямое напряжение, то через коллектроный переход протекает только небольшой обратный ток, созданный неосновными носителями. Таким образом, прямое напряжение эмиттерного перехода существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. Такое свойство транзистора позволяет использовать его в качестве электронного ключа, а также для усиления электрического тока.

Для расчета схем с транзисторами необходимо знать их характеристики (зависимости между токами и напряжениями). Для схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 3.30) входная характеристика представляет собой зависимость силы тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектр-эмиттер. Она имеет такой же вид, как прямая ветвь ВАХ полупроводникового диода. Выходные характеристики биполярного транзистора при схеме включения с общим эмиттером представляют собой зависимости силы тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при различных постоянных значениях тока базы (рис. 3.31).

Самая нижняя выходная характеристика построена для i_б=0. Она похожа на обратную ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Чем больше сила тока базы, тем выше расположена выходная характеристика.

Активная область на семействе выходных характеристик транзистора (рис. 3.32) ограничена максимально допустимым током коллектора, максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, гиперболой максимально допустимой мощности рассеяния и неуправляемым током коллектора (ток коллектора при i_б=0). Для уменьшения нелинейных искажений рабочую область ограничивают также слева (см. штриховую линию на рис. 3.32).

Характеристики транзисторов, как и всех полупроводниковых элементов, очень сильно зависит от температуры. При увеличении температуры сопротивление полупроводников уменьшается и токи в них увеличиваются. Поэтому семейство выходных характеристик при увеличении температуры смещается вверх (рис. 3.33).

 

2. Определение структуры и выводов биполярных транзисторов

В последнее время все чаще используют транзисторы, извлеченные из неработающих электронных приборов. В связи с этим возникает проблема определения структуры и выводов транзисторов.

При экспериментальном определении структуры транзистора (р-n-р или n-р-n) его можно рассматривать состоящим из двух диодов, соединенных в зависимости от структуры анодами или катодами (рис. 3.34 а, б), причем точка соединения диодов соответствует выводу базы транзистора. Для определения структуры и вывода базы транзистора воспользуемся омметром с известной полярностью напряжения, подаваемого на гнезда омметра от внутреннего источника питания. Обычно положительный полюс внутреннего источника питания омметра соединен с гнездом “общий”.

Следует отметить, что существуют омметры и с другой полярностью напряжения на гнездах. Так, например, авометр Ц20-05 выпускается в двух модификациях: в одной из них на общее гнездо омметра выведен плюс внутреннего источника питания, а в другой — минус. Поэтому перед экспериментальным определением структуры и вывода базы транзистора следует с помощью диода с маркированной полярностью проверить, какой полюс внутреннего источника питания омметра соединен с общим гнездом.

При одной полярности щупов омметра, подключаемых к переходу транзистора, сопротивление перехода оказывается малым (прямое подключение), а при другой — большим (обратное подключение). Если при малом сопротивлении переходов транзистора плюсовой щуп омметра касался одного и того же вывода, значит это вывод базы и транзистор имеет структуру n-р-n. Если в этой же ситуации минусовой щуп омметра касался одного и того же вывода (базы), то транзистор р-n-р типа.

После того, как определена структура транзистора и найден вывод базы транзистора, приступают к определению выводов эмиттера и коллектора. На рисунках, поясняющих принцип работы биполярного транзистора, области эмиттера и коллектора выглядят симметрично и, казалось бы, что выводы коллектора и эмиттера можно поменять местами. Однако конструктивно эмиттер и коллектор выполняются по-разному (имеют неодинаковую концентрацию носителей заряда и площадь поверхности). Поэтому менять их местами не следует, так как получится существенно меньший коэффициент усиления по току и меньшая мощность рассеяния транзистора. Для некоторых транзисторов в этом случае может возникнуть лавинный пробой перехода база-эмиттер, что нарушит нормальную работу собранного электронного устройства. На рисунке 3.35 приведены две выходные характеристики транзистора КТ315А в схеме включения с общим эмиттером: 1 – для стандартного включения транзистора, 2 — для случая, когда эмиттер и коллектор транзистора поменяли местами (инверсный режим работы).

Существует несколько вариантов экспериментального определения выводов эмиттера и коллектора. Рассмотрим два из них.

Возьмем резистор сопротивлением 10-100 кОм и включим его между выводом базы и предполагаемым выводом коллектора. К выводам эмиттера и коллектора омметр можно подключить так, как показано на рисунках 3.36а и 3.36б для транзистора n-р-n типа, а на рисунках 3.37а и 3.37б — для транзистора р-n-р типа. На всех рисунках предполагаемый вывод коллектора расположен вверху (по рисунку). Правильному выбору выводов коллектора и эмиттера соответствует меньшее сопротивление, фиксируемое омметром, т.е. подключение по схемам рисунков 3.36а, 3.37а.

Рассмотрим второй вариант определения выводов коллектора и эмиттера. В качестве источника питания используют любой источник постоянного напряжения (3-9 В). Миллиамперметр включают между положительным полюсом источника и предполагаемым выводом коллектора для транзисторов n-р-n типа (рис. 3.38а и 3.38б), между отрицательным полюсом источника и предполагаемым выводом коллектора для транзисторов р-n-р типа (рис. 3.39а и 3.39б). Предполагаемый вывод коллектора, как и в предыдущем случае, расположен на рисунке вверху. Правильно выбранному выводу коллектора соответствует больший ток, фиксируемый миллиамперметром.

В этом варианте можно определить не только выводы транзистора, но и приблизительно определить коэффициент усиления транзистора по току: , где I_к — сила тока коллектора, I_б — сила тока базы.

Ток базы можно рассчитать по формуле  , где U_п — напряжение источника питания, U_бэ — напряжение между базой и эмиттером транзистора.

 

Для кремниевых транзисторов напряжение база-эмиттер составляет примерно 0,6 В. Выберем напряжение питания 4,5 В и сопротивление резистора 390 кОм. Тогда I_б = 10^-2 мА, и коэффициент усиления определяется из формулы: , где I_к — сила тока коллектора в мА.

 

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы — radiohlam.ru

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт. Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): I_Б*β=I_K.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h_21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h_FE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (I_К=β*I_Б) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

И снова вперёд!

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(I_К+I_Б)/I_Б=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Продолжение следует…

Транзисторы

Транзистор — это полупроводниковый прибор, составленный из двух pn-переходов, как показано на рис. 21.1. У транзистора три вывода: эмиттер, база и коллектор. Существуют два типа транзисторов: pnp-транзисторы (рис. 21.1(а)) и npn-транзисторы (рис. 21.1(б)). По принципу работы они ничем не отличаются друг от друга, за исключением полярности подава­емого постоянного напряжения смещения.

Рассмотрим транзистор npn-типа (рис. 21.2). Переход база – эмиттер (или просто эмиттерный переход) этого транзистора смещен в прямом направлении напряжением V_BE, поэтому электроны из области эмитте­ра будут перетекать через этот переход в область базы, создавая ток I_е. Это обычный прямой ток рта-перехода, смещенного в прямом направлении. Как только электроны попадают в область базы, они начинают испыты­вать притяжение положительного потенциала коллектора. Если область базы сделать очень тонкой, то почти все эти электроны проскочат через нее к коллектору. Только очень малая часть электронов собирается ба­зой, формируя базовый ток I_b. Фактически более 95% всех электронов эмиттерного тока I_е собираются коллектором и формируют коллектор­ный ток I_c транзистора. Таким образом,

I_е = I_c + I_b.

Так как базовый ток I_b очень мал (чаще всего он измеряется микроампе­рами), то им обычно пренебрегают. Тем самым предполагается, что токи I_c и I_е равны, и каждый из них принято называть током транзистора.

 

   

Рис. 21.1. Транзисторы и их условны: обозначения: (а) pnp-тип, (б) npn-тип.

             Рис. 21.2. Подача напряжений                               Рис. 21.3. Подача напряжений

               смещения npn-транзистора.                                      сме­щения pnp-транзистора.      

 

Обратите внимание, что переход база — коллектор (или просто кол­лекторный переход) смещен в обратном направлении напряжением V_CD. Это необходимое условие работы транзистора, поскольку в противном случае электроны не притягивались бы к коллектору. При этом в со­ответствии с правилом выбора направления тока (от положительного по­тенциала к отрицательному) считается, что ток транзистора течет от кол­лектора к эмиттеру.

Для рпр-транзистора полярности подачи постоянных напряжений смещения должны быть изменены на обратные, как показано на рис. 21.3. В этом случае ток транзистора представляет собой перемещение дырок от эмиттера к коллектору или электронов от коллектора к эмиттеру. 

Схемы включения транзистора

Имеются три основные схемы включения транзистора в электронные цепи.

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ). Общим выводом здесь является эмиттер: входной сигнал подается между базой и эмиттером, а вы­ходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером (рис. 21.4). Эта схема получила наиболее широкое распространение из-за своей гибкости и высокого коэффициента усиления.

2. Схема с общей базой (ОБ). Базовый вывод транзистора является об­щим выводом для входного и выходного сигналов (рис. 21.5).

3. Схема с общим коллектором (ОК). В этой схеме общим выводом для входного и выходного сигналов является коллектор. Ее называют так­же эмиттерным повторителем (рис. 21.6).

Интересно, что на внутреннем уровне транзистор работает во всех схе­мах включения совершенно одинаково, тогда как внешнее поведение его в каждом случае различно.

         

           

 

Рис. 21.4. Схема с общим эмитте­ром (ОЭ).                      Рис. 21.5. Схема с общей базой (ОБ).

                          

Рис. 21.6. Схема с общим коллек­тором (ОК).

Обратите внимание, что выходной сигнал

снимается с эмит­тера.

Каждая схема включения характеризует­ся своим собственным набором основных параметров, в который входят коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления и АЧХ.

 

Характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

Поведение транзистора в статических условиях, то есть в отсутствие вход­ного сигнала, определяют характеристики трех типов.

1. Входные характеристики, или зависимости входного тока от входного напряжения.

2. Выходные характеристики, или зависимости выходного тока от выход­ного напряжения.

3. Передаточные характеристики, или зависимости выходного тока от входного тока.

Описываемые ниже характеристики относятся к npn-транзистору (рис. 21.7). Для pnp-транзистора нужно изменить полярность напряже­ния постоянного тока на отрицательную.

Входные характеристики

На рис. 21.8 представлены входные характеристики для npn -транзистора. Они ничем не отличаются от характеристик pn -перехода диода, смещен­ного в прямом направлении, поскольку вход (переход база — эмиттер)

Рис. 21.8. Входные характеристики транзистора.

