Схемы включения транзистора: СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Схемы включения транзистора. » Хабстаб

При любом включении транзистора в схему, через один из его выводов, будет течь входной и выходной ток, этот вывод называют общим.

Существуют три схемы включения биполярного транзистора:

• с общим эмиттером;
  
• с общим коллектором;
  
• с общей базой;
  

Начнём со схемы, с общим эмиттером.

• входной сигнал подаётся на базу;
  
• выходной сигнал снимается с коллектора;
  

Схема с общим эмиттером обладает следующими свойствами:

• большим коэффициентом усиления по току;
  
• большим коэффициентом усиления по напряжению;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

Во всех осциллограммах в статье первый канал — входной сигнал, второй канал — выходной сигнал. Входной сигнал берется после разделительного конденсатора, иначе конденсатор вносит сдвиг фазы.
На осциллограмме видно, что амплитуда выходного сигнала в несколько раз превышает амплитуду входного, при этом сигнал на выходе инвертирован относительно входного сигнала, это значит, что когда сигнал входе возрастает на выходе он убывает и наоборот. На схеме пунктирной линией изображен конденсатор, его можно подключить если надо увеличить коэффициент усиления. Давайте подключим его.

Видим, что выходной сигнал увеличился примерно на порядок, то есть в 10 раз. Такая схема включения транзистора применяется, в усилителях мощности.
При включении конденсатора входное сопротивление схемы уменьшилось, что привело к искажениям сигнала генератора, а следовательно и выходного сигнала.

Схема с общим коллектором.

• входной сигнал подаётся на базу;
  
• выходной сигнал снимается с эмиттера;
  

Схема с общим коллектором обладает следующими свойствами:

• большим коэффициент усиления по току;
  
•  напряжения входного и выходного сигнала отличаются примерно на 0,6 V;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

На осциллограмме видно, что амплитуды сигналов равны потому, что осциллограф отображает только переменную составляющую, если включить осциллограф на отображение постоянной составляющей, то разница между сигналом на входе и выходе составит 0,6 V. Схема сигнал не инвертирует и применяется в качестве буфера или для согласования каскадов.
Под буфером в электронике понимается схема, которая увеличивает нагрузочную способность сигнала, то есть сигнал остается такой же формы, но способен выдать больший ток.

Схема с общей базой.

• входной сигнал подаётся на эмиттер;
  
• выходной сигнал снимается с коллектора;
  

Схема с общей базой обладает следующими свойствами:

•  большим коэффициентом усиления по напряжению;
  
•  близким к нулю усилением по току, ток эмиттера больше тока коллектора на ток базы;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

На осциллограмме видно, что амплитуда выходного сигнала примерно в десять раз превышает амплитуду входного сигнала, также сигнал на выходе не инвертирован относительно входного сигнала. Применяется такая схема включения транзистора в радиочастотных усилителях. Каскад с общей базой обладает низким входным сопротивлением, поэтому сигнал генератора искажается, следовательно и выходной сигнал тоже.
Возникает вопрос, почему не использовать для усиления радиочастот схему с общим эмиттером ведь она увеличивает амплитуду сигнала? Все дело в ёмкости перехода база-коллектор, её ещё называют ёмкостью Миллера. Для радиочастот эта ёмкость обладает малым сопротивлением, таким образом, сигнал вместо того, чтобы течь через переход база-эмиттер проходит через эту ёмкость и через открытый транзистор стекает на землю. Как это происходит показано на рисунке ниже.

Пожалуй, это всё, что хотелось рассказать про схемы включения транзистора.  

Схемы включения транзисторов

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора
(рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (U_эб) и коллекторе (U_кб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔU_кв > ΔU_зв), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_k ≈ ΔI_з) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (U_бэ) и коллекторе (U_кэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

I_б = I_э – I_к << I_к (I_k ≈ I_э),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б) и напряжения (ΔU_кэ > ΔU_эб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (U_бэ) и эмиттере (U_кэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_б << I_э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входной называется характеристика

I₁ = f(U₁) при U₂ = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходной называется характеристика

I₂ = f(U₂) при I₁ = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I₂ = f(I₁) или I₂ = f(U₁) при U₂ = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U

1 = f(U₂) при I₁ = const

называются характеристиками обратной передачи.

В справочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и OБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ(рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

I_Э = f(U_эб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (U_кб).

При U_кб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения U_кб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U

ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_кб < 0 и U_эб = 0 существует небольшой ток эмиттера I_эо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

I_к = f(U_кб)

при заданных значениях параметра I_э (рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при I_э = 0 и обратном напряжении (U_кб< 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом I_к = I_кбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – база».

При I_э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже при

U_кб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток I_э, тем большее прямое напряжение U_кб требуется для получения I_к = 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где U_кб < 0 (обратное) и параметр
I_э > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение U_эб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

I_к = αI_э + I_кбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I

э.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_кб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_к = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_кб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ(рис. 4.5, а) представляет собой зависимости I_б = f(U_бэ), напряжение U_кэ является параметром. Напряжение U_бэ >0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этом U_кэ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

U_кб = U_эб > 0.

Поэтому входная характеристика при U_кэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_эб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_кб = U_эб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристики p-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а)относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_кэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (U_кэ < 0) и по модулю превышать напряжение U_бэ

В этом случае

U_кб = U_кэ – U_бэ < 0.

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

I_б = (1 – α) I_э – I_кбо.

Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток I_кбо

При малом напряжении U_бэ инжекция носителей практически отсутствует (I_э = 0) и ток базы равен: I_б = -I_кбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост I_э и величины (1 – α) I_э. Когда

(1 – α) I_э = I_кбо,

ток базы равен нулю:

I_б = 0.

При дальнейшем росте напряжения U_бэ величина

(1 – α) I

э> I_кбо

и ток базы (I_б) меняет направление, становится положительным (I_б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_кэ на I_б в НAP можно объяснить тем, что рост U_кэ означает рост |U_кб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭпредставляет собой зависимости I_к = f(U_кэ) при заданном параметре I_б (см. рис 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от режима насыщения к активному, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_кэ|, превышающих |U_бэ|. Для увеличения I_б

необходимо увеличивать |U_бэ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_б = 0 («обрыв» базы), то

I_к = I_кэо = (β + 1) I_кбо.

В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I_к = I_кбо, если задать отрицательный ток (I_б = -I_кбо)_. Выходная характеристика с параметром I_б = -I_кбо может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой (h_22э ~ βh_22б) Объясняется это тем, что при увеличении напряжения U_кзколлекторный переход расширяется, зона базы, в которой происходит рекомбинация, падает, коэффициенты α и β увеличиваются.

Увеличение тока базы приводит к увеличению рекомбинации в базе, для ее осуществления должен усилиться приток носителей из эмиттера. Но большая часть эмиттерного тока не участвует в рекомбинации, а идет в коллекторный переход, поэтому при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, характеристики смещаются вверх.

H-параметры транзистора

Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.

В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i₁) и выходное напряжение (u₂), а зависимыми являются: входное напряжение (u₁) и выходной ток (i₂). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:

.

Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:

(4.1)

Тогда физический смысл h-параметров определяется как:

–	входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–	коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
–	коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–	выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

H-параметры измеряются в различных единицах: h₁₁ измеряется в Омах, h₂₂ – в Сименсах, h₂₁ и h₁₂ – безразмерны. Так как физические единицы параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной. В схеме замещения транзистора на основе h-параметров (рис. 4.8) генератор ЭДС h₁₂u₂ учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u₂, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h₂₁i₁ учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h—параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов

 

Применительно к схеме включения с ОЭ вместо обозначения h_21э широко используется обозначение b, а в схеме с ОБ – вместо обозначения h_21б обозначение a. Так как в в схеме с ОБ направление тока i_к противоположно базовому направлению тока i₂ исходного четырехполюсника, то h_21б < 0.

H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает процесс измерения и повышает его точность. При практических расчетах значения этих параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ. Так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, система уравнений (4.1) может быть представлена в виде:

DU₁ = h₁₁DI₁ + h₁₂DU₂;

DI₂ = h₂₁DI₁ + h₂₂DU₂.

На рис. 4.9 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 4.10 – по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки транзистора) – значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения.

Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.

---

Биполярный транзистор. Схемы включения. Мгту «мами» — кафедра «автоматика и процессы управления

Транзистор, в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (а).

IК = f(UКБ) при IЭ = const (б).

Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ; 2 – слабая зависимость Iк от UКБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Входной характеристикой является зависимость:

IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (б).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКЭ) при IБ = const (а).

Режим работы биполярного транзистора

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы — усиление, генерация.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент – транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют выходную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Другие элементы схемы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Ек.

Резистор RБ, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора при отсутствии входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя IБ = Ек/RБ. С помощью резистора Rк создается выходное напряжение. Rк выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Ек = Uкэ + IкRк,

сумма падения напряжения на резисторе Rк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания Ек.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

5)Что такое полевой транзистор? Какие виды бывают?