как раз и является таким переходом. Заметим, что, как и в диоде, вход­ной ток I_b начинает протекать через эмиттерный переход только тогда, когда на этом переходе устанавливается требуемое значение прямого на­пряжения. Если это напряжение (0,3 В для Ge и 0,6 В для Si) уста­новлено, то в дальнейшем напряжение V_be между базой и эмиттером практически не изменяется даже при сильном увеличении тока базы. Таким образом, транзистор можно рассматривать как токовый элемент, допускающий изменение входного тока при постоянном входном напря­жении.

Выходные характеристики

На рис. 21.9 приведено семейство кривых, называемых выходными харак­теристиками транзистора, которые устанавливают связь тока коллектора (выходного тока) I_c с напряжением на коллекторе (выходным напряже­нием) V_CE. Для определенных значений тока базы (входного тока) I_b. Эти кривые устанавливают также взаимосвязь между входным током, с одной стороны, и выходным током и выходным напряжением — с другой. На­пример, для транзистора с выходными характеристиками, приведенными на рис. 21.9, при    I_b = 40 мкА и V_CE= 6 В ток коллектора I_c = 4 мА. Это значение легко определяется из выходной характеристики, соответству­ющей выбранному току базы.

Характеристика для I_b = 0 соответствует транзистору в непроводя­щем состоянии, т. е. в состоянии отсечки, когда величина напряжения V_CEменьше требуемой величины прямого падения напряжения на эмиттерном переходе. Теоретически ток транзистора равен нулю при I_b = 0; однако реально очень слабый ток утечки всегда протекает через коллекторный переход.

 

Рис. 21.9. Семейство выходных характеристик транзистора.

Статический коэффициент усиления тока β

Очень важным параметром любого транзистора является его коэффициент усиления по постоянному току, называемый статическим коэффициентом усиления тока. Это коэффициент усиления тока для транзистора, находящегося в статическом режиме, то есть в отсутствие входного сигнала. Статический коэффициент усиления тока является без­размерной величиной (отношение величин двух токов) и определяется по формуле

                                                             Выходной ток                 I_c 

                                                 β =       —————————-     =   ——

                                                             Входной ток                    I_b

Величину β можно рассчитать с помощью выходных характеристик транзистора. Например, если транзистор работает в режиме, определяемом точкой Q (рабочая точка), при                    I_b, = 40 мкА и I_c = 4 мА, то

 

Передаточные характеристики

Эти характеристики устанавливают взаимосвязь между входным и вы­ходным токами транзистора (рис. 21.10). С помощью такой характери­стики можно рассчитать статический коэффициент усиления тока. На­пример, если точка Q — рабочая точка транзистора, то

Рис. 21.10. Передаточная характеристика транзистора.

В этом видео рассказывается о принципах работы транзистора:

Добавить комментарий

Принцип работы и схема биполярного транзистора.

На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:

Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет исключительно о биполярных транзисторах. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся 🙂

Итак, приступаем!

Биполярный транзистор является одним из самых важных и основных активных компонентов. Основная цель работы биполярного транзистора заключается в увеличении сигнала по мощности. Естественно, мощность не может появиться просто из воздуха, законы физики никто не отменял, поэтому в транзисторе увеличение мощности входного сигнала достигается за счет внешнего источника питания. Еще раз повторюсь и уточню, что усиление заключается именно в увеличении мощности, в отличие от трансформатора, который может усиливать по напряжению, но при этом происходит ослабление тока, и мощность на выходе равна мощности на входе.

Двигаемся дальше. Биполярники бывают двух типов – n-p-n и p-n-p. Какого бы типа не был биполярный транзистор, он имеет три вывода (электрода), которые называются:

• коллектор
• эмиттер
• база

Схема биполярного транзистора.

Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.

Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации диодов. Но тут необходимо уточнить, что в реальности биполярный транзистор не эквивалентен двум диодам. Представление транзистора в виде пары диодов используется только для облегчения понимания принципа его работы.

Теперь давайте на основе диодной модели, составим основные правила работы биполярного транзистора. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0.8 В). Таким образом:

U_б = U_э + 0.6\medspaceВ

Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/эмиттере/базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении U_{бэ}, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{бк} и U_{кэ} .

Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора!

С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными). Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:

I_k = h_{21э}\medspace I_b

Величина h_{21э} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.

С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее!

Схема ключа на биполярном транзисторе.

Вот такая вот несложная, но безумно полезная схема! Будем разбираться, как она работает.

Пусть нагрузка у нас потребляет ток 100 мА при 12 В. Если на входе у нас ничего нету, то потенциал базы равен потенциалу эмиттера и равен нулю. При таком раскладе у нас диод база-эмиттер закрыт и, следовательно, тока на выходе тоже нет. Транзистор тут находится в режиме отсечки (это значит, что оба перехода – база-коллектор и база-эмиттер – закрыты).

Подаем на вход положительное напряжение (ну, например, с ножки контроллера) и сразу же начинается движуха 🙂 Напряжение на базе составит около 0.6 В (диод база-эмиттер открыт) и в схеме начинает протекать ток базы. И к чему же это приведет? А вот к чему. Так как диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт, то БТ находится в режиме усиления, а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток. Соответственно, на нагрузке появится напряжение.

А это в свою очередь приведет к тому, что напряжение на коллекторе будет уменьшаться (смотрите сами, напряжение коллектора + напряжение на нагрузке в сумме должны составлять 12 В, если увеличивается одно из этих значений, второе уменьшается, чистая математика 🙂 ). В итоге, когда ток коллектора увеличится до 100 мА, падение напряжения на нагрузке составит около 12 В (таковы параметры нагрузки у нас), и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в режим насыщения (оба диода открыты), и дальнейшего роста тока не будет происходить.

Короче, пока на входе ничего нет – режим отсечки, подаем сигнал, транзистор, очень быстро минуя режим усиления, переходит в режим насыщения. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора в качестве ключа.

Есть тут, кстати, еще одна важная фишка. Пусть, к примеру, резистор в цепи базы имеет сопротивление 1 КОм. Пусть на базу подается 10 В. Тогда на этом резисторе будет напряжение 9.4 В (10 В минус прямое напряжение диода база-эмиттер). Рассчитаем ток базы – делим 9.4 В на 1 КОм и получаем 9.4 мА. Пусть коэффициент усиления транзистора равен 50. Находим коллекторный ток: 9.4 мА * 50 = 470 мА. Вот такой получили расчет. Вроде бы все верно, но на самом деле все совсем не так и таким образом рассчитывать нельзя! Давайте разбираться, в чем тут ошибка.

Вспоминаем, что при значении тока коллектора 100 мА напряжение на нем становится мало относительно базы и биполярный транзистор насыщается. А значит дальнейшего роста тока быть не может! Таким образом, рассчитанные 470 мА на нагрузке мы не увидим, просто образуется так называемый избыток тока базы.

Итак, сегодня мы обсудили суть работы биполярного транзистора и его схему. Хотел я еще рассказать в этой статье про эмиттерный повторитель, но как то получилось объемно, а про повторитель надо поговорить обстоятельно и обширно, так что через пару дней в новой статье обязательно вернемся к биполярникам. До скорой встречи, следите за новостями 🙂

Установка режимов работы транзисторов

Для хорошей работы устройства, собранного на транзисторах, необходимо чтобы на их электроды было подано определенной величины и полярности постоянное напряжение. Примерные значения напряжений подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости (p-n-p) приведен на рис. 1, а обратной (n-p-n) проводимости — на рис. 2.

При этом надо также придерживаться нескольких правил:

•  Рабочие напряжения, токи и мощности рассеивания применяемых транзисторов должны быть меньше предельных значений.
• Нельзя подавать напряжение на транзистор, если у него отключена база.
• Базовый вывод следует подключать в схему в первую очередь и отключать в последнюю.

В современных конструкциях радиолюбителей широко используются полевые транзисторы. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с каналом типа р и с каналом типа п даны на рис. 3.

Рис. 1. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости p-n-p.

 

Рис. 2. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов обратной проводимости n-p-n.

 

Рис. 3. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с к&налом типа рис каналом типа А.

При налаживании радиоприемников и других радиоэлектронных конструкций в первую очередь нужно замерить потребляемый ток в режиме покоя. Если его значение близко к требуемому, то тогда переходят к установлению необходимых токов коллекторов транзисторов. На. схемах место установки тока показывают крестиком («х»), а резистор, которым это делают — звездочкой («*»). Опыт показывает, что для транзисторов безопаснее измерять напряжение, а не ток. В большинстве схем эти величины взаимосвязаны. Достаточно знать одну из величин, а другую можно определить расчетным путем.

Настройку устройства производят по каскадам. В каскадах транзисторных устройств в основном используется три основных способа подачи напряжения смещения к базе транзистора.

Рассмотрим работу транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима (рис. 4). При отсутствии входного сигнала начальные напряжения на электродах транзисторов следующие:

 

Рис. 4. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима.

В приведенных формулах напряжения смещения Uбэ для германиевых и кремниевых транзисторов должны иметь значения в соответствии с рис. 1, 2. Из этих выражений видно, что от величины сопротивления резистора Rб зависит величина напряжения смещения Uбэ, а следовательно, и начальное положение рабочей точки на характеристике транзистора.

На хорошую работу такого каскада большое влияние имеет точность, с какой для данного транзистора, имеющего коэффициент усиления по току р, подобраны сопротивления резисторов Rб и Rк. Работу каскада при этом можно проконтролировать по напряжению на резисторе Rк или по напряжению между коллектором и эмиттером транзистора. Зная Un и β, можно вычислить величину управляющего тока коллектора транзистора по формуле:

Если величина сопротивления резистора Rк = 500…600 Ом, то напряжение на нем удобнее определить, как разницу между питающим напряжением и напряжением коллектор — эмиттер. Для маломощных низкочастотных и высокочастотных транзисторов напряжение коллек-тор-эмиттер принимают 2…2,5 В, а ток коллектора — 0,5 мА. Транзисторы МП39…МП41 имеют максимальное усиление по току, когда ток коллектора 1…2 мА.

У транзисторов П401…П403, П416 и т.п. усиление растет с ростом тока коллектора до 5…8 мА. От напряжения на коллекторе усиление по току существенно не зависит, при его повышении улучшается устойчивость высокочастотных каскадов. При замене в рассматриваемом каскаде транзистора с одним значение β на транзистор с отличным значением β, приходится снова подбирать значения Rб и Rк. На усиление транзистора с такой простой схемой смещения оказывает влияние помимо разброса параметров транзисторов еще и изменение температуры окружающей среды.

Более стабилен в работе каскад, имеющий термостабилизацию по схеме, представленной на рис. 5. В этом случае к напряжению, измеренному между коллектором и плюсом питания, добавляется напряжение на резисторе R3, которое составляет приблизительно 1 В.