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором ре-

гулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего

канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполяр-

ного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и

затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и ис-

током. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость кана-

ла, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно

рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Ес-

ли амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротив-

ление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае поле-

вой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

С управляющим p–n-переходом;

С металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком.

Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл –

диэлектрик – полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является

двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-

транзисторы (металл – окисел – полупроводник). В современных МОП-

транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический

кремний. Однако название МОП-транзистор используют и для таких приборов.

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной

или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор

называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную про-

водимость, называют p-канальными. В МОП- транзисторах канал может быть

обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой

транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых прибо-

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электро-

нике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полно-

стью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими при-229

чинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивле-

ние и обеспечивают малое потребление энергии. Во-вторых, МОП-транзисторы

занимают на кристалле интегральной схемы значительно меньшую площадь,

чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП-

интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии производства

интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций,

чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.

6)Что такое стабилитрон? Объясните принцип его работы. Нарисуйте его вольт-амперные характеристики.

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольтамперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения.

Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р-n -перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т. е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.

Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р-n -перехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р-n -перехода пробой носит лавинный характер.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 6.1 Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.

Рис. 6.1. Конструкция корпуса (а), вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение стабилитрона

Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН)

.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН. (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Температурная зависимость вольт-амперной характеристика стабилитрона

Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов последовательно в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. Как известно, у обычных диодов в прямом направлении падение напряжения на р-n -переходе при нагревании уменьшается. И если последовательно со стабилитроном (рис. 6.3) включить диодов в прямом направлении, где , (– изменение прямого падения напряжения на диоде при нагревании отдо), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона.

Рис. 6.3. Термокомпенсация стабилитрона

Основные параметры стабилитронов:

Предельные параметры стабилитронов:

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от , а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем R бэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R э . Теперь, конечно же, главный вопрос: «Зачем они нужны в схеме?»

Начнем, пожалуй, с R э .

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->R к ——> коллектор—> эмиттер—>R э —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как I э = I к + I б ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

R кэ — это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения , где

Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе R э .

А чему равняется падение напряжения на R э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R э . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы R б и R бэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения . Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к R э.

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R э .

б) падение напряжения на резисторе R э — это и есть напряжение на эмиттере U э . Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U э стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение U б , образованное делителем из резисторов R б и R бэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U бэ = U б — U э . Следовательно, U бэ станет меньше, так как U э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз U бэ уменьшилось, значит и сила тока I б , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.

е) Выводим из формулы ниже I к

I к =β х I б

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток;-) Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R э . Забегая вперед, скажу, что О трицательная О братная С вязь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада

1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

P рас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на U кэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

U кэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

I к = P рас / U кэ = 120×10 -3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах R к и R э . То есть получаем:

R к + R э = (Uпит / 2) / I к = 6 / 20х10 -3 = 300 Ом.

R к + R э = 300 , а R к =10R э, так как K U = R к / R э , а мы взяли K U =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10R э + R э = 300

11R э = 300

R э = 300 / 11 = 27 Ом

R к = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы I базы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Значит,

I б = I к / β = 20х10 -3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения I дел , образованный резисторами R б и R бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I б :

I дел = 10I б = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

U э = I к R э = 20х10 -3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

U б = U бэ + U э

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U бэ = 0,66 Вольт . Как вы помните — это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, U б =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта . Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на R б называется U 1 , а падение напряжения на R бэ будет U 2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

R б = U 1 / I дел = 10,8 / 1,4х10 -3 = 7,7 КилоОм . Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

R бэ = U 2 / I дел = 1,2 / 1,4х10 -3 = 860 Ом . Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма — это входной сигнал, желтая осциллограмма — это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты :

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых , эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI .

Во-вторых , ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: Добавить метки

Введение

Современную жизнь трудно представить без хорошо развитой электроники.

Но современная аппаратура обеспечивается совокупностью электротехнических и электронных устройств различной сложности, состоящих из элементов, к которым приложены электрические напряжения или протекают электрические токи. Сколь угодно сложные электронные устройства, в конечном счете, состоят из разнообразных электронных приборов, обладающих вполне определенными свойствами. Таким образом, чтобы разрабатывать, изготавливать или эксплуатировать различную аппаратуру, следует, прежде всего, знать процессы, происходящие в электронных приборах при различных условиях, а также законы, которым подчиняются эти процессы, т.е. освоить основы электроники.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°. Усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Режимы работы биполярного транзистора

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы бывают биполярные и полевые.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n или p-n-p, которые называют соответственно эмиттером, базой и коллектором.

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) U ЭБ >0;U КБ

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор.

В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором.

Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

Схемы включения

Схема включения с общим эмиттером

U вых = U кэ

· Коэффициент усиления по току:

I вых /I вх =I к /I б =I к /(I э -I к) = α/(1-α) = β [β>>1]

· Входное сопротивление:

R вх =U вх /I вх =U бэ /I б

Достоинства:

· Большой коэффициент усиления по току

· Большой коэффициент усиления по напряжению

· Наибольшее усиление мощности

· Можно обойтись одним источником питания

· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей — электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками — основными носителями. Образуется базовый ток I б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I э = I б + I к.

Параметры транзисторов

1. Коэффициенты усиления по напряжению U эк /U бэ и току: β = I к /I б (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
2. Входное сопротивление.
3. Частотная характеристика — работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R L , который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С 1 , а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R L , а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С 1 , препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R 1 , через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R L вместе равны величине ЭДС: V CC = I C R L + V CE .

Таким образом, небольшим сигналом V in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения V БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V CC , а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I C = (V CC — V CE)/R C . Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I C и напряжение V CE , будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I В.

Зона между осью V CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I C и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

Схемы включения биполярных транзисторов.

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

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярных транзисторов и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора, в первую очередь, и используется. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера I_э, на выходе I_к.

I_э = I_к + I_б

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению. Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем…

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает? 🙂 Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту U_{бэ}. Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает U_{бэ}, что приводит к росту тока эмиттера. А рост I_э приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания U_{ос}) – уменьшилось напряжение U_{бэ}.

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала. В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо… Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу 🙂 Если резисторы R_1 и R_2 равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора.

Чем бы еще улучшить нашу схему… Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот! Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 🙂 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи!

Схемы включения транзистора как усилителя электрических сигналов

Одна из основных областей применения биполярного транзистора — усиление электрических сигналов. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, подают на два каких-либо электрода, и с двух электродов схемы снимают усиленный сигнал. В усилительных схемах биполярные транзисторы работают в активном режиме, напряжения на их выводах содержат постоянную и переменную составляющие.

Схема включения транзистора с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой как усилителя сигналов приведена на рис. 6.15. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь эмиттера, сопротивление нагрузки R_н – в цепь коллектора.

Рис. 6.15. Схема включения транзистора с общей базой

как усилителя сигналов

Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения транзистора с общим эмиттером как усилителя сигналов приведена на рис. 6.16. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки R_н – в цепь коллектора.

Рис. 6.16. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения транзистnора с общим коллектором

Схема включения транзистора с общим коллектором как усилителя сигналов приведена на рис. 6.17. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки R_н – в цепь эмиттера.

Рис. 6.17. Схема включения транзистора с общим коллектором

Используя статические характеристики транзистора, можно определить важные параметры основных схем включения транзистора.

Свойства схем усиления на транзисторах определяются коэффициентами усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_P и значением сопротивлений входной R_вх и выходной R_вых цепей.

Эти параметры могут быть определены экспериментально и рассчитаны по характеристикам с помощью следующих выражений:

(6.10) (6.13)

(6.11) (6.14)

; (6.12)

Значения параметров можно представить в виде таблицы (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Параметры основных схем включения транзисторов

Параметры	Схема с общей базой	Схема с общим эмиттером	Схема с общим коллектором
Rвх	Единицы – десятки Ом	Сотни Ом – единицы кОм	Десятки – сотни кОм
Rвых	Сотни кОм –единицы МОм	Единицы – десятки кОм	Сотни Ом – единицы кОм
kI	Немного меньше 1 ( = 0,92-0,999)	Десятки – сотни ( = 10-1000)	Десятки – сотни
kU	Десятки – сотни	Десятки – сотни	Немного меньше 1
kP	Десятки – сотни	Десятки – сотни тысяч	Десятки – сотни

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

 

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в \(n\)-\(p\)-\(n\)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).

 

Рис. 1.3. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Основные схемы включения транзисторов

Подробности

Категория: Общая электроника и электротехника

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд выходного или входного переменного токов, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току получается порядка десятков.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером характеризует один из главных его параметров – статический коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – эмиттер».

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитуд выходного и входного переменных напряжений. Входным является напряжение «база – эмиттер», а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки или между коллектором и эмиттером.

Схема с общей базой дает значительно меньшее усиление мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с общим эмиттером, все же ее применяют довольно часто, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по току каскада с общей базой всегда несколько меньше единицы. Это вытекает из того, что ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Важнейшим параметром транзисторов является статический коэффициент усиления по току для схемы с общей базой. Он определяется для режима без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – база».