Если считать, что напряжение между коллектором и эмиттером может быть снижено до 1,5 В, так как каскад стабилизирован, то общее напряжение между коллектором и «землей», как и первом случае, должно быть не менее 2,5 В. Указанные режимы являются ориентировочными, средними в случае работоспособных транзисторов. В каскадах, где режимы отличаются от рекомендованных на 20…30%, подстраивание их режимов на первой стадии налаживания можно не проводить.

Установку режима работы транзистора можно производить резистором Rб1, который соединен с базой транзистора. Для увеличения тока коллектора необходимо сопротивление резистора Rб1 уменьшить, а для уменьшения, наоборот, увеличить. Для удобства настройки каскада резистор Rб1 составляют из двух резисторов: одного переменного и одного постоянного с сопротивлением 10…30кОм.

Изменяя сопротивление переменного резистора, добиваются необходимого тока коллектора. Омметром измеряют получившееся сопротивление двух резисторов и затем вместо них впаивают один резистор, величина сопротивления которого равна измеренному значению двух сопротивлений.

Ток коллектора в схеме со стабилизацией можно оценить, измерив напряжение на резисторе Rэ. Если разделить величину падения напряжения (в вольтах) на величину Rэ (в килоомах), то получим ток эмиттера в миллиамперах.

Рис. 5. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой с термостабилизацией режима

Ток коллектора меньше тока эмиттера на величину базового тока, а последний не превышает 5% Іэ. Поэтому можно считать, что I = Іб. В каскадах с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы напряжение на коллекторе равняется напряжению источника питания и здесь необходим контроль тока коллектора (рис. 6). Регулировку такого каскада также производят подбором величины сопротивления резистора Rб.

Рис. 6. Принципиальная схема каскада с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы.

Включение в цепи n-p-n и p-n-p транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещением. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой только значением напряжения смещения. У кремниевых оно приблизительно на 0,45 В больше, чем у германиевых.

На рис. 1 и 2 показаны условные графические обозначения биполярных транзисторов той и другой структур, произведенных на основе германия и кремния, а также типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов, обозначенных первыми буквами слов, расшифровываются:

• Э — эмиттер,
• Б — база,
• К — коллектор.

Напряжения смещения показаны относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзисторов показывают относительно общего провода устройства.

В радиоэлектронных устройствах радиолюбители используют также полевые транзисторы, в которых управление током между двумя электродами, образованными направленным движением носителей заряда дырок или электронов, производится электрическим полем, образованным напряжением на электроде. Электроды, между которыми протекает регулируемый ток, носят название исток (И) и сток (С), причем исток есть тот электрод, с которого выходят носители зарядов. Третий, управляющий электрод, называют затвором (3) (см. рис. 3).

Существуют полевые транзисторы с изолированным затвором. Эти транзисторы имеют очень большое входное сопротивление и работают на очень больших частотах. Транзисторы этого типа имеют очень низкую электрическую прочность изолированного затвора. Для его пробоя и выхода из строя достаточно слабого статического электричества, которое всегда присутствует на теле человека, одежде и инструменте.

В связи с этим выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении нужно скручивать вместе голым проводом. При монтаже транзисторов руки и инструмент необходимо «заземлять». Преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными состоит в том, что они имеют высокое входное сопротивление. Это сопротивление на низкой частоте достигает несколько мегаом, а на средних и высоких частотах — несколько десятков или сотен кило-ом в зависимости от серии. Для сравнения, биполярные транзисторы имеют входное сопротивление приблизительно до 1…2 кОм.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение. Биполярные транзисторы, определение, вольт — амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www.xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше. В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке. Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона. Принцип действия биполярного транзистора Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет. На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия биполярного транзистора. Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hFE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100. Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора. Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве. Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе. На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость IC от IB в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА). При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора. В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают hFE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока hfe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что hfe=ΔIC/ΔIB. Для большинства практических целей можно считать, что hFE и hfe равны. Ток утечки между коллектором и базой Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый ICBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре ICBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток ICBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, ICBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения ICEO = hFE/ICBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток ICBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда ICBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С. Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами ICBO и ICEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток ICBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при hFE = 100 ток ICEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении. n-p-n и p-n-p транзисторы Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение. Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.   Материалы по теме: Усилитель напряжения на биполярном транзисторе Транзисторы — режим насыщения

Учебное пособие по усилителю с общим эмиттером

Усилитель с общим коллектором — это еще один тип биполярного переходного транзистора (BJT), в котором входной сигнал подается на клемму базы, а выходной сигнал снимается с клеммы эмиттера. Таким образом, клемма коллектора является общей как для входных, так и для выходных цепей. Этот тип конфигурации называется общим коллектором (CC), потому что клемма коллектора эффективно «заземлена» или «заземлена» через источник питания.

Во многих отношениях конфигурация с общим коллектором (CC) является противоположностью конфигурации с общим эмиттером (CE), поскольку подключенный нагрузочный резистор перемещается от обычной клеммы коллектора, обозначенной R _C , к клемме эмиттера, где находится имеет маркировку R _E .

Конфигурация с общим коллектором или заземленным коллектором обычно используется там, где источник входного сигнала с высоким импедансом должен быть подключен к выходной нагрузке с низким импедансом, требующей высокого коэффициента усиления по току.Рассмотрим схему усилителя с общим коллектором ниже.

Усилитель с общим коллектором на транзисторе NPN

Резисторы R ₁ и R ₂ образуют простую схему делителя напряжения, используемую для смещения NPN-транзистора в проводимость. Поскольку этот делитель напряжения слегка нагружает транзистор, базовое напряжение, V _B , можно легко вычислить, используя простую формулу делителя напряжения, как показано на рисунке.

Сетевой делитель напряжения

Если коллекторный вывод транзистора подключен напрямую к V _CC и отсутствует сопротивление коллектора (R _C = 0), любой ток коллектора будет вызывать падение напряжения на эмиттерном резисторе R _E .

Однако в схеме усилителя с общим коллектором такое же падение напряжения V _E также представляет выходное напряжение V _OUT .

В идеале мы бы хотели, чтобы падение напряжения постоянного тока на R _E было равным половине напряжения питания, V _CC , чтобы выходное напряжение покоя транзисторов находилось где-то посередине характеристических кривых, обеспечивая максимальный выходной сигнал без ограничения. . Таким образом, выбор R _E сильно зависит от I _B и коэффициента усиления транзистора по току Beta, β.

Поскольку pn-переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток базы протекает через переход к эмиттеру, стимулируя работу транзистора, вызывая протекание гораздо большего тока коллектора, I _C . Таким образом, эмиттерный ток представляет собой комбинацию тока базы и коллектора как: I _E = I _B + I _C . Однако, поскольку ток базы чрезвычайно мал по сравнению с током коллектора, ток эмиттера, следовательно, приблизительно равен току коллектора.Таким образом, I _E ≈ I _C

Как и в случае конфигурации усилителя с общим эмиттером (CE), входной сигнал подается на вывод базы транзистора, и, как мы уже говорили ранее, выходной сигнал усилителя снимается с вывода эмиттер-эмиттер. Однако, поскольку между базой транзистора и его выводом эмиттера имеется только один смещенный в прямом направлении pn-переход, любой входной сигнал, подаваемый на базу, проходит непосредственно через переход к эмиттеру. Следовательно, выходной сигнал, присутствующий на эмиттере, синфазен с приложенным входным сигналом на базе.

Поскольку выходной сигнал усилителя берется через нагрузку эмиттера, этот тип конфигурации транзистора также известен как схема эмиттерного повторителя , поскольку выход эмиттера «следует» или отслеживает любые изменения напряжения базового входного сигнала, за исключением того, что он остается примерно на 0,7 В (В _BE ) ниже базового напряжения. Таким образом, V _IN и V _OUT синфазны, создавая нулевую разность фаз между входным и выходным сигналами.

При этом pn-переход эмиттера эффективно действует как диод с прямым смещением, и для небольших входных сигналов переменного тока этот переход эмиттерного диода имеет сопротивление, равное: r ‘ _e = 25 мВ / I _e , где 25 мВ — это тепловое напряжение перехода при комнатной температуре (25 ^o C) и I _e — ток эмиттера.Таким образом, когда ток эмиттера увеличивается, сопротивление эмиттера уменьшается на пропорциональную величину.

Базовый ток, протекающий через это внутреннее сопротивление перехода база-эмиттер, также течет через внешний эмиттерный резистор, R _E . Эти два сопротивления соединены последовательно, действуя как сеть делителя потенциала, создавая падение напряжения. Поскольку значение r ’ _e очень мало, а R _E намного больше, обычно в диапазоне килом (кОм), величина выходного напряжения усилителя, следовательно, меньше его входного напряжения.

Однако в действительности величина выходного напряжения (от пика до пика) обычно находится в диапазоне от 98 до 99% входного напряжения, что в большинстве случаев достаточно близко, чтобы рассматривать его как единичное усиление.

Мы можем рассчитать коэффициент усиления по напряжению, V _A усилителя с общим коллектором, используя формулу делителя напряжения, как показано, предполагая, что базовое напряжение V _B фактически является входным напряжением V _IN .

Коэффициент усиления напряжения усилителя с общим коллектором

Таким образом, усилитель с общим коллектором не может обеспечить усиление напряжения, и другое выражение, используемое для описания схемы усилителя с общим коллектором, — это схема Voltage Follower Circuit по очевидным причинам.Таким образом, поскольку выходной сигнал следует за входом и синфазен со входом, схема общего коллектора представляет собой неинвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления напряжения.

Общий коллекторный усилитель Пример №1

Усилитель с общим коллектором построен с использованием биполярного транзистора NPN и цепи смещения делителя напряжения. Если R ₁ = 5k6Ω, R ₂ = 6k8Ω и напряжение питания составляет 12 вольт. Рассчитайте значения: V _B , V _C и V _E , тока эмиттера I _E , внутреннего сопротивления эмиттера r ‘ _e и коэффициента усиления по напряжению A _V при сопротивлении нагрузки. 4k7Ω.Также нарисуйте окончательную схему и соответствующую характеристическую кривую с линией нагрузки.

1. Напряжение смещения базы, В _В

2. Напряжение на коллекторе, В _С . Поскольку сопротивление нагрузки коллектора отсутствует, вывод коллектора транзисторов подключается непосредственно к шине питания постоянного тока, поэтому V _C = V _CC = 12 вольт.

3. Напряжение смещения эмиттера, В _Э

4. Ток эмиттера, I _E

5.Сопротивление эмиттера переменного тока, r ’ _e

6. Коэффициент усиления по напряжению, А _В

Схема усилителя с общим коллектором с линией нагрузки

Входное сопротивление общего коллектора

Хотя усилитель с общим коллектором не очень хорош в качестве усилителя напряжения, поскольку, как мы видели, его коэффициент усиления по напряжению для небольшого сигнала приблизительно равен единице ( _В ≅ 1), он, тем не менее, является очень хорошим буфером напряжения. цепь из-за ее высокого входного (Z _IN ) и низкого выходного (Z _OUT ) импедансов, обеспечивая изоляцию между источником входного сигнала и нагрузкой с полным сопротивлением.

Другой полезной особенностью усилителя с общим коллектором является то, что он обеспечивает усиление по току (A _i ), пока он является проводящим. То есть он может пропускать большой ток, текущий от коллектора к эмиттеру, в ответ на небольшое изменение его базового тока, I _B . Помните, что этот постоянный ток видит только R _E , так как R _C не существует. Тогда постоянный ток будет просто: V _CC / R _E , который может быть большим, если R _E мало.

Рассмотрим базовую конфигурацию усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя ниже:

Конфигурация усилителя с общим коллектором

Для анализа цепи переменного тока конденсаторы закорочены, а V _CC закорочен (нулевое сопротивление). Таким образом, приведена эквивалентная схема с токами смещения и напряжениями, указанными как:

Входное сопротивление, Z _IN конфигурации с общим коллектором, смотрящее на базу, определяется как:

Но как Бета, β обычно намного больше 1 (обычно выше 100), выражение: β + 1 может быть уменьшено до Бета, β, поскольку умножение на 100 практически то же самое, что умножение на 101.Таким образом:

Базовый импеданс усилителя с общим коллектором

Где: β — коэффициент усиления транзистора по току, R _e — эквивалентное сопротивление эмиттера, а r ’ _e — сопротивление переменному току диода эмиттер-база. Обратите внимание, что, поскольку суммарное значение R _e обычно намного больше, чем эквивалентное сопротивление диодов, r ‘ _e (килоом по сравнению с несколькими омами), базовое сопротивление транзистора может быть задано просто: β * R _е .

Интересно отметить, что входное сопротивление базы транзистора, Z _{IN (база)} , может регулироваться значением резистора эмиттерной ветви R _E или нагрузочного резистора R _L , поскольку они соединены параллельно.

Хотя приведенное выше уравнение дает нам входной импеданс в основании транзистора, оно не дает нам истинного входного сопротивления, которое исходный сигнал мог бы видеть в полной схеме усилителя. Для этого нам нужно рассмотреть два резистора, которые составляют цепь смещения делителя напряжения. Таким образом:

Входное сопротивление усилителя с общим коллектором

Общий коллектор Пример №2

Используя приведенную выше схему усилителя с общим коллектором, рассчитайте входные сопротивления базы транзисторов и каскада усилителя, если сопротивление нагрузки R _L составляет 10 кОм, а коэффициент усиления по току NPN-транзисторов равен 100.

1. Сопротивление эмиттера переменного тока, r ’ _e

2. Сопротивление эквивалентной нагрузки, R _e

3. Базовое сопротивление транзисторов, Z _BASE

2. Входное сопротивление усилителя, Z _{IN (STAGE)}

Поскольку базовое сопротивление транзисторов 322 кОм намного выше, чем входное сопротивление усилителя всего 2,8 кОм, входное сопротивление усилителя с общим коллектором определяется соотношением двух резисторов смещения, R ₁ и R ₂ .

Выходное сопротивление общего коллектора

Чтобы определить выходное сопротивление усилителя CC Z _OUT , глядя от нагрузки обратно на вывод эмиттера усилителя, мы должны сначала снять нагрузку, так как мы хотим увидеть эффективное сопротивление усилителя, который управляет нагрузкой. Таким образом, эквивалентная схема переменного тока на выходе усилителя имеет вид:

Сверху входной импеданс базовой цепи определяется как: R _B = R ₁ || R ₂ .Коэффициент усиления транзистора по току определяется как: β. Таким образом, выходное уравнение имеет вид:

Таким образом, мы можем видеть, что эмиттерный резистор R _E фактически включен параллельно всему импедансу транзистора, смотрящему назад в его вывод эмиттера.

Если мы рассчитаем выходной импеданс нашей схемы усилителя с общим эмиттером, используя значения компонентов, указанные выше, это даст выходное сопротивление Z _OUT менее 50 Ом (49,5 Ом), что намного меньше, чем более высокое входное сопротивление Z _{. IN (BASE)} рассчитано ранее.

Таким образом, мы можем видеть, что конфигурация усилителя с общим коллектором , исходя из расчетов, имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс, что позволяет ему управлять нагрузкой с низким импедансом. Фактически, из-за относительно высокого входного сопротивления усилителей CC и очень низкого выходного сопротивления он обычно используется в качестве буферного усилителя с единичным усилением.

Определив, что выходное сопротивление Z _OUT нашего приведенного выше примера усилителя составляет приблизительно 50 Ом по расчетам, если мы теперь снова подключим нагрузочный резистор 10 кОм обратно в схему, результирующее выходное сопротивление будет:

Несмотря на то, что сопротивление нагрузки составляет 10 кОм, эквивалентное выходное сопротивление все еще низкое — 49.3 Ом. Это связано с тем, что R _L больше по сравнению с Z _OUT , поэтому для максимальной передачи мощности R _L должен равняться Z _OUT . Поскольку коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим коллектором считается равным единице (1), коэффициент усиления мощности усилителя должен быть равен его коэффициенту усиления по току, так как P = V * I.

Поскольку коэффициент усиления по току общего коллектора определяется как отношение тока эмиттера к току базы, γ = I _E / I _B = β + 1, следовательно, коэффициент усиления по току усилителя должен быть приблизительно равен Бета (β) как β + 1 практически то же самое, что и Бета.

Общий коллектор, сводка

В этом руководстве мы видели, что усилитель с общим коллектором получил свое название, потому что клемма коллектора BJT является общей как для входных, так и для выходных цепей, поскольку нет сопротивления коллектора, R _C .

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим коллектором примерно равен единице (A _v 1), а его коэффициент усиления по току, A _i , примерно равен Beta, (A _i β), который в зависимости от Значение бета для конкретных транзисторов может быть довольно высоким.

Мы также убедились в расчетах, что входное сопротивление Z _IN высокое, а выходное сопротивление Z _OUT низкое, что делает его полезным для согласования импеданса (или согласования сопротивлений) или в качестве буферной схемы между источник напряжения и низкоомная нагрузка.

Поскольку усилитель с общим коллектором (CC) получает свой входной сигнал на базу с выходным напряжением, снимаемым с эмиттерной нагрузки, входное и выходное напряжения «синфазны» (разность фаз 0 ^— ), поэтому Конфигурация коллектора носит вторичное имя Emitter Follower , поскольку выходное напряжение (напряжение эмиттера) следует за входным базовым напряжением.

Транзисторный эмиттерный повторитель

, усилитель с общим коллектором »Электроника

Схема эмиттерного повторителя или общего коллектора представляет собой идеальный буферный усилитель, и схему легко спроектировать.

---

Руководство по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Конструкция схемы с общим эмиттером Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем

---

Конфигурация схемы с общим коллектором более широко известна как эмиттерный повторитель, и она обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.

Это означает, что схема эмиттерного повторителя обеспечивает идеальный буферный каскад, и, как результат, он используется во многих схемах, где нет необходимости загружать цепь, такую ​​как генератор или другую цепь, а обеспечить более низкий импеданс для следующих каскадов. .

Конструкция электронной схемы эмиттерного повторителя или каскада с общим коллектором очень проста и требует всего нескольких электронных компонентов и некоторых очень простых расчетов.

Эмиттерный повторитель / транзисторный усилитель с общим коллектором, основы

Конфигурация схемы транзистора с общим коллектором получила свое название из-за того, что схема коллектора является общей как для входных, так и для выходных цепей, при этом база связана только с входом, а затем эмиттер — только с выходом.

Другое название общего коллектора — эмиттерный повторитель. Это название происходит от того факта, что напряжение эмиттера «следует» за напряжением базовой схемы — схема имеет единичный коэффициент усиления по напряжению.

Транзисторный усилитель с эмиттерным повторителем имеет очень простую схему. База подключается к предыдущей ступени, и часто она может быть подключена напрямую, поскольку это позволяет сэкономить на дополнительных резисторах смещения, которые снижают входное сопротивление и, следовательно, увеличивают нагрузку на предыдущую ступень.

Конфигурация схемы общего коллектора транзистора

Глядя на схему, можно увидеть, что, хотя напряжение эмиттера следует за напряжением базы, в терминах постоянного тока оно фактически меньше, чем у базы, на напряжение, равное падению напряжения на PN-переходе между базой и эмиттер. Обычно это 0,6 В для кремниевого транзистора и от 0,2 до 0,3 для германиевых транзисторов, хотя в наши дни они широко не используются.

Поскольку напряжение эмиттера следует за напряжением базы, это означает, что вход и выход точно совпадают по фазе и не сдвинуты на 180 °, как в случае усилителя с общим эмиттером.

Обзор характеристик транзисторного усилителя с эмиттерным повторителем

В таблице ниже приведены основные характеристики транзисторного усилителя с общим коллектором и эмиттерным повторителем.

Характеристики транзисторного усилителя с общим коллектором, эмиттерным повторителем
Параметр	Характеристики
Коэффициент усиления по току	Высокая
Коэффициент усиления напряжения	Ноль
Прирост мощности	Средний
Соотношение фаз вход / выход	0 °
Входное сопротивление	Высокая
Выходное сопротивление	Низкая

Одним из ключевых аспектов характеристики является входное сопротивление.Поскольку он обычно используется в качестве буферного усилителя, это ключевой параметр.

Входное сопротивление легко рассчитать для схемы, поскольку оно в β раз больше резистора R1, где β — коэффициент усиления транзистора по прямому току.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя

Эмиттерный повторитель, связанный по постоянному току, цепь общего коллектора

Самый простой способ подключения эмиттерного повторителя — это прямое соединение входа, как показано ниже. Часто коллектор предыдущей ступени будет иметь напряжение примерно на уровне средней шины, и это означает, что он может быть напрямую подключен к буферной ступени.

Схема эмиттерного повторителя с прямой связью

1. Выберите транзистор: Как и в случае с другими формами транзисторной схемы, транзистор следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями.
2. Значение резистора эмиттера: Напряжение на эмиттере легко определить. Это просто то, что было на предыдущем этапе. Скажем, например, это половина напряжения шины, тогда напряжение на эмиттере Q1 будет на 0,5 В (для кремниевого транзистора) меньше, чем это — падение на переходе база-эмиттер.Просто рассчитайте номинал резистора для требуемого тока.
3. Входное сопротивление эмиттерного повторителя: Входное сопротивление схемы эффективно в β раз больше эмиттерного резистора R1.