Для схемы с общей базой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Схема с общим коллектором. В ней действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться коротким замыканием. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. имеется очень сильная отрицательная обратная связь. Входное напряжение равно сумме переменного напряжения «база – эмиттер» и выходного напряжения.

Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером, т. е. имеет величину порядка десятков. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее.

Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему по величине. То есть выходное напряжение повторяет входное.

Примеры того, как транзистор действует как переключатель

Транзисторы состоят из полупроводникового материала, который чаще всего используется для усиления или переключения, хотя их также можно использовать для управления потоком напряжения и тока. Не все, но большинство электронных устройств содержат один или несколько типов транзисторов. Некоторые из транзисторов размещаются индивидуально или обычно в интегральных схемах, которые различаются в зависимости от их применения.

Если мы говорим об усилении, электронная циркуляция тока может быть изменена добавлением электронов, и этот процесс приводит к изменениям напряжения, которые пропорционально влияют на многие изменения выходного тока, вызывая усиление.

А, если говорить о коммутации, то есть два типа транзисторов NPN и PNP. В этом руководстве мы покажем вам, как использовать транзисторы NPN и PNP для переключения, на примере схемы переключения транзисторов для транзисторов типов NPN и PNP.

Необходимые материалы

• BC547-NPN Транзистор
• BC557-PNP Транзистор
• LDR
• светодиод
• Резистор (470 Ом, 1 МОм)
• Аккумулятор-9В
• Соединительные провода
• Макет

Цепь переключения транзистора NPN

Перед тем, как приступить к принципиальной схеме, вы должны знать концепцию транзистора NPN как переключателя .В транзисторе NPN ток начинает течь от коллектора к эмиттеру только тогда, когда на клемму базы подается минимальное напряжение 0,7 В. Когда на клемме базы нет напряжения, она работает как разомкнутый переключатель между коллектором и эмиттером.

Схема переключения транзисторов

NPN

Теперь, как вы видите на схеме ниже, мы сделали схему делителя напряжения, используя LDR и резистор 1 МОм. Когда рядом с LDR горит свет, его сопротивление становится НИЗКИМ, а входное напряжение на клемме базы ниже 0.7В, чего недостаточно для включения транзистора. В это время транзистор ведет себя как разомкнутый переключатель.

Когда над LDR темно, его сопротивление внезапно увеличивается, следовательно, схема делителя генерирует достаточно напряжения (равное или более 0,7 В) для включения транзистора. И, следовательно, транзистор ведет себя как замыкающий переключатель и начинает пропускать ток между коллектором и эмиттером.

Цепь переключения транзистора PNP

Концепция транзистора PNP в качестве переключателя заключается в том, что ток прекращает течь от коллектора к эмиттеру только при минимальном напряжении 0.На клемму базы подается 7В. Когда на клемме базы нет напряжения, она работает как переключатель между коллектором и эмиттером. Просто коллектор и эмиттер соединены изначально, когда подано базовое напряжение, соединение между коллектором и эмиттером разрывается.

Схема переключения транзисторов

PNP

Как вы видите на принципиальной схеме, мы сделали схему делителя напряжения, используя LDR и резистор 1 МОм.Работа этой схемы прямо противоположна переключению транзистора NPN.

Когда рядом с LDR горит свет, его сопротивление становится НИЗКОМ, а входное напряжение на клемме базы выше 0,7 В, чего достаточно для включения транзистора. В это время транзистор ведет себя как открытый переключатель, поскольку это транзистор PNP.

Когда над LDR темно, его сопротивление внезапно увеличивается, следовательно, напряжения недостаточно для включения транзистора. И, следовательно, транзистор ведет себя как замыкающий переключатель и начинает пропускать ток между коллектором и эмиттером.

Схема коммутации транзисторов

и ее теория

Резюме

Схема переключения транзисторов (работающая в состоянии насыщения) является обычным явлением в современных приложениях для проектирования схем. Классические 74LS, 74ALS и другие интегральные схемы используют схемы переключения транзисторов внутри, но они имеют только общие возможности управления. Схема переключения транзисторов делится на две категории: одна — это классическая схема переключения транзисторов TTL, а другая — схема переключения MOS-трубки.Эта статья покажет вам знания о схеме переключения транзисторов, включая схему переключения транзисторов TTL; Схема управления зуммером — зуммер пассивный; и т.д ..

Проектирование схем переключения транзисторов

Каталог

I Схема переключения транзисторов

Схема переключения транзисторов TTL в зависимости от управляющей способности делится на схему переключения малого сигнала и схему переключения мощности.В соответствии со стилем подключения транзистора делится на эмиттер заземления (эмиттер транзистора PNP, подключенный к источнику питания) и стрелок следуют схеме переключателя.

1.1 Цепь выключателя заземления эмиттера

Базовая схема, приведенная выше, немного дальше от реальной проектной схемы: есть переход от включенного к выключенному из-за накопления базового заряда транзистора (когда транзистор выключен, высвобождение базового заряда замедляется из-за наличие R1, поэтому Ic не будет сразу обращается в ноль).Другими словами, схема заземлителя эмиттера имеет время отключения. Его нельзя напрямую применять к высокочастотному переключателю.

Пояснение: Когда транзистор внезапно включается (внезапный скачок сигнала IN), C1 на мгновение вызывает короткое замыкание, которое быстро обеспечивает транзистор током базы, тем самым ускоряя проводимость транзистора. Когда транзистор внезапно выключается (внезапно срабатывает сигнал IN), C1 мгновенно включается, обеспечивая путь с низким импедансом для разряда базового заряда, тем самым ускоряя транзистор.Значение C обычно составляет от десятков до сотен скин-метода. R2 в схеме должен гарантировать, что транзистор остается в выключенном состоянии, когда нет входа IN с высоким уровнем. R4 должен гарантировать, что транзистор остается выключенным, когда нет входа IN с низким уровнем. R1 и R3 используются для ограничения тока базы.

Пояснение: Поскольку TVS-диод Vf на 0,2–0,4 В меньше Vbe, большая часть тока базы протекает через диод, а затем через транзистор и в последнюю очередь на землю, когда транзистор включен, так что ток течет к базе транзистора мала, накапливается меньше заряда.Когда транзистор выключен (внезапно подскакивает сигнал IN), разряженного заряда становится меньше, действие выключения естественно ускоряется.

В реальной конструкции схемы мы должны учитывать транзисторы Vceo, Vcbo, чтобы соответствовать давлению, и транзистор, чтобы соответствовать потребляемой мощности коллектора. Используя ток нагрузки и hfe (чтобы вычислить минимальное значение hfe транзистора), вычислите сопротивление базы (ток базы должен оставаться в 0,5–1 раз больше запаса). Обратите внимание, что специальный диод выдерживает обратное напряжение.

1.2 Схема переключателя эмиттерного повторителя

Эмиттерный повторитель также называется эмиттерным повторителем, который представляет собой типичный усилитель с отрицательной обратной связью. Судя по способу подключения транзистора, это фактически обычный коллекторный усилитель. Сигнал вводится с базы и выводится эмиттером. Резистор Re, подключенный к эмиттеру транзистора, играет важную роль в схеме. Это похоже на зеркало, отражающее следующие характеристики выхода и входа.

Входное напряжение usr = ube + usc. Обычно Usc> Ube, игнорируя Ube, затем usr≈usc. Очевидно, это означает, что коэффициент усиления напряжения ограничителя излучения примерно равен 1, то есть амплитуда входного напряжения примерно равна амплитуде выходного напряжения. Когда Usr увеличивается, увеличивается как ib, так и ie, а также увеличивается напряжение эмиттера ue (usc). И наоборот, когда Usr уменьшается, Usc также уменьшается. Это показывает, что выходное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением именно потому, что не только выходное напряжение равно входному напряжению, но и фаза.Выходное напряжение близко соответствует входному напряжению и изменяется. Мы называем эту схему со следующими характеристиками «повторителем ограничения излучения».

Эмиттерный повторитель может получать большой выходной ток при небольшом входном токе (т.е. = (1 + β) ib). Следовательно, он имеет функции усиления тока и усиления мощности. Следует различать то, что обычная многокаскадная схема усилителя с общим эмиттером не усиливает ток, а усиливает напряжение, что является противоположностью эмиссии.В схеме ТВ телевизионное видеоизображение выводится схемой эмиттера, чтобы гарантировать, что выходное изображение изменяется вместе с входным. Следует отметить, что общая амплитуда должна достигать примерно 1,2 В, а RB и RE необходимо регулировать. Соотношение регулирует амплитуду выходного сигнала переменного тока.

II Цепь управления зуммером — Пассивный зуммер

Когда BUZZ находится на высоком напряжении, транзистор T1 (транзистор N-типа) включается, звучит зуммер. Роль R5 используется для текущего ограничения.

Следующая схема добавляет конденсатор C18 и обратный диод D2 для фильтрации и блокировки обратного направления. Напряжение обратного пробоя диода очень высокое. Напряжение триггера на маломощных триодах очень низкое — 0,7 В. Ток тоже очень маленький, обычно меньше 1UA.

III IO Control Power Switch включен — используйте транзистор и трубку MOS

MOS: Одна из трубок полевого МОП-транзистора, которая может быть преобразована в усиленный или обедненный, P-канальный или N-канальный типы.Но на практике это только усовершенствованная лампа MOS с N-каналом и MOS-лампа с P-каналом, то есть NMOS и PMOS.

Для этих двух усиленных МОП-трубок обычно используются NMOS, характеризующиеся низким сопротивлением при открытии. Обычно применяется для цепных блоков питания и с моторным приводом.

Условия проведения:

NMOS включается, когда Vgs больше определенного значения. PMOS включается, когда Vgs меньше определенного значения.

Потеря переключения:

Независимо от того, является ли это NMOS или PMOS, после проводимости возникает сопротивление в открытом состоянии, что приводит к неизбежным потерям.А теперь сопротивление открытого МОП-транзистора обычно составляет десятки миллиомов.

МОП-трубка AO3401: полевой транзистор

в режиме расширения с P-каналом

Условия проводимости: обычно не превышайте -12В, может быть для AO3401. Ниже приведено полное сопротивление для различных перепадов давления:

.

Ниже приводится схема управления переключателем в инженерных приложениях.

3.1 Через контакт ввода-вывода для управления питанием

3.2 Две МОП-трубки 3401

Ниже представлены две МОП-трубки 3401 без добавления переключателя. Сразу после включения напряжение VDD равно входному напряжению. На этом этапе вы можете включить питание двумя способами. Если J5 не имеет входного напряжения, питание через шину VBUS, выходное напряжение 5 В через F1. Следующая схема может заменить R10 переключателем, Q201 всегда включен, падение напряжения на внутреннем диоде составляет около 0,5 В.

Примечание: направление двух транзисторов разное, слева Q200 — S, справа — D.Q201 слева — D, справа — s.

Когда J5 имеет напряжение, Q200 включается, Q201 также соответствует условию проводимости, напряжение составляет 0,1 В.

Примечание: правая сторона VBUS отключена.

Каталожный номер	J5 напряжение	R11	R9	VDD	VBUS
J5 и VBUS	5.09	0	0,46	5,07	4,6
Только VBUS	4,21	0	0,38	4,21	4.51
Только J5	5,09	0	0,46	5,09	4,75

3.3 Трубка регулятора напряжения и цепь регулятора напряжения трубки MOS

Описание:

VCC может поступать с левой стороны VDD5V_Control, также может поступать от источника питания Vpc_IN ПК PS2.VCC принимает тот, который имеет высокое напряжение.

Оригинальная схема:

Левый Vpc_IN питается от источника питания PS2, правый — от VCC.

Когда PS2 питается, а левый — 5 В, правый — около 4,5 В, он может соответствовать требованиям к напряжению машины, когда порт PS2 выключен, машина может работать должным образом.

Чтобы уменьшить падение напряжения PS2, я решил принять следующую схему:

Когда порт PS2 запитан, три лампы Q412 включены, поэтому Q411 включен, а VCC близок к Vpc_IN.В это время машина принимает напряжение порта PS2 (около 5 В). когда PS2 не подключен, ток не может течь от машины к порту PS2.

С использованием вышеуказанных параметров тестовая запись:

Напряжение на обоих концах регулятора напряжения	А (вход)	Б	К	D (выход)	E	B текущий
3.41	5,14	1,73	0,68	5,13	0	1.05MA
3,25	4,63	1,38	0.67	4,63	0	0,71MA
3,1	4,23	1,13	0,66	4,23	0	0.47 MA
2,9	3,8	0,9	0,64	3,8	0	0,26 MA
2,59	3,32	0.73	0,62	3,32	0	0,09 MA
2,34	2,9	0,56	0,5	2,35	2.25	0,05 MA
2,28	2,73	0,45	0,41	2,16	2,15	0,04 MA

Последние две строки показывают:

Падение напряжения внутреннего диода на МОП-диоде

составляет около 0.6В.

Ток утечки стабилитрона может сделать транзистор проводящим. PN-переход может быть включен около 0,6 В.

Выводы:

Входное напряжение на уровне 3,3В, транзистор включен, что говорит о том, что сопротивление R436 слишком велико, нужно уменьшить.

Ток утечки стабилитрона увеличивается с увеличением входного напряжения, но ток должен превышать 1 мА, когда напряжение на обоих концах достигает 3,9 В.

Чтобы обеспечить стабильное входное напряжение около 5 В, необходимо увеличить ток, уменьшить сопротивление, а когда входное напряжение ниже 4.7V необходимо выключить транзистор.

Напряжение на обоих концах регулятора напряжения	А (вход)	Б	К	D (выход)	E	B текущий
3.94	5,15	1,21	0,69	5,15	0	5.2MA
3,85	4,9	1,05	0.65	4,9	0	4MA
3,8	4,76	0,96	0,63	4,76	0	3.3 MA
3,77	4,65	0,88	0,59	4,65	0	2,9 MA
3,76	4,62	0.86	0,58	4,62	0	2,8 MA
3,72	4,48	0,76	0,51	4,03	3.70	2.5MA
3,64	4,25	0,61	0,41	3,67	3,67	2 MA

Последние две строки показывают:

Для соответствия входному напряжению PS2 в [4.6-5V], чтобы удовлетворить эффект регулятора. А затем большая клавиатура, подключенная к машине, когда машина выключена, клавиатура может работать должным образом. Когда электроинструмент работает, также может работать нормально.

Обнаружено проблем:

Проверка качества показывает, что терминал не может быть выключен. Было обнаружено, что когда терминал выключен, все еще остается напряжение на Vpc_In. VCC (4,84 В) проходит через Q411, что дает напряжение 4,8 В на уровне Vpc_In. А падение напряжения D405 равно 0.3 В или около того. Когда Vpc_IN внезапно отключается, источник питания VCC находится в момент отключения питания, транзистор включен, весь VCC вливается в клемму, транзистор всегда включен.

Диапазон напряжения блока питания PS2 определить непросто. То есть, когда напряжение на клеммах велико, схема имеет прямую проводимость. При этом напряжение Vpc_IN должно быть меньше определенного значения, чтобы транзистор Q412 не включился.

Например:

Характеристики

IRF530:, Общий VGS принимает 12-15 В, плавающий между плюс или минус 20 В

Схема выше неправильная.Vgs слишком мал.

Для одночипового ШИМ-привода высоковольтного МОП (VGS близко к 10 В в состоянии включения насыщения), мы должны рассмотреть следующие вопросы:

Преобразование уровня, выход микроконтроллера высокого уровня не превышает 5 В, обычно 12-15 В, поэтому схема привода должна иметь возможность преобразования уровня.

Преобразование фазы, МОП, упомянутый выше, является инвертором, поэтому в соответствии с фазой нагрузки и фазовым преобразованием выходного микроконтроллера.Например, запрос MOS выхода MOS включения, схема возбуждения требуется синфазно.

Частота переключения, разные схемы привода имеют разную частотную характеристику, для частоты переключения до 1,5 м, с простым триодом простая схема самоуправления трудно удовлетворить требованиям, основная потребность в выборе выделенного драйвера IC. Также общий оптопара не работает на частоте в десятки K выше состояния переключателя, если вы хотите изолировать, лучше 6N137, есть специальные с оптической развязкой и оптопарой привода, 1.До 5М все равно не дотянуться.

Управляющий ток. Хотя МОП не потребляет движущую силу, когда он статичен, его вход является емкостным. Чтобы включить переключатель как можно скорее и уменьшить потери переключения, необходимо заряжать Cgs с максимальной скоростью, поэтому схема управления имеет очень важный параметр Пиковый ток возбуждения, такой как 200 мА, 600 мА, 1 А, 2А, 4А, 6А.

Рабочее напряжение схемы привода, общий максимальный VGS не может превышать 20 В, поэтому рабочее напряжение схемы привода также не должно превышать 18 В, к приведенной выше схеме вам, конечно же, необходимо добавить напряжение 15 В. может понижать от 40В.

Проблема DV / DT, электромагнитные помехи увеличиваются, потому что MOS легко повреждается при высоком DV / DT. Чтобы решить эти проблемы, иногда необходимо увеличить время нарастания / спада выходного сигнала схемы драйвера. Самый простой способ — добавить небольшое сопротивление между выходом драйвера и G-полюсом.

Преобразование уровня сигнала VI

4.1 Базовый транзисторный переключатель для улучшения схемы

Иногда установленный нами низкий уровень напряжения может не привести к выключению транзистора, особенно когда входной уровень близок к 0.6 вольт. Чтобы преодолеть это критическое состояние, мы должны предпринять корректирующие действия, чтобы убедиться, что транзистор должен быть закрыт. На рисунке 1 показана улучшенная схема, разработанная для двух ситуаций.

Рисунок 1 обеспечивает действие транзисторного переключателя, правильные две модифицированные схемы

Схема на Рисунке 1 (а) имеет диод, включенный последовательно между базой и эмиттером, так что значение входного напряжения, которое позволяет току базы включиться, увеличивается на 0.6 вольт, так что даже если значение Vin приближается к значению из-за неисправности источника сигнала 0,6 вольт, транзистор не приведет к проводимости, поэтому переключатель все еще может быть в выключенном состоянии.