Эмиттерный повторитель, связанный по переменному току, цепь общего коллектора

Не всегда возможно напрямую связать эмиттерный повторитель с общим коллекторным буфером. В этом случае необходимо добавить в схему несколько дополнительных электронных компонентов: конденсаторы связи и резисторы смещения.

Схема эмиттерного повторителя, связанного по переменному току

Эмиттерный повторитель может быть спроектирован, а значения электронных компонентов могут быть определены с использованием приведенного ниже расчетного потока в качестве основы:

1. Выберите транзистор: Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к рабочим характеристикам.
2. Выберите резистор эмиттера: Выбирая напряжение эмиттера, равное примерно половине напряжения питания, чтобы обеспечить наиболее равномерный диапазон до начала любого ограничения, определите требуемый ток по импедансу следующего каскада.
3. Определите базовый ток: Максимальный базовый ток — это ток коллектора, деленный на β (или hfe, что по сути то же самое).
4. Определите базовое напряжение: Базовое напряжение — это просто напряжение эмиттера плюс напряжение перехода база-эмиттер — это 0,6 В для кремниевых и 0,2 В для германиевых транзисторов.
5. Определите номиналы резистора базы: Предположим, что ток, протекающий через цепь R1 + R2, примерно в десять раз больше необходимого тока базы.Затем выберите правильное соотношение резисторов, чтобы обеспечить необходимое напряжение на базе.
6. Определите значение входного конденсатора: Значение входного конденсатора должно равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы обеспечить падение -3 дБ на этой частоте. Общий импеданс цепи будет β умноженным на R3 плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, то есть полное сопротивление источника. Внешнее сопротивление часто игнорируется, так как оно, скорее всего, не окажет чрезмерного влияния на схему.
7. Определите значение выходного конденсатора: Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается так, чтобы он равнялся сопротивлению цепи на самой низкой рабочей частоте. Сопротивление цепи — это выходное сопротивление эмиттерного повторителя плюс сопротивление нагрузки, т. Е. Следующей цепи.
8. Переоценка допущений: В свете того, как развивалась схема, переоценить все допущения о схеме, чтобы убедиться, что они остаются в силе.Такие аспекты, как выбор транзистора, значения потребления тока и т. Д.

Схема эмиттерного повторителя особенно полезна для приложений, где требуется высокий входной импеданс. Предлагая высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, он не нагружает цепи, которые могут иметь только небольшую выходную мощность, или такие цепи, как генераторы, которым требуется нагрузка с высоким импедансом для обеспечения оптимальной стабильности и т. Д.

Практические аспекты эмиттерного повторителя

При использовании схемы эмиттерного повторителя следует отметить несколько полезных практических моментов:

• Входная емкость влияет на RF: Хотя эмиттерный повторитель обеспечивает высокое сопротивление любым сигналам, емкость эмиттера базы может снизить импеданс, если используются сигналы выше нескольких сотен килогерц.Об этом следует помнить при проектировании электронной схемы, поскольку это может значительно повлиять на любые уровни нагрузки.

• Может потребоваться развязка коллектора: В некоторых случаях цепь эмиттерного повторителя может колебаться, особенно при наличии длинных выводов. Это может произойти, когда требуются высокочастотные характеристики и используются высокочастотные транзисторы.

  Один из самых простых способов предотвратить это — отключить коллектор от земли с помощью конденсатора C3 с максимально короткими соединениями.Это может быть легко включено при проектировании электронной схемы, и может быть включено в качестве меры предосторожности, используя всего пару электронных компонентов.

  Значения будут зависеть от частоты использования. При необходимости между коллектором и питающей шиной можно установить небольшое сопротивление R4. В большинстве случаев номинал этого резистора должен быть порядка 100 Ом или меньше. Это также можно добавить в качестве меры предосторожности.

  Схема эмиттерного повторителя с развязкой коллектора

  Тот же эффект можно также реализовать, поместив небольшую ферритовую бусину на вывод коллектора.Однако для большинства целей решение резистор / конденсатор является наиболее удобным.

Эмиттерный повторитель прост в установке и требует всего нескольких электронных компонентов. Это очень удобная схема, которую можно добавить, когда схема требует минимальной нагрузки.

Эмиттерный повторитель широко используется в качестве буферного усилителя для уменьшения нагрузки на предыдущий каскад и обеспечения более низкого выходного сопротивления для любых последующих цепей. Конструкция электронной схемы сцены также очень проста и проста в исполнении.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Конфигурация общего коллектора

Общий Конфигурация коллектора

В этой конфигурации клемма базы транзистора служит входом, клемма эмиттера является выходом, а клемма коллектора является общей для входа и выхода.Следовательно, она называется общей конфигурацией сборщика. Вход применяется между базой и коллектором, а выход — между эмиттером и коллектором.

В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена, поэтому конфигурация с общим коллектором также известна как конфигурация с заземленным коллектором.

Иногда конфигурацию с общим коллектором также называют эмиттерным повторителем, повторителем напряжения, усилителем с общим коллектором, усилителем CC или конфигурацией CC.Эта конфигурация в основном используется в качестве буфера напряжения.

Входное напряжение питания между базой и коллектором обозначается VBC, а выходное напряжение между эмиттером и коллектором обозначается VEC.

В этой конфигурации входной ток или базовый ток обозначен IB, а выходной ток или ток эмиттера обозначен IE. Усилитель с общим коллектором имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.Он имеет низкий коэффициент усиления по напряжению и высокий коэффициент усиления по току.

Усилитель с общим коллектором имеет средний коэффициент усиления по мощности. Чтобы полностью описать поведение транзистора с конфигурацией CC, нам нужны два набора характеристик — входные характеристики и выходные характеристики.

Входные характеристики

Входные характеристики описывают взаимосвязь между входным током или базовым током (IB) и входным напряжением или напряжением база-коллектор (VBC).

Сначала нарисуйте вертикальную и горизонтальную линии. Вертикальная линия представляет ось Y, а горизонтальная линия представляет ось x

.

Входной ток или базовый ток (IB) отсчитывается по оси y (вертикальная линия), а входное напряжение или напряжение база-коллектор (VBC) снимается по оси x (горизонтальная линия).

Кому определить входные характеристики, выходное напряжение VEC поддерживается постоянным на уровне 3 В, а входное напряжение VBC составляет увеличился от нуля вольт до различных уровней напряжения.Для каждого уровень входного напряжения VBC _, соответствующий входной ток IB равен отметил. Затем строится кривая между входным током IB и входное напряжение VBC при постоянное выходное напряжение VEC (3В).

Затем выходное напряжение VEC увеличивается с 3 В до другого уровня напряжения, скажем, например, 5 В, а затем остается постоянным на уровне 5 В.При увеличении выходного напряжения VEC входное напряжение VBC поддерживается постоянным на уровне нуля вольт.

После того как мы сохранили выходное напряжение VEC постоянная при 5 В, входное напряжение VBC равно увеличился от нуля вольт до различных уровней напряжения. Для каждого уровень входного напряжения VBC , соответствующий входной ток IB равен отметил.Затем строится кривая между входным током IB и входное напряжение VBC при постоянное выходное напряжение VEC (5В).

Этот процесс повторяется для более высоких фиксированных значений выходного напряжения (VEC).

Выходные характеристики

Выходные характеристики описывают взаимосвязь между выходным током или током эмиттера (IE) и выходным напряжением или напряжением эмиттер-коллектор (VEC).

Сначала нарисуйте вертикальную и горизонтальную линии. Вертикальная линия представляет ось y, а горизонтальная линия представляет ось x.

Выходной ток или ток эмиттера (IE) снимается по оси y (вертикальная линия), а выходное напряжение или напряжение эмиттер-коллектор (VEC) снимается по оси x (горизонтальная линия).

Для определения выходных характеристик входной ток IB поддерживается постоянным на уровне нуля микроампер, а выходное напряжение VEC увеличивается от нуля вольт до различных уровней напряжения. Для каждого уровня выходного напряжения VEC отмечается соответствующий выходной ток IE. Затем строится кривая между выходным током IE и выходным напряжением VEC при постоянном входном токе IB (0 мкА).

Затем входной ток ( IB ) увеличивается с 0 мкА до 20 мкА и затем остается постоянным на уровне 20 мкА.При увеличении входного тока (IB) выходное напряжение (VEC) поддерживается постоянным на уровне 0 вольт.

После того, как мы поддерживаем постоянный входной ток (IB) на уровне 20 мкА, выходное напряжение (VEC) увеличивается с нуля до различных уровней напряжения. Для каждого уровня выходного напряжения (VEC) записывается соответствующий выходной ток (IE). Затем строится кривая между выходным током IE и выходным напряжением VEC при постоянном входном токе IB (20 мкА). Эта область известна как активная область транзистора.

Этот процесс повторяется для более высоких фиксированных значений входного тока IB (например, 40 мкА, 60 мкА, 80 мкА и т. Д.).

В конфигурации с общим коллектором, если входной ток или базовый ток равны нулю, то выходной ток или ток эмиттера также равны нулю. В результате через транзистор не протекает ток.Таким образом, транзистор окажется в области отсечки. Если базовый ток немного увеличивается, то увеличивается и выходной ток или ток эмиттера. Так транзистор попадает в активную область. Если ток базы сильно увеличивается, то ток, протекающий через транзистор, также сильно увеличивается. В результате транзистор попадает в область насыщения.

Параметры транзистора

динамический входное сопротивление (r _i )

Динамическое входное сопротивление определяется как отношение изменения входного напряжения или базового напряжения (VBC) к соответствующему изменению входного или базового тока (IB) при постоянном выходном напряжении или напряжении эмиттера (VEC).

Входное сопротивление усилителя с общим коллектором высокое.

динамический выходное сопротивление (r _o )

Динамическое выходное сопротивление определяется как отношение изменения выходного напряжения или напряжения эмиттера (VEC) к соответствующему изменению выходного тока или тока эмиттера (IE) при постоянном входном токе или базовом токе (IB).Выходное сопротивление усилителя с общим коллектором низкое.

Коэффициент усиления тока (γ)

Коэффициент усиления тока определяется как отношение изменения выходного тока или тока эмиттера IE к изменению входного тока или базового тока IB. Это выражается γ.

Усилитель с общим коллектором имеет высокое усиление по току.