Схема на Рисунке 1 (b) включает вторичный запорный резистор R2, спроектированный с соответствующими значениями R1, R2 и Vin, чтобы гарантировать отключение переключателя при критическом входном напряжении. Как показано на рис. 1 (b), R1 и R2 образуют схему последовательного делителя напряжения до того, как переход база-эмиттер станет непроводящим (IB0), поэтому R1 должен проходить фиксированное (изменяющееся в зависимости от Vin) напряжение.И базовое напряжение должно быть ниже значения Vin. Даже если Vin приближается к пороговому значению (Vin = 0,6 В), базовое напряжение все равно будет снижено сопротивлением отключения вспомогательной цепи, подключенным к отрицательному источнику питания, до уровня ниже 0,6 В. Из-за преднамеренной конструкции значений R1, R2 и VBB, пока Vin находится в верхнем диапазоне, база все еще будет иметь достаточно напряжения для включения транзистора, не подвергаясь влиянию сопротивления вспомогательного выключения.

4.2 Конденсатор ускорения

В приложениях, требующих быстрого переключения, скорость переключения триодного переключателя должна быть увеличена.Рисунок 2 — это общий метод, этот метод только параллельно с резистором RB на ускорительном конденсаторе, поэтому, когда Vin возрастает с нуля и начинает посылать ток на базу, конденсатор не может заряжаться мгновенно, поэтому такое же короткое замыкание. в этот момент от конденсатора к базе протекает мгновенный сильный ток, что ускоряет срабатывание переключателя. Позже, пока заряд не завершится, емкость такая же, как у разомкнутой цепи, не влияя на нормальную работу транзистора.

Рисунок 2 Схема с конденсатором ускорения

Как только входное напряжение падает с высокого до нулевого уровня, конденсатор за очень короткий промежуток времени превращает переход база-эмиттер в обратное смещение, в результате чего триодный переключатель быстро выключается из-за того, что левый конец конденсатора имеет был заряжен до положительного напряжения, поэтому в момент падения входного напряжения напряжение на конденсаторе не может быть мгновенно изменено, будет оставаться на фиксированном значении, поэтому входное напряжение сразу же падает, чтобы уменьшить базовое напряжение, так что базовый эмиттер Переход станет обратным смещением, и транзистор быстро выключится.Правильный выбор ускоряющего конденсатора сокращает время переключения триодного переключателя ниже нескольких десятых микросекунд, а большинство ускоряющих конденсаторов имеют порядок сотен пФ.

Иногда нагрузка триодного переключателя не прикладывается напрямую между коллектором и источником питания, а затем подключается, как показано на рисунке 3. Это соединение и схема усилителя слабого сигнала очень близки, но отсутствует только один выходной конденсатор связи. Это соединение и нормальное соединение с точностью до наоборот.Когда транзистор выключен, нагрузка включена. При включении транзистора нагрузка отключается. Форма этих двух цепей общая, у нас должна быть четкая разрешающая способность.

Рисунок 3 Улучшенная схема подключения нагрузки к транзисторной схеме

Одним из наиболее распространенных применений транзисторного переключателя является включение контрольной лампы, которая может указывать на рабочие условия в конкретной точке цепи, на то, находится ли контроллер двигателя под напряжением, или работает ли определенный концевой выключатель или цифровая схема. находится в высоком состоянии.

Например, на рис. 4 (а) показано состояние выхода цифрового триггера, использующего транзисторный ключ. Если выход триггера высокий (обычно 5 вольт), транзисторный переключатель включается, оставляя световой индикатор, поэтому оператор, просто взглянув на свет, вы можете узнать условия работы триггера по току, без необходимости использовать глюкометр для обнаружения.

Иногда мощность выходного тока источника сигнала (например, триггера) слишком мала, недостаточна для управления транзисторным переключателем, на этот раз, чтобы избежать перегрузки и неисправности источника сигнала, мы должны использовать улучшенную схему, показанную на рисунке 4 (b ) Когда выход высокий, сначала нужно сделать усиление тока эмиттера драйвера с транзистором Q1, а затем включить Q2 и управлять светом, потому что эмиттер с входным каскадом входного сопротивления довольно высок, поэтому триггер Должен быть обеспечен небольшой входной ток, можно получить удовлетворительную работу.

Цепь цифрового дисплея

, показанная на Рисунке 4 (а), часто используется на цифровых дисплеях.

Рисунок 4 (а) Принципиальная электрическая схема

(б) Улучшенная принципиальная схема

Анализ

: если FREOF имеет высокий уровень 5 В, выходной сигнал FREOUT должен быть прямоугольным с частотой около 1,3 кГц,

Формы сигналов следующие: Левая сторона C39 и правая сторона C41 представляют собой прямоугольную волну около 1,3K, одну высокую и одну низкую.

Об экспериментах по заряду и разряду RC:

На следующем рисунке при входном сигнале прямоугольной формы с частотой 1 Гц перехват левой части сигнала C3 выглядит следующим образом. Полная зарядка занимает около 4 мс.

Теоретические расчеты: зарядка и разрядка основаны на одном принципе. Сначала вычислите постоянную заряда и разряда TC = RC, единица измерения — Ом и F.

Следующая схема TC = 1K * 1uf = 1ms 3TC обычно может достигать 0.95E и 4,75 В, поэтому 3 мс могут достигать 4,75 В в соответствии с формой сигнала.

На рисунке представлена ​​простая схема управления:

Когда KSEL высокий, KCLK1 и KCLK0 — через, KDAT1 и KDAT0 — через.

Когда он находится на низком уровне, схема блокируется.

V FAQ

1. Что такое схема переключения транзисторов?

Одно из наиболее распространенных применений транзисторов в электронных схемах — это простые переключатели. Короче говоря, транзистор проводит ток по пути коллектор-эмиттер только тогда, когда на базу подается напряжение…. Переключатель включен, когда база насыщена, так что ток коллектора может течь без ограничений.

2. Какой транзистор используется чаще всего?

MOSFET является наиболее широко используемым транзистором как для цифровых, так и для аналоговых схем, составляя 99,9% всех транзисторов в мире. Биполярный переходный транзистор (BJT) ранее был наиболее часто используемым транзистором в период с 1950-х по 1960-е годы.

3.Каково основное использование транзистора?

Транзистор, полупроводниковый прибор для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы — это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях.

4. Каков принцип работы транзистора?

Транзистор состоит из двух PN-диодов, соединенных спиной друг к другу.Он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Основная идея транзистора заключается в том, что он позволяет вам управлять потоком тока через один канал, изменяя интенсивность гораздо меньшего тока, протекающего через второй канал.

5. Как определить транзистор?

Материалы, из которых сделаны транзисторы, включают кремний и германий. Биполярные переходные транзисторы являются наиболее часто используемым типом. Чтобы облегчить их идентификацию, на корпусах транзисторов нанесены цифры и буквы.Маркировка транзисторов соответствует используемой системе нумерации.

6. Какие два основных типа переходных транзисторов используются сегодня?

Сегодня существует два наиболее распространенных типа транзисторов: металл-оксидный полупроводник или MOS и биполярный переходный транзистор или BJT.

7. Каковы два основных различия между механическим переключателем и транзистором?

Коммутатор общего назначения — это однокомпонентный; транзисторный ключ требует вспомогательных компонентов (резисторов и т. д.)…). Обычный переключатель может иметь несколько положений (ходов) и цепей (полюсов), но они должны быть спроектированы с использованием транзисторных переключателей, с использованием нескольких транзисторов и вспомогательных компонентов.

8. В чем разница между транзистором и усилителем?

В этом смысле усилитель модулирует выходной сигнал источника питания, чтобы выходной сигнал был сильнее входного. Транзистор — это полупроводниковое устройство, используемое для усиления и переключения электронных сигналов и электроэнергии.

9. Транзистор изменяет напряжение?

Помните, что механический переключатель не имеет падения напряжения при включении, потому что между контактами нет сопротивления. С другой стороны, транзисторы имеют небольшое сопротивление на клеммах коллектора / эмиттера (RCE) при включении и, следовательно, падение напряжения.

10. Может ли транзистор усиливать постоянный ток?

Да, транзисторы усиливают постоянный ток.Однако постоянный ток может быть усилен только BJT, а не полевым транзистором. Входной постоянный ток усиливается на базе, и этот усиленный ток выводится на коллекторе.

Рекомендация книги

— Луис А. Делом (Автор)

— Техас Инструментс Инкорпорейтед (Автор)

---

Соответствующая информация по теме «Проектирование схемы переключения транзисторов и ее теория»

О статье «Проектирование схемы переключения транзисторов и ее теория». Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев.Вы также можете найти больше статей об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим связанным статьям.