ТРАНЗИСТОРОВ

ТРАНЗИСТОРЫ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор — это электронное устройство, способное выполнения большинства функций электронных ламп.Это очень небольшое, легкий вес и не требует нагревателя. Он также механически прочен и не улавливает посторонние сигналы. Транзисторы широко используются более десяти лет, но по сравнению с некоторыми компонентами они замена они относительно новые. По мере продвижения исследований появляются новые открытия часто вызывают изменение некоторых элементов теории транзисторов. Транзистор — полупроводниковый прибор, состоящий из двух типов материалов. каждый из которых проявляет электрические свойства.Полупроводники — это материалы чьи резистивные характеристики находятся примерно посередине между хороших проводов и изоляторов. Интерфейс между частями называется соединение. Селеновые и германиевые диоды (выпрямители) являются примерами такие устройства и называются переходными диодами. Большинство транзисторов сделаны германия, к которому добавлены определенные примеси для придания определенных характеристик. В качестве примесей обычно используются мышьяк или индий. Тип транзистора, который может использоваться в некоторых приложениях на месте из триодной лампы является «переходной» транзистор, который на самом деле имеет два переходы.Он имеет эмиттер, базу и коллектор, которые соответствуют катод, сетка и пластина соответственно в триодной лампе. Переходные транзисторы бывают двух типов: NPN и PNP (см. рисунок 8-224).

Теория работы транзисторов

Перед срабатыванием транзистора можно пояснить значение «N» и «P», необходимо рассмотреть теорию действия транзисторов.

Электрон — отрицательно заряженная частица. В любом материале есть это электроны, отделенные друг от друга небольшим расстоянием. В любое время есть электрон, есть отрицательный заряд. Атом полупроводника материал имеет определенное количество электронов, в зависимости от типа материал. Если один из электронов удален, дырка, из которой электроны перемещенный более положительный, чем удаленный электрон.

Считается, что отверстие имеет положительный заряд.Если электрон из соседний атом движется в дырку, дырка, по-видимому, движется в место, откуда пришел электрон. Отверстие на самом деле не двигается; это залил в одном месте и сформировал в другом. В A на рисунке 8-225 электроны обозначаются черными точками, а отверстия — пунктирными кружками. В B на рисунке 8-225 электроны переместились на одну позицию влево. их позиции, занятой в A на рисунке 8-225. По сути, отверстия имеют, поэтому перемещен на одну позицию вправо.

Электроны движутся по току. В том же смысле движение дырок тоже ток. Электронный ток движется в одном направлении; отверстие ток движется в обратном направлении. Движение заряда ток. В транзисторах электроны и дырки действуют как носители тока.

В транзисторах материалы называются N-материалами и P-материалами. используются. N-материалы богаты электронами и, следовательно, электронами. выступают в качестве носителей.В P-материале отсутствуют электроны и, следовательно, имеет отверстия в качестве носителей.

Транзистор NPN не взаимозаменяем с транзистором PNP и наоборот. наоборот. Однако, если все источники питания поменять местами, их можно поменять местами.

Поскольку температура в цепи транзистора критична, транзисторы должны иметь достаточное охлаждение. Еще одна мера предосторожности соблюдать правила, применимые к любой цепи: Власть никогда не должна сознательно применяться к разомкнутой цепи. Диоды На рисунке 8-226 показан германиевый диод, состоящий из двух различных типы полупроводниковых материалов. С аккумулятором, подключенным, как показано, положительные дырки и электроны отталкиваются батареей к стыку, вызывая взаимодействие между дырками и электронами. Это приводит к электроны, протекающие через переход к отверстиям и к положительному клемма аккумуляторной батареи. Отверстия движутся к отрицательному выводу батарея.Это называется прямым направлением и представляет собой «высокий» ток.

При подключении аккумулятора, как показано на рисунке 8-227, появляются отверстия и электроны должны быть оторваны от перехода, и небольшое взаимодействие между дырки и электроны возникают на стыке. В результате получается очень мало текущий поток, называемый обратным током.

Потенциал на электродах транзисторных диодов, приложенный от аккумулятор называется смещением.Это может быть прямое или обратное смещение, что в направлении сильного или слабого тока.

N-германий производится с примесью, такой как мышьяк, чтобы дать ему избыток электронов. Мышьяк легко отдает свои электроны и может использоваться как носитель. P-германий имеет примеси, такие как индий, добавлен. Это забирает электроны из германия и оставляет дырки, или положительные носители.

Стабилитроны

Стабилитроны (иногда называемые «пробивными диодами») используются в основном для регулирования напряжения.Они сконструированы так, что ломаются (позволить току пройти), когда потенциал цепи равен или превышает желаемого напряжения. Ниже желаемого напряжения стабилитрон блокирует Схема как и любой другой диод смещена в обратном направлении. Поскольку стабилитрон позволяет свободно течь в одном направлении, когда он используется в сети переменного тока. В цепи необходимо использовать два диода, соединенных в противоположных направлениях. Этот заботится об обоих чередованиях тока.

Стабилитрон может использоваться во многих местах, где газонаполненная вакуумная трубка не может использоваться, потому что он меньше по размеру и может использоваться в низковольтных схемы.Газонаполненная трубка используется в цепях с напряжением выше 75 вольт, но Стабилитрон можно использовать для регулирования напряжения до 3,5 В.

PNP транзистор

На рисунке 8-228 показана транзисторная схема с питанием. батареями. Цепь эмиттера смещена батареей Ee в переднем или направление сильноточного потока. Коллекторная цепь смещена аккумулятором. E, в обратном направлении или в направлении слабого тока. Если переключатель в эмиттере были замкнуты (коллекторный переключатель разомкнут), большой ток эмиттера поток, поскольку он смещен в прямом направлении.Если коллекторный выключатель были замкнуты (переключатель эмиттера разомкнут), будет течь слабый ток, так как он смещен в обратном направлении.

При этом дырочный ток течет в обратном направлении в той же схеме, как показано на рисунке 8-229. Дырочный ток течет от положительного полюса батареи, тогда как электронный ток возникает на отрицательной клемме. Работа с обоими переключателями закрыт так же, как и с транзистором PNP, за исключением того, что теперь эмиттер выбрасывает электроны вместо дырок в базу, а коллектор, будучи положительный, соберет электроны.Снова наблюдается значительный рост ток коллектора при замкнутом эмиттерном переключателе. С переключателем эмиттера открытый, ток коллектора будет небольшим, так как он смещен на обратный поток.

На первый взгляд может показаться, что транзистор не может усилить, так как в коллекторе ток меньше, чем в цепи эмиттера. Воспоминание, однако, что излучатель смещен в прямом направлении и небольшой напряжение вызывает большой ток, который эквивалентен низкому сопротивлению.Коллекторная цепь смещена в обратном направлении, и большое напряжение вызывает небольшой ток, который эквивалентен высокому сопротивлению.

Когда оба переключателя замкнуты, явление, известное как действие транзистора. имеет место. Излучатель, смещенный в прямом направлении, имеет положительную отверстия выбрасываются через соединение в область «N» основания. (В положительная клемма АКБ отталкивает отверстия через разветвление.) Коллектор, будучи смещенным отрицательно, теперь притянет эти отверстия через соединение от базы до коллектора.

Этот сбор дырок коллектором вызывает гораздо больший обратный тока, чем было бы, если бы переключатель эмиттера был разомкнут. Большой увеличение обратного коллекторного тока вызвано так называемым транзисторным действие, при котором отверстия от эмиттера переходят в коллектор. Вместо отверстия, протекающие через основание и обратно к эмиттеру, они протекают через коллектор Ec и Ee к эмиттеру; фактический базовый ток очень небольшой.

Сумма тока коллектора и тока базы равна току эмиттера.В типичных транзисторах ток коллектора может составлять 80-99 процентов от ток эмиттера, а остальная часть протекает через базу.

NPN транзистор

На рисунке 8-230 подключен транзистор NPN. в цепь. Обратите внимание, что полярность батареи обратная для транзистора PNP. Но с перевернутыми типами материалов транзисторов, эмиттер по-прежнему смещен в прямом направлении, а коллектор все еще смещен в обратном направлении.

В этой схеме слабый сигнал, приложенный к входной клемме, вызывает небольшое изменение как эмиттерных, так и коллекторных токов; однако коллекционер, будучи высоким сопротивлением, требуется лишь небольшое изменение тока для создания большие перепады напряжения. Поэтому на выходе появляется усиленный сигнал. терминалы.

Схема на этом рисунке называется усилителем с заземленной базой. потому что база общая для ввода и вывода (эмиттер и коллектор) схемы.

На рисунке 8-231 показан другой тип схемы. связь. Это называется усилителем с заземленным эмиттером и аналогичен к обычному триодному усилителю. Эмиттер похож на катод, база как сетка, а коллектор как тарелка. Коллекционер предвзят для обратного тока.

Если входной сигнал имеет положительный характер, как показано на рисунке 8-231, это поможет смещению и увеличит базовый и эмиттерный ток. Это увеличивает ток коллектора, делая верхнюю выходную клемму более отрицательный.В следующем полупериоде сигнал будет противодействовать смещению и уменьшится. эмиттерный и коллекторный ток. Следовательно, выходной сигнал будет положительным. Он сдвинут по фазе на 180 ° с входом, как и в обычном ламповый усилитель на триоде.

Поскольку базовый ток составляет очень небольшую часть общего тока эмиттера, требуется только очень небольшое изменение базового тока, чтобы вызвать большое изменение в токе коллектора. Следовательно, он снова усиливает сигнал. Эта схема имеет самый высокий коэффициент усиления (выход / вход) среди различных транзисторных усилителей.Транзистор PNP также может использоваться, если полярность батареи была изменена на обратную.

Использование транзисторов

Транзисторы могут использоваться во всех приложениях, где используются электронные лампы, в пределах определенных ограничений, налагаемых их физическими характеристиками. В основным недостатком транзисторов является их малая выходная мощность и ограниченная частотный диапазон. Однако, поскольку они составляют примерно одну тысячную физический размер вакуумной трубки, они могут использоваться в компактном оборудовании.Их вес, примерно одна сотая веса вакуумной лампы, составляет оборудование намного легче. Их жизнь примерно в три раза больше вакуумной лампы, а их потребляемая мощность составляет всего лишь одну десятую от вакуумной трубки.

Транзисторы могут быть необратимо повреждены из-за нагрева или обратной полярности. блока питания. По этой причине при установке необходимо соблюдать осторожность. их в цепи, чтобы предотвратить эти условия.

Транзисторы могут быть установлены в миниатюрные ламповые патроны, а могут впаиваться непосредственно в схемы.Техническое обслуживание не требуется на них, кроме снятия и замены при необходимости.