Альтернативные модели

Часть	Сравнить	Производителей	Категория	Описание
Производитель.Номер детали: ICM7555CBA-T	Сравнить: Текущая часть	Производитель: Intersil	Категория: Часы	Описание: Тип 555, таймер / осциллятор (одиночный) IC 1 МГц 8-SOIC (0.154 дюйма, ширина 3,9 мм)
Производитель Номер детали: ICM7555CBAZ-T	Сравнить: ICM7555CBA-T против ICM7555CBAZ-T	Производитель: Intersil	Категория: Таймеры	Описание: ICM7555 Series 2 — 18 В, 60 мкА, 1 МГц, универсальный КМОП-таймер — SOIC-8
Производитель.Номер детали: NE555DR	Сравнить: ICM7555CBA-T против NE555DR	Изготовители: TI	Категория: Часы	Описание: ИС таймера, отсчет времени от микросекунд до часов, нестабильный, моностабильный, 4.От 5 В до 16 В, выход 200 мА, SOIC-8
Производитель № детали: TLC555IDR	Сравнить: ICM7555CBA-T против TLC555IDR	Изготовители: TI	Категория: Часы	Описание: ИС таймера, генератора и генератора импульсов, LinCMOS, 2.1 МГц, нестабильный, от 2 В до 15 В, SOIC-8

Транзисторный переключатель на стороне низкого и высокого уровня

Обычная задача транзистора — это включение и выключение устройства.Существует две конфигурации транзисторного переключателя: со стороны низкого и высокого уровня. Расположение транзистора определяет тип схемы и ее название. Любая конфигурация транзистора может использовать BJT или MOSFET.

В этом посте я рисую конфигурацию для обоих типов транзисторов, рассказываю о том, для чего требуется драйвер, и объясняю, почему вы должны использовать любой из них. Если вы плохо знакомы с транзисторами, ознакомьтесь с ссылками на ресурсы внизу. У меня есть несколько видеороликов, которые я снял, и некоторые из «Учебной схемы element14», которые отлично справляются с внедрением транзисторов.

Конфигурация транзисторов нижнего плеча

Когда транзистор заземлен, это означает, что нагрузка находится между + V и транзистором. Поскольку транзистор переключает путь на землю или находится на стороне низкого напряжения нагрузки, он называется переключателем на стороне низкого напряжения.

Обычно они используют NPN BJT или N-канальный MOSFET.

Примеры транзисторов нижнего уровня (обратите внимание, что полевой транзистор имеет понижающий резистор.)

Для NPN BJT эмиттер подключается к земле, а коллектор подключается к отрицательной стороне нагрузки.В качестве переключателя BJT работает в режиме насыщения. Насыщение означает, что ток базы достаточен для полного включения транзистора.

Для N-канального MOSFET исток подключается к земле, а сток подключается к отрицательной стороне нагрузки. Хотя вы можете использовать JFET для этой схемы, MOSFET в режиме улучшения работает лучше.

Переключатель на транзисторах верхнего плеча

Переключатель со стороны высокого давления противоположен переключателю со стороны низкого давления. Этот транзистор соединяет + V и нагрузку.Из-за того, как работают транзисторы, их может быть немного сложнее использовать в схеме Arduino или Raspberry Pi.

Обычно они используют PNP BJT или MOSFET с P-каналом.

Транзисторы со стороны верхнего плеча (обратите внимание, что полевой транзистор имеет подтягивающий резистор.)

Для PNP BJT эмиттер подключается к источнику напряжения, а коллектор подключается к положительной стороне нагрузки. Глядя на схематический рисунок для NPN и PNP, PNP может выглядеть так, как будто он перевернут. Как и NPN, PNP BJT должен работать в области насыщения, чтобы полностью включить транзистор.

Для МОП-транзистора с P-каналом, исток подключается к источнику напряжения, а сток подключается к положительной стороне нагрузки. Как и в случае с нижней стороной, вы, вероятно, захотите использовать MOSFET в режиме улучшения. Имейте в виду, что вы никогда не найдете P-Channel в режиме истощения. Они существуют только в учебниках и как ошибки при вводе данных.

P-канальный полевой МОП-транзистор с одинаковым напряжением нагрузки

При использовании транзистора P-типа при напряжении нагрузки, которое имеет тот же уровень напряжения, что и сигнал, управляющий транзистором, приведенная выше схема работает нормально.Ну, логика перевернута, но в остальном все в порядке. Для подробного объяснения ознакомьтесь с этим сообщением, которое я написал в Учебном пособии по P-канальным MOSFET только с положительным напряжением.

Когда напряжение нагрузки ВЫШЕ, чем напряжение сигнала, вам нужен драйвер. Затем давайте посмотрим, как драйвер используется с транзисторными переключателями низкого и высокого уровня.

Транзистор управляет другим транзистором

Схема задающего транзистора — это схема, которая управляет другим транзистором. Эта схема отличается от пары Дарлингтона BJT, которая представляет собой BJT с высоким коэффициентом усиления.Вместо этого используется драйвер транзистора, когда напряжение (или ток) управляющего сигнала несовместимо с нагрузочным транзистором. Ниже приведены два случая, когда вам может потребоваться драйвер транзистора. Это ни в коем случае не единственные. Так что, если вы знаете о каком-либо случае или подозреваете, что он вам нужен, оставьте комментарий.

Примеры транзисторных драйверов

Сильноточные полевые МОП-транзисторы имеют значительный порог Vgs. Хотя 5 вольт на выводе Arduino GPIO может быть достаточно для включения транзистора, этого недостаточно для его насыщения.Пока полевой транзистор не будет насыщен, его Rds-ON может быть относительно высоким, ограничивая максимальный ток, который он может выдержать.

Часто используется драйвер NPN с PNP BJT или P-канальным MOSFET, когда напряжение нагрузки выше, чем напряжение сигнала. Без драйвера транзистор может никогда не выключиться. Драйвер, по сути, повышает управляющее напряжение до достаточно высокого уровня, чтобы не смещать переход Vbe или Vgs транзистора. Мой учебник по ШИМ-вентилятору для ПК — это пример того, как Arduino управляет вентилятором на 12 В с помощью PNP.

Зачем вообще заморачиваться с транзисторами верхнего плеча?

Как для BJT, так и для MOSFET транзисторов их P-тип обычно имеет большее сопротивление (или более низкую допустимую нагрузку по току), чем их аналоги N-типа. По этой причине некоторые могут прийти к выводу, что вам всегда следует использовать N-тип в конфигурации низкого уровня.

Однако сделайте шаг назад и подумайте на секунду, что делают два разных типа схем. Переключатель нижнего плеча подключает массу, в то время как выключатель верхнего плеча подключает источник напряжения.Как правило, в цепи вы хотите, чтобы земля оставалась подключенной, а питание переключалось. Одна из причин заключается в том, что даже когда транзистор полностью открыт, на нем все еще есть небольшое падение напряжения. Это падение напряжения означает, что заземление этого устройства не равно 0 вольт. Для чего-то простого, например, светодиода, не имеет значения, что вы переключаете. Однако активное устройство, такое как микроконтроллер, нуждается в заземлении! Поэтому, когда у вас есть нагрузка, которая требует заземления, вам НЕОБХОДИМО использовать переключатель высокого напряжения.

Как простое практическое правило, если вы включаете и выключаете устройство, переключатель нижнего уровня является простым решением.Однако, если вы подаете питание на всю цепь или устройство, чувствительное к напряжению, вам следует использовать переключатель высокого напряжения.

Между прочим, есть готовые компоненты, называемые «выключателем нагрузки». Это ИС, которые имеют полевой МОП-транзистор с P-каналом в качестве переключающего транзистора со встроенным драйвером для этого P-канала. Для компонентов этого типа не требуется внешний драйвер.

Ссылки по основам транзисторов (для справки)

• Схема обучения, как работают транзисторы.Карен объясняет с нуля, как работают биполярные переходные транзисторы (BJT). В сети есть много объяснений физики транзисторов, но Карен — самая ясная из тех, с которыми я сталкивался.
• Цепь обучения, обратная связь BJT. В этом эпизоде ​​TLC я присоединился к Карен и рассмотрел некоторые заблуждения сообщества (и я подозреваю, что другие) в видео, указанном выше.
• АддОм, БЮЦ. Видео, которое я сделал о БЮТ. Я не буду вдаваться в подробности того, как работают электроны, но вместо этого покажу, как их использовать в цепи.
• AddOhms, МОП-транзисторы. Вторая часть моих видео о транзисторах. В этом эпизоде ​​я объясню, как использовать полевые МОП-транзисторы. (Это видео является самым популярным на моем канале YouTube с миллионом просмотров.)

BJT устройство как коммутатор [Analog Devices Wiki]

Эта версия (16 июня 2013 г., 03:40) была одобрена Дугом Мерсером ().

Цель:

Транзистор с биполярным соединением (BJT) может использоваться во многих конфигурациях схем, таких как усилитель, генератор, фильтр, выпрямитель, или просто как двухпозиционный переключатель.Если транзистор смещен в линейную область, он будет работать как усилитель или другая линейная схема, если смещен поочередно в областях насыщения и отсечки, то он используется в качестве переключателя, позволяя току течь или не течь. в других частях схемы. Это лабораторное задание описывает BJT, работающий как переключатель.