При первом отслеживании транзисторных цепей могут возникнуть проблемы. имеет опыт понимания по схеме, является ли транзистор NPN или PNP. См. Рисунок 8-232, на котором показан схематический символ. для двух типов транзисторов. Обратите внимание на стрелку в строке эмиттера. Когда эта стрелка указывает от основания, это NPN; если стрелка обращенный к базе, это транзистор PNP. Простое правило для определения того, является ли транзистор PNP или NPN выглядит следующим образом: если это PNP, центральная буква «N» означает отрицательный база или, другими словами, что база будет более свободно вести себя на отрицательном заряжать. Если транзистор NPN, «P» указывает на положительную базу. и транзистор будет проводить более свободно при положительном базовом заряде.

Поскольку существуют разные типы транзисторов на основе метода при их изготовлении используется несколько способов идентификации транзистора. в цепи как NPN или PNP.Один метод, используемый для идентификации Тип транзистора, называемый переходным транзистором, показан на рисунке. 8-233. В этом случае метод, используемый для определения того, какой из трех проводов К транзистору подключен вывод базы, который является выводом коллектора, и то, что является выводом эмиттера, зависит от физического расстояния между выводами. Обратите внимание, что есть два вывода близко друг к другу и один вывод дальше друг от друга. Центр всегда является основанием. Ближе всего к базе находится поводок. эмиттерный вывод, а вывод — коллектор.Схема Показанное на этом рисунке справедливо для всех транзисторов переходного типа. Для получения подробной информации о любом транзисторе обратитесь к соответствующему производителю. следует обращаться к публикациям.

Общие сведения о транзисторах с биполярным переходом

Введение

Транзисторы — фундаментальный компонент цифровой электроники, от которого мы может создавать схемы, которые могут выполнять логику. По своей сути они действуют как переключатели включения / выключения, которыми можно управлять электрически, и хотя это простая концепция, мне было трудно понять, как именно как они работали в реальный мир.Например, в сообщении в блоге я написал о понимании комплект колеса рулетки, я не мог понять, что будет за транзистор делаю так, как серия резистор-конденсатор находилась в процессе зарядки; как близко к будет ли конденсатор полностью заряжен до включения затвора?

Многие веб-сайты объясняют, что делают NPN-транзисторы и как коллектор, base и emitter связаны с этим поведением. Например, Sparkfun’s страница транзистора разбивает режимов работы из ваш стандартный транзистор NPN в следующий:

• Режим насыщения происходит, когда напряжение на базе (относительно земля; В _база ) выше как напряжение на эмиттере и коллектор (опять же относительно земли; V _{эмиттер} и В _{коллектор} )
• активный режим происходит, когда базовое напряжение (V _base ) выше чем эмиттер V _{эмиттер} но ниже коллектора В _{коллектор}
• режим отсечки происходит, когда базовое напряжение (V _base ) ниже, чем как коллектор (V _{, коллектор} ), так и эмиттер (V _{, эмиттер} )

Но простых соотношений и нескольких уравнений было недостаточно, чтобы помочь я понимаю, как я могу использовать эти транзисторы в реальных схемах.Так что для ради развития моего собственного понимания транзисторов (в частности, биполярных переходные транзисторы, или BJT), я установил несколько тестов, чтобы охарактеризовать поведение транзистора 2N2222 NPN.

Создание испытательной схемы

Чтобы получить практическое представление о том, как эти режимы выглядят на практике, я построил схему с потенциометром 10K, подключенным к базе, чтобы я мог посмотрим, в какой момент транзистор начал проводить:

где

• R1 подтягивает напряжение эмиттера от земли (вместе с R4 ), так что мы можем продемонстрировать режим отсечки
• R2 снижает напряжение коллектора
• R3 — блокиратор обратного хода для предотвращения короткого замыкания цепи, когда потенциометр сопротивление идет к нулю
• R4 поднимает напряжение эмиттера от земли
• R5 — потенциометр 10 кОм для проверки эффекта изменения V _база на V _{эмиттер}

С помощью этой схемы мы можем напрямую измерить три напряжения, которые управляют поведение нашего NPN-транзистора при включении схемы в трех местах:

, а затем измерения, когда потенциометр отклоняется от нулевого сопротивления. на полные 10 кОм.Самый простой способ — использовать простой мультиметр. способ провести этот эксперимент, если это немного утомительно:

На фото выше черный зажим прикреплен к земле, а красный зажим — к земле. прикреплен к коллектору.

Эксперименты с тестовой схемой

Медленно поворачивая потенциометр и измеряя напряжение на коллектор, база, эмиттер, мы можем очень четко увидеть, как влияет напряжение на База (V _base ) имеет на эмиттер и коллектор.Набор в потенциометр для установки V _base на значения в диапазоне от 0 до 3,3 В с шагом 0,1 В и измерение других напряжений дает нам следующее:

На этой диаграмме много интересных данных, поэтому давайте рассмотрим несколько вещи, которые он говорит нам о транзисторах NPN.

1. Определение различных режимов транзистора

Как обсуждалось выше, транзисторы NPN могут работать в одном из трех режимов:

Режим	Критерии	Поведение
Насыщенность	V цоколь > V коллектор V цоколь > V эмиттер	Работает как выключатель
Активный	V коллектор > V база > V эмиттер	V излучатель пропорционально базе V
Отсечка	V цоколь коллектор V цоколь эмиттер	Действует как разомкнутый выключатель

На нашем графике измеренных данных эти режимы представлены следующим образом:

И действительно, мы видим, что

• в режиме отсечки, коллектор остается под постоянным высоким напряжением, в то время как эмиттер остается при постоянном низком напряжении
• в режиме насыщения, коллектор находится под тем же напряжением , что и эмиттер, и действует как короткое замыкание. цепь
• в активном режиме, разность напряжений коллектор-эмиттер уменьшается по мере того, как напряжение базы увеличивается

Поведение во всех трех регионах заметно линейно; поскольку V _base является увеличивается, результирующее изменение двух других напряжений напрямую пропорциональный.Это удобно, потому что другие цифровые компоненты (как и серия RC) , а не , имеют простое линейное поведение; хорошо знать, что NPN-транзистор не усложняет еще больше, вводя другие нелинейное поведение.

2. Определение напряжения включения

Один из практических аспектов работы транзисторов — это диапазон напряжений, в котором они должен быть в активном режиме, но транзистор по-прежнему ведет себя так, как если бы он был в режим отсечки — то есть V _база > V _{эмиттер} но транзистор по-прежнему не пропускает ток.В наших измеренных данных это происходит между значениями V _base от 0,6 В до 1,2 В:

Это минимальное напряжение для получения любой проводимости называется напряжением включения . Получается, что при разнице между V _base и В _{эмиттер} ниже этого напряжения включения 0,6 В, транзистор ведет себя так, как будто он все еще находится в режиме отсечки. Это V _BE <0,6 В критерии - внутреннее свойство транзистора; даже если Напряжение коллектора составляет 5 В (или выше), этот порог равен 0.Остается 6 В постоянный.

Это критическое свойство транзисторов с биполярным переходом, поскольку любой источник сопротивление, которое вы поставите после того, как эмиттер подтянет V _{, эмиттер} и поэтому увеличьте базу V

, которую вам нужно поставить, чтобы транзистор начать проводить. Например, прикрепив светодиод к эмиттеру в цепи 3,3 В может не всегда работать должным образом — у вас есть только 0,7 В поиграйте с опережением коллектора после падения 2,0 В на светодиодах, и это Напряжение включения 0,6 В.

Характеристики транзисторов PNP

Транзисторы

PNP могут работать в одном из трех режимов:

Режим	Критерии	Поведение
Насыщенность	V цоколь коллектор V цоколь эмиттер	Работает как выключатель
Активный	V эмиттер > V цоколь > V коллектор	V излучатель пропорционально базе V
Отсечка	V цоколь > V коллектор V цоколь > V эмиттер	Действует как разомкнутый выключатель

, что по сравнению с таблицей для транзисторов NPN представляет собой почти полная противоположность режимам NPN.А если подключить резистор PNP (например, 2N2907) в нашу тестовую схему как есть и запускаем эксперимент, мы получаем очень странные результаты:

Согласно приведенной выше таблице, почти все значения V _base мы Тестирование происходит в четвертом режиме, который называется обратно-активным режимом , где V _{эмиттер} база коллектор . Это происходит потому, что ток течет от эмиттера к коллектору в PNP. транзисторы; мы только что перевернули наш PNP-транзистор!

Чтобы применить экспериментальную технику, которую мы использовали для характеристики NPN транзисторов на транзисторах PNP, есть несколько изменений, которые мы должны внести в наша тестовая схема:

1. Мы должны заменить NPN 2N2222 на PNP 2N2907 и перевернуть полярность , чтобы на эмиттере было более высокое напряжение, чем на коллекторе.
2. R1 должен быть подключен после R2 сейчас. В нашей тестовой схеме NPN R1 работа заключалась в том, чтобы поднять напряжение на стороне низкого напряжения транзистора, чтобы мы мог наблюдать режим отсечки, где V _base был ниже, чем В _{излучатель} . В этой испытательной схеме PNP будет наблюдаться режим отсечки. когда V _base выше, чем V _emitter , поэтому перемещение R1 будет вытаскиваем V _{эмиттер} из нашего +3.Источник 3 В.
3. R2 следует заменить на более низкое сопротивление, чтобы мы могли наблюдать режим насыщения. В тестовой схеме NPN задача R2 заключалась в том, чтобы тянуть V _{коллектор} внизу V _база , где V _база регулируется (частично) R3 . Режим насыщения в этом случае PNP требует что V _{эмиттер} будет на выше , чем V _base (опять же, частично на R3 ), поэтому R2 не должен быть больше R3 .

Применение этих трех изменений приводит к схеме, которая выглядит следующим образом:

Обратите внимание, что, поскольку эмиттер и коллектор физически перевернуты, мы должны позаботьтесь о том, чтобы не забыть, какой вывод транзистора мы измеряем нашим мультиметр!

Эта испытательная схема транзистора PNP демонстрирует следующие соотношения между коллектором V , базой V _{и эмиттером V :}

На первый взгляд, это может сильно отличаться от графика напряжения NPN-транзистора. из предыдущего раздела.Однако, если вы посмотрите на это вверх ногами, вы можете возможность увидеть, насколько похожи транзисторы PNP и NPN. Все одинаковые режимы присутствуют, как и напряжение включения:

Единственное отличие, как вам скажет любой учебник, состоит в том, что транзисторы PNP включены, когда базовое напряжение низкое.

Следующие шаги

Эти эксперименты поясняют, но их очень утомительно проводить. с механическим потенциометром и портативным мультиметром. Чтобы выполнить это своего рода характеристики более сложных схем, таких как логические вентили, мы нужен более эффективный способ изменения напряжения и проведения измерений.К этому конец, я написал на странице о том, как использовать цифровой потенциометр (дигипот) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вместе с Raspberry Pi для автоматизации этих эксперименты.