Фон:

Цепи переключения существенно отличаются от линейных цепей. Их также легче понять. Прежде чем исследовать более сложные схемы, мы начнем с представления дискретных твердотельных переключающих схем: построенных на основе BJT.

Переключатель состоит из BJT-транзистора, который попеременно управляется между областями насыщения и отсечки. Простая версия переключателя показана на рисунке 1. Когда входной сигнал равен — В, _в , переход база-эмиттер смещен в обратном направлении или отключен, поэтому ток в коллекторе не течет. Это иллюстрируется линией нагрузки, показанной на рисунке. Когда BJT находится в отключенном состоянии, схема (в идеале) имеет следующие значения:

V _CE = V _CC и I _C = 0 A

Это состояние похоже на разомкнутый переключатель.

Когда входной сигнал равен + В, _в , транзистор переводится в состояние насыщения, и возникают следующие условия:

V _CE ~ 0V и I _Csat = V _CC / R _C

Это состояние аналогично замкнутому переключателю, соединяющему нижнюю часть R _C с землей.

Рисунок 1 Переключатель NPN BJT и его линия нагрузки.

Характеристики переключателя BJT предполагают, что:

1. — В _в достаточно мало, чтобы транзистор перешел в режим отсечки.
2. + В _в должен производить достаточный базовый ток через R _B , чтобы перевести транзистор в состояние насыщения.

3. Транзистор — идеальный компонент.

Эти условия можно обеспечить, спроектировав схему так, чтобы:

2. + V _дюйм = V _BE + I _B R _B ( V _CC — хороший максимум)

3. I _B > I _Csat / ß

Условие 1 гарантирует, что схема будет переведена в область отсечки входом.Условия 2 и 3 гарантируют, что транзистор будет переведен в область насыщения.

Настоящий переключатель BJT отличается от идеального переключателя по нескольким аспектам. На практике даже в режиме отсечки через транзистор возникает некоторая утечка тока. Кроме того, при насыщении на внутреннем сопротивлении транзистора всегда падает некоторое напряжение. Обычно это будет от 0,2 до 0,4 В в насыщении в зависимости от тока коллектора и размера устройства. Эти отклонения от идеала обычно незначительны для устройства правильного размера, поэтому мы можем предположить, что условия близки к идеальным при анализе или проектировании схемы переключателя BJT.

Материалы:

Аппаратное обеспечение Analog Discovery Lab
Макетная плата без пайки
1 — Резистор 6,8 кОм (R _B )
1 — Резистор 100 Ом (R _C )
1 — Светодиод 5 мм (любого цвета)
1 — Малосигнальный транзистор NPN ( 2N3904)

Направления:

Одним из распространенных применений переключателя BJT (или любого другого) является управление светодиодом. Драйвер светодиода показан на рисунке 2. Драйвер, показанный на этом рисунке, используется для соединения слаботочной части схемы с относительно сильноточным устройством (светодиодом).Когда на выходе из слаботочной цепи низкий уровень (0 В ), транзистор находится в отключенном состоянии и светодиод не горит. Когда на выходе из слаботочной цепи появляется высокий уровень (+3,3 В ), транзистор переводится в состояние насыщения и загорается светодиод. Драйвер используется, потому что слаботочная часть схемы может не иметь возможности по току для подачи 20 мА (типично), необходимых для освещения светодиода на полную яркость.

Постройте схему переключателя светодиодов, показанную на рисунке 2, на беспаечной макетной плате.R _C служит для ограничения тока, протекающего в светодиоде от источника питания +5 В (Vp). Переключатель управляется цифровым выходом DO от разъема Discovery. Канал осциллографа 1 будет отображать напряжение на переключающем транзисторе Q ₁ ( В, _CE ), а канал осциллографа 2 отобразит напряжение на светодиоде.

Настройка оборудования:

Откройте экран цифрового управления статическим вводом / выводом из главного окна запуска Waveforms.Настройте DIO-0, щелкнув его правой кнопкой мыши и выбрав опцию Push / Pull Switch. Также откройте окно осциллографа или вольтметра.

Процедура:

Наблюдайте за светодиодом, когда вы меняете переключатель в окне управления цифровым вводом / выводом. Запишите напряжение на транзисторе коллектор-эмиттер (канал 1) и на светодиоде (канал 2) для каждого положения переключателя и включите их в описание своей лаборатории.

Вопросы:

Транзистор

как переключатель — инженерные проекты

Привет, друзья, надеюсь, у вас все отлично.В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим транзистор как коммутатор. Транзистор представляет собой 3-контактный полупроводниковый модуль, используемый для различных усилителей и схем переключения. Он был создан Уильямом Шокли (физиком из Соединенных Штатов Америки) в 1947 году. Он также использовался в различных инженерных проектах и ​​схемах. В зависимости от уровня легирования транзисторы делятся на 2 типа: первый — NPN, второй — PNP.

Большинство транзисторов построено из кремния и германия, но для изготовления транзисторов также используются другие полупроводниковые материалы.В сегодняшнем посте мы обсудим, как можно использовать транзистор в качестве переключателя, а также увидим его практическую работу в различных схемах. Итак, давайте начнем с транзистора в качестве коммутатора.

Транзистор как переключатель

• Для понимания работы транзистора как переключателя мы используем биполярный транзистор (BJT) и построим его кривую зависимости тока от напряжения.
• Есть 3 области, в которых транзистор работает: первая активна, вторая — насыщения, а третья — область отсечки.
• В первой активной области транзистор работает как усилитель.
• Но в двух других областях, которые являются областью насыщения, в которой транзистор находится во включенном состоянии, и областью отсечки, в которой транзистор выключен, работают как переключатель.
• Теперь мы подробно обсудим эти три региона один за другим.

Область работы транзистора

• На данном рисунке показана кривая вольт-амперной характеристики.

• На этой кривой вы можете видеть, что участок внизу кривой, имеющий розовый цвет, обозначен как участок отсечки, а участок синего цвета известен как участок насыщения транзистора.

Давайте подробно обсудим эти две области транзисторов.

Область отсечки транзистора

• В этой рабочей области транзистора значение тока на базе равно нулю (IB = 0), поэтому значение тока на коллекторе также будет 0.
• Значение напряжения на выводах коллектора и эмиттера (VCE) выше, что приводит к увеличению обедненного слоя в транзисторе и нулевом токе, протекающем через компонент.
• Итак, транзистор полностью выключен, значит, это разомкнутая цепь.

Область насыщения транзистора

• В этой части транзистор будет иметь такое смещение, что величина тока на выводе базы будет максимальной, что вызывает протекание экстремального тока через коллектор.
• Значение напряжения на выводах коллектора и эмиттера будет равно нулю, поэтому не будет слоя обеднения, и через транзистор будет проходить большой ток, и он будет вести себя как замкнутый переключатель.
• Проще говоря, мы можем определить область насыщения, которая будет возникать, когда ток, протекающий через коллектор, является экстремальным, а напряжение на клеммах базы равно 0.7 вольт это для NPN транзистора.

• В случае PNP эмиттер должен быть подключен к положительной клемме батареи.

Работа транзистора как переключателя

• Для практического понимания транзистора как переключателя мы обсудим схему, показанную на данном рисунке.

• В этой схеме NPN-транзистор используется в качестве переключателя, его коллектор и точки эмиттера работают как выводы переключателя.
• Цепь, состоящая из лампы в качестве нагрузки, подключена к клеммам коллектора и эмиттера транзистора.
• База и эмиттер транзистора работают как контроллер, который определяет открытое и закрытое состояние переключателя.
• Для замкнутого переключателя батарея подключается между выводами базы и эмиттера.

• Этот источник обеспечивает большое количество базового тока из-за того, что ток коллектора протекает в схемах коллектора и эмиттера.
• Значение тока коллектора будет больше, если сопротивление между коллектором и эмиттером почти равно нулю.
• На приведенном выше рисунке вы можете видеть, что эмиттер находится под потенциалом земли, поэтому мы также можем предположить, что коллектор также имеет нулевой потенциал. Итак, в этом случае результирующая схема может быть построена как.

• Вы можете видеть, что клеммы переключателя, которые являются коллектором и эмиттером, замкнуты, а лампочка светится, когда через нее протекает большой ток коллектора.
• Для размыкания выводов выключателя снимаем ток, проходящий через базу.
• Поскольку Ic = βIb, поэтому из-за нулевого значения тока базы ток коллектора также равен нулю, и он ведет себя как разомкнутый переключатель.

Применение транзистора в качестве переключателя

• Структура транзистора такова, что ток коллектора не будет течь, пока на базе не будет источника тока.
• Из-за этой особенности он в основном используется в различных электронных схемах в качестве переключателя.
• Итак, мы обсуждаем такие схемы, в которых транзистор используется в качестве переключателя, для объяснения таких схем мы используем транзистор NPN.

Световой выключатель

• В приведенной ниже схеме транзистор используется в качестве переключателя для включения и выключения лампы. В этой схемотехнике сформирована схема LDR, лампочки и делителя напряжения.
• Эта схема работает при свете и в темноте не работает.
• Когда фотоны света сталкиваются со светозависимым сопротивлением, он начинает работать, и ток течет через основание, а не через коллектор, который освещает лампочку.