Конфигурация транзистора с общим коллектором [подробное объяснение] — pnpntransistor

Здесь мы освещаем темы — общая коллекторная конфигурация транзистора — схемы, характеристики, применение, недостатки, почему это называется схемой эмиттер-повторитель?

Как мы видим в предыдущей статье, существует три основных типа подключения транзисторов.Подключение общего эмиттера, подключение к общей базе и общий коллектор. Схема усилителя может быть спроектирована с использованием любой из этих конфигураций, но каждая конфигурация имеет некоторые преимущества и применения.

Мы уже рассмотрели конфигурацию CE и CB в предыдущей статье, здесь мы берем подробную статью о конфигурации CC транзистора.

В этом типе конфигурации коллектор является общим выводом между другими выводами эмиттера и базы. Из-за этого он был назван транзистором с общим коллектором (CC).В нашей повседневной жизни в основном используются транзисторы с общим эмиттером, но в некоторых приложениях используется и этот тип транзисторов. В основном они используются для согласования импеданса из-за их высокого входного сопротивления.

В этом типе устройства вход применяется между базой и коллектором, а выход — между выводами эмиттера и коллектора. Здесь можно отметить, что клемма коллектора со стороны входа и выхода является общей клеммой. На рисунке ниже показана схема общего коллектора транзистора.На рисунке 1 показано CC-соединение PNP-транзистора, а на рисунке 2 показано CC-соединение NPN-транзистора.

По общему коллектору находим коэффициент усиления по току.

Коэффициент усиления тока (γ):

Коэффициент усиления тока — это отношение изменения выходного тока к изменению входного тока. Здесь для схемы с общим коллектором входной ток — это базовый ток (IB), а выходной ток — это ток эмиттера (Ie). Итак, для подключения CC,

Коэффициент усиления тока — это отношение изменения тока эмиттера (Ie) к изменению тока базы (Ib).

Коэффициент усиления тока (γ) = ΔIe / ΔIb

Эта схема обеспечивает такое же усиление по току, что и схема с общим эмиттером.

Выражение для тока коллектора:

мы знаем,

Входные характеристики:

Входные характеристики цепи общего коллектора — это кривая между входным током (здесь ток базы = Ib) и входным напряжением (здесь напряжение база-коллектор = Vcb) при постоянном напряжении эмиттер-коллектор (Vec). Здесь базовый ток Ib показан по оси Y.Базовое напряжение Vcb показано по оси X. Ниже вы можете увидеть входные характеристики CC.

Сначала мы берем показания тока базы (Ib) и напряжения база-коллектор (Vbc) при постоянном Vec = 3 В. После этого мы берем Vec = 5 В и считываем показания, как и в предыдущем чтении.

Выходные характеристики:

Выходные характеристики — это кривая между выходным током (здесь ток эмиттера Ie) и выходным напряжением (напряжение эмиттер-коллектор Vec) при постоянном базовом токе Ib.Здесь по оси Y показан ток эмиттера Ie. Напряжение эмиттер-коллектор показано на оси X. Для определения выходных характеристик мы поддерживали постоянный базовый ток Ib и снимали показания. Принимая постоянное значение Ib, мы увеличиваем Vec и записываем ток эмиттера (Ie).

Вы можете увидеть выходные характеристики на рисунке выше. Здесь сначала мы снимаем показания Ie и Vec при постоянном базовом токе Ib = 0 мкА. После этого мы повторяем этот процесс для более высоких различных значений постоянного базового напряжения (Ib = 20 мкА, 40 мкА, 60 мкА, 80 мкА, 100 мкА).

В схеме общего коллектора, если входной ток равен нулю, то выходной ток также равен нулю. Так что в цепи транзистора нет протекания тока. Эту область мы можем назвать областью отсечки, где Ib = 0, так что Ic также равен нулю. Когда ток базы Ib увеличивается, ток коллектора Ic также увеличивается. Это можно сказать, что транзистор теперь попадает в активную область. Когда базовый ток увеличивается до предельного значения, ток коллектора также увеличивается до последнего значения. Эту область мы можем назвать областью насыщения.

почему общий коллектор не используется как усилитель?

Схема с общим коллектором имеет очень высокое входное сопротивление и очень низкое выходное сопротивление, поэтому коэффициент усиления по напряжению, обеспечиваемый схемами этого типа, меньше 1. Из-за этого схема этого типа не очень подходит для усиления. В большинстве случаев схемы с общим эмиттером используются для схем усиления, поскольку они обеспечивают высокий коэффициент усиления по напряжению, а также высокий коэффициент усиления по току. Соединение CC обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, но я думаю, что этого недостаточно для использования CC в схеме усиления.CC не может обеспечить высокий коэффициент усиления по току для усилительных схем. По этой причине мы в основном не используем обычный коллектор. Мы также назвали это недостатком усилителя с обычным коллектором.

Где используется схема общего коллектора?

• Как известно, общий коллектор имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. По этой причине этот тип цепей особенно используется для согласования импеданса, то есть для управления нагрузкой с низким импедансом от источника с высоким импедансом.Схема с общим коллектором обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, но эта схема не может обеспечить высокий коэффициент усиления по току.
• В некоторых приложениях он используется в качестве переключающей цепи.
• Высокий коэффициент усиления по току в сочетании с почти единичным коэффициентом усиления по напряжению делает эту схему отличным буфером напряжения.
• Цепи этого типа также используются для изоляции цепей.

Почему схему с общим коллектором еще называют эмиттерным повторителем?

В общей схеме коллектора, как мы знаем, входной терминал является базой, а выходной терминал — эмиттером.В этом случае выходное значение всегда соответствует входному напряжению питания. Значение эмиттера всегда почти равно базовому значению входной мощности. Следовательно, здесь эмиттер следует за базовым напряжением, поэтому он также называется схемой эмиттерного повторителя. В схемах этого типа напряжение база-эмиттер является постоянным, и значение этого напряжения составляет 0,7 В. Таким образом, можно сделать вывод, что напряжение эмиттера всегда почти равно напряжению базы, поэтому оно называется эмиттерным повторителем.

Вывод:

В этой конфигурации входным током является базовый ток ib, а выходным током — ток эмиттера Ic.В этом типе конфигурации выходной ток такой же, как входной. Означает, что ток эмиттера такой же, как ток базы, по этой причине эта конфигурация также называется схемой эмиттерного повторителя.

Схема с общим эмиттером имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление, благодаря этим характеристикам эта схема в основном используется в приложениях для согласования импеданса. Эта конфигурация может обеспечить высокий коэффициент усиления по напряжению, но не может обеспечить усиление по току. По этой причине в большинстве приложений будет использоваться обычная конфигурация эмиттера.

Продолжить чтение

Транзисторы

— Что такое «тянуть коллектор под землю» и насыщение

Я знаю, что объяснение, которое вас сбивает с толку, взято из главы «Биполярные транзисторы» из книги Горовица и Хилла «Искусство электроники». Я тоже был очень сбит с толку, когда впервые прочитал это объяснение; но с тех пор я узнал больше о схемах и электронике из других ресурсов, и я думаю, что теперь могу развеять ваши сомнения.

Шаг 1 : Перерисуем схему, но для простоты не будем записывать никаких значений.Поверьте, вы поймете схему лучше, если ненадолго забудете о значениях:

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Шаг 2 : Теперь отметим напряжения, которые нас интересуют, в этой схеме. На самом деле нас интересуют только три напряжения: напряжение питания относительно земли (10 вольт), напряжение коллектора относительно земли (Vc) и напряжение на лампе (V [lamp]).Кроме того, поскольку эмиттер подключен к земле, по соглашению мы принимаем его напряжение равным 0 вольт.

^{смоделировать эту схему}

Важное наблюдение:

В [лампа] = 10 — В постоянного тока

То есть напряжение на лампе всегда равно напряжению питания минус напряжение коллектора.

Шаг 3 : Я знаю, что искусство электроники много говорит о токах коллектора (Ic), базовых токах (Ib) и коэффициенте усиления по току (β).Однако я считаю, что в этом нет необходимости, если говорить о такой простой вещи, как транзисторный переключатель! Не поймите меня неправильно, я люблю искусство электроники; у него много интуитивных и проницательных объяснений; однако это конкретное объяснение, на мой взгляд, излишне сложно. Вот модель попроще:

^{смоделировать эту схему}

• Когда переключатель разомкнут, тогда мы можем доказать, что напряжение коллектора (Vc) будет повышено с до до напряжения питания 10 В.«Вытянутый вверх» — это просто причудливый способ сказать, что напряжение коллектора «увеличено» до высокого напряжения 10 В.
• Когда переключатель замкнут, мы можем доказать, что напряжение коллектора (Vc) будет на понижено на до нулевого напряжения земли. «Вытянутый вниз» — это просто причудливый способ сказать, что напряжение коллектора «уменьшено». «на низкое напряжение 0.

На самом деле, вы часто слышите термины «подтягивающий» и «опускающий» в электронике, особенно когда вы имеете дело с цифровой электроникой, когда устройство либо включено, либо выключено; высокий или низкий; вверх или вниз; 1 или 0.

Итак, что значит «тащить коллектор под землю»?

Это одно из сомнений, которое я тоже испытывал, когда читал «Искусство электроники». Давайте разбираться в этом понемногу:

• В любой цепи «земля» всегда имеет потенциал / напряжение 0 вольт; это просто соглашение, упрощающее анализ схем.
• Таким образом, когда мы говорим, что напряжение «ниже земли», это просто означает, что оно имеет значение ниже 0 вольт; т.е. имеет отрицательное напряжение.(Не путайте напряжение под землей с напряжением под землей!)

Таким образом, в «Искусстве электроники», когда авторы говорили: «Чтобы получить более высокий ток, вам придется опустить коллектор под землю», это переводится как «Чтобы получить более высокий ток, вам нужно взять напряжение коллектора (Vc ) ниже напряжения заземления (0) ».

^{смоделировать эту схему}

На самом деле, невозможно даже подтянуть напряжение коллектора (Vc) к нулю / земле, не говоря уже о ниже нуля / земле! Авторы очень правильно отмечают, что максимум, что можно сделать, — это подтянуть напряжение коллектора до 0.2В . Это напряжение известно как напряжение насыщения биполярного транзистора, а для типичного транзистора оно составляет от 0,05 В до 0,2 В (что довольно близко к 0, не так ли?)

Но это не важно. Как только вы увеличите напряжение коллектора (Vc) до 0,2 В, тогда напряжение на лампе будет просто 10 — 0,2 = 9,8 В. И послушайте, я знаю, что лампа рассчитана на 10 В; но не волнуйтесь, если лампа рассчитана на 10 В, она будет нормально работать и с 9,8 В (лампы не очень привередливы).

.