Переключатель с обогревом

• В приведенном ниже транзисторе используется в переключателе с подогревом, основным элементом этой схемы является термистор.
• Термистор — это тип сопротивления, работающий при изменении температуры.
• Его сопротивление увеличивается с уменьшением температуры и с увеличением температуры сопротивление уменьшается.
• Итак, в этой схеме, когда температура увеличивается, сопротивление термистора уменьшается, поэтому ток базы начинает течь, что вызывает движение тока по цепи.
• Тогда на выходе начинает срабатывать тревога после получения сигнала от транзистора.

Это подробная статья о транзисторе как переключателе, если у вас есть какие-либо вопросы по этому поводу, задавайте в комментариях. Спасибо за прочтение.

Автор: Захид Али

Я профессиональный писатель технического контента, мое хобби — узнавать новые вещи и делиться ими с новыми учениками. Также имею опыт работы в различных отраслях в качестве инженера. Теперь я делюсь своими техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Навигация по сообщениям

Расчет транзистора как переключателя

Хотя транзисторы (BJT) широко используются для создания схем усилителя, их также можно эффективно использовать для коммутационных приложений.

Транзисторный ключ — это схема, в которой коллектор транзистора включается / выключается с относительно большим током в ответ на соответствующий сигнал включения / выключения низкого тока на его базовом эмиттере.

В качестве примера следующую конфигурацию BJT можно использовать в качестве переключателя для инвертирования входного сигнала для логической схемы компьютера.

Здесь вы можете обнаружить, что выходное напряжение Vc противоположно потенциалу, приложенному к базе / эмиттеру транзистора.

Кроме того, база не связана с каким-либо фиксированным источником постоянного тока, в отличие от схем на основе усилителя. Коллектор имеет источник постоянного тока, который соответствует уровням питания системы, например, 5 В и 0 В в этом случае компьютерного приложения.

Мы поговорим о том, как эта инверсия напряжения может быть спроектирована, чтобы гарантировать, что рабочая точка правильно переключается с отключения на насыщение вдоль линии нагрузки, как показано на следующем рисунке:

Для настоящего сценария на приведенном выше рисунке мы имеем предполагается, что IC = ICEO = 0 мА, когда IB = 0 мкА (отличное приближение в отношении улучшения стратегии строительства).Кроме того, предположим, что VCE = VCE (sat) = 0 В вместо обычного уровня от 0,1 до 0,3 В.

Теперь при Vi = 5 В BJT включится, и при рассмотрении конструкции необходимо обеспечить высокую степень насыщения конфигурации на величину IB, которая может быть больше, чем значение, связанное с кривой IB, видимой вблизи насыщения. уровень.

Как видно из вышеприведенного рисунка, в этих условиях значение IB должно быть больше 50 мкА.

Расчет уровней насыщения

Уровень насыщения коллектора для показанной схемы можно рассчитать по формуле:

IC (sat) = Vcc / Rc

Величина базового тока в активной области непосредственно перед уровнем насыщения может рассчитывается по формуле:

IB (max) ≅ IC (sat) / βdc ———- Уравнение 1

Это означает, что для реализации уровня насыщения должно выполняться следующее условие:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc ——— Уравнение 2

На приведенном выше графике, когда Vi = 5 В, результирующий уровень IB может быть оценен в следующий метод:

Если мы проверим уравнение 2 с этими результатами, мы получим:

Это, по-видимому, полностью удовлетворяет требуемому условию.Несомненно, любое значение IB, превышающее 60 мкА, будет допущено к проникновению через точку Q над линией нагрузки, расположенной очень близко к вертикальной оси.

Теперь, если обратиться к сети BJT, показанной на первой диаграмме, в то время как Vi = 0 В, IB = 0 мкА и предположить, что IC = ICEO = 0 мА, падение напряжения, происходящее на RC, будет по формуле:

VRC = ICRC = 0 В.

Это дает нам VC = +5 В для первой диаграммы выше.

В дополнение к приложениям переключения компьютерных логик, эта конфигурация BJT также может быть реализована как коммутатор с использованием тех же крайних точек линии нагрузки.

Когда происходит насыщение, ток IC имеет тенденцию становиться достаточно высоким, что, соответственно, снижает напряжение VCE до самой низкой точки.

Это приводит к возникновению уровня сопротивления на двух клеммах, как показано на следующем рисунке и рассчитывается по следующей формуле:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), как показано на следующем рисунке.

Если мы предположим типичное среднее значение для VCE (sat), такое как 0,15 В в приведенной выше формуле, мы получим:

Это значение сопротивления на выводах коллектора-эмиттера выглядит довольно маленьким по сравнению с последовательным сопротивлением в килоомах на коллекторные клеммы BJT.

Теперь, когда вход Vi = 0 В, переключение BJT будет отключено, в результате чего сопротивление на коллекторе-эмиттере будет:

R (отсечка) = Vcc / ICEO = 5 В / 0 мА = ∞ Ω

Это приводит к возникновению разрыва цепи на выводах коллектора-эмиттера. Если мы рассмотрим типичное значение 10 мкА для ICEO, значение сопротивления отсечки будет таким, как указано ниже:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 В / 10 мкА = 500 кОм

Это значение выглядит значительно большим и эквивалент разомкнутой цепи для большинства конфигураций BJT в качестве переключателя.

Решение практического примера

Рассчитайте значения RB и RC для транзисторного переключателя, сконфигурированного как инвертор ниже, учитывая, что ICmax = 10 мА

Формула для выражения насыщения коллектора:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 мА = 10 В / Rc

∴ Rc = 10 В / 10 мА = 1 кОм

Также в точке насыщения

IB ≅ IC (насыщ.) / Βdc = 10 мА / 250 = 40 мкА

Для гарантированного насыщения выберем IB = 60 мкА, а по формуле

IB = Vi — 0.7 В / RB, получаем

RB = 10 В — 0,7 В / 60 мкА = 155 кОм,

Округляя полученный результат до 150 кОм и снова оценивая приведенную выше формулу, получаем:

IB = Vi — 0,7 V / RB

= 10 В — 0,7 В / 150 кОм = 62 мкА,

, так как IB = 62 мкА > ICsat / βdc = 40 мкА

Это подтверждает, что мы должны использовать RB = 150 кОм

Расчет Коммутационные транзисторы

Вы найдете специальные транзисторы, называемые переключающими транзисторами, из-за их высокой скорости переключения с одного уровня напряжения на другой.

На следующем рисунке сравниваются периоды времени, обозначенные как ts, td, tr и tf, с током коллектора устройства.

Влияние периодов времени на характеристику скорости коллектора определяется реакцией тока коллектора, как показано ниже:

Общее время, необходимое транзистору для переключения из состояния «выключено» в состояние «включено», обозначено как t (on) и может быть установлено по формуле:

t (on) = tr + td

Здесь td определяет задержку, происходящую, когда входной сигнал переключения меняет состояние, а транзисторный выход реагирует на изменение.Время tr указывает окончательную задержку переключения от 10% до 90%.

Общее время, затрачиваемое bJt из включенного состояния в выключенное состояние, обозначается как t (выключено) и выражается формулой:

t (выключено) = ts + tf

ts определяет время хранения, в то время как tf определяет время спада с 90% до 10% от исходного значения.

Ссылаясь на приведенный выше график, для БЮТ общего назначения, если ток коллектора Ic = 10 мА, мы можем видеть, что:

ts = 120 нс, td = 25 нс, tr = 13 нс, tf = 12 нс

, что означает t (вкл.) = Tr + td = 13 нс + 25 нс = 38 нс

t (выкл.) = Ts + tf = 120 нс + 12 нс = 132 нс

Можно ли использовать транзистор в качестве переключателя? — ES Components

Транзисторы обычно используются в цифровых схемах в качестве электронных переключателей, которые могут находиться в состоянии «включено» или «выключено», как для мощных приложений, таких как импульсные источники питания, так и для приложений с низким энергопотреблением, таких как как логические ворота.Важные параметры для этого приложения включают коммутируемый ток, обрабатываемое напряжение и скорость переключения, характеризующуюся временем нарастания и спада.

В схеме транзистора с заземленным эмиттером, такой как показанная схема переключателя света, по мере увеличения напряжения базы эмиттерный и коллекторный токи возрастают экспоненциально. Напряжение коллектора падает из-за уменьшения сопротивления от коллектора к эмиттеру. Если бы разность напряжений между коллектором и эмиттером была равна нулю (или близка к нулю), ток коллектора ограничивался бы только сопротивлением нагрузки (лампочка) и напряжением питания.Это называется насыщением , потому что ток свободно течет от коллектора к эмиттеру. В насыщенном состоянии переключатель называется на .

Обеспечение достаточного базового тока возбуждения является ключевой проблемой при использовании биполярных транзисторов в качестве переключателей. Транзистор обеспечивает усиление по току, позволяя переключать относительно большой ток коллектора с помощью гораздо меньшего тока на вывод базы.