Схемы включения транзисторов и их особенности: СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Узнаем как ие бывают схемы включения транзисторов

Поскольку биполярный транзистор является классическим трехполюсником, существует три возможных способа его включения в электронную схему с одним общим для входа и выхода выводом:

с общей базой (ОБ) — высокий коэффициент передачи по напряжению;
с общим эмиттером (ОЭ) – усиленный сигнал как по току, так и по напряжению;
с общим коллектором (ОК)– усиленный сигнал по току.

В каждой из трех разновидностей схемы включения транзистора она по-разному реагирует на входной сигнал, поскольку статические характеристики ее активных элементов зависят от конкретного решения.

Схема с общей базой является одной из трех типовых конфигураций включения биполярных транзисторов. Обычно она используются в качестве токового буфера или усилителя напряжения. Такие схемы включения транзисторов отличаются тем, что эмиттер здесь выступает в качестве входной цепи, выходной сигнал снимается с коллектора, а база «заземлена» на общий провод. Аналогичную конфигурацию имеют схемы включения ПТ в усилителях с общим затвором.

Табл.1. Основные параметры усилительного каскада по схеме ОБ.
Параметр	Выражение
Коэфф.усиления по току	I_k/I_in=I_k/I_e= α[α<1]
Вх. сопротивление	R_in=U_in/I_in=U_be/Ie

Схемы включения транзисторов ОБ отличаются стабильными температурными и частотными свойствами, что обеспечивает малую зависимость их параметров (коэффициента передачи по напряжению, току, входного сопротивления) от температурных условий рабочей среды. К недостаткам схемы можно отнести малое R_ВХи отсутствие усиления по току.

Схема с общим эмиттером обеспечивает очень высокое усиление и дает на выходе инвертированный сигнал, который может иметь довольно большой разброс. Коэффициент передачи в этой схеме в значительной степени зависит от температуры тока смещения, вследствие чего фактическое усиление имеет несколько непредсказуемый характер. Эти схемы включения транзисторов обеспечивают высокое R_ВХ, коэффициент усиления по току и напряжению, инвертирование входного сигнала, удобство включения. К недостаткам можно отнести проблемы, связанные с переусилением — возможность возникновения спонтанной положительной обратной связи, появления искажений при малых сигналах из-за низкого входного динамического диапазона.

Табл.2. Основные параметры усилительного каскада по схеме ОЕ
Параметр	Выражение
Коэфф. усиления по току	I_out/I_in=I_k/I_b=I_k/(I_e-I_k) = α/(1-α) = β[β>>1]
Вх. сопротивление	R_in=U_in/ I_in=U_be/I_b

Схема с общим коллектором (в электронике известная также как эмиттерный повторитель) является одной из трех разновидностей схемы включения транзисторов. В ней входной сигнал подается по базовой цепи, а выходной снимается с резистора в эмиттерной цепи транзистора. Такая конфигурация усилительного каскада, как правило, используются в качестве буфера напряжения. Здесь база транзистора выполняет функции входной цепи, эмиттер является выходом, а заземленный коллектор служит общей точкой, отсюда и название схемы. Аналогами могут служить схемы включения полевых транзисторов с общим стоком. Достоинством данного способа является довольно высокое входное сопротивление усилительного каскада и относительно низкое выходное.

Табл.3. Основные параметры усилительного каскада по схеме ОК.
Параметр	Выражение
Коэфф. усиления по току	I_out/I_in = I_e/I_b = I_e/(I_e-I_k) = 1/(1-α)= β [β>>1]
Кофф. усиления по напряжению	U_out /U_in = U_Re/(U_be+U_Re) < 1
Вх. сопротивление	R_in=U_in/I_in=U_be/Ie

Все три типовых схемы включения транзисторов широко используются в схемотехнике, в зависимости от назначения электронного устройства и условий его применения.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ.

Различают три возможные схемы включения транзистора:

1. С общей базой (ОБ)

2.С общим эмиттером (ОЭ)

3.С общим коллектором (ОК)

ОБ ОЭ

ОК

Такие названия объясняются тем, какой из электродов транзистора является общий для входной и выходной цепи. Рассматриваем схему ОБ: ток проходящий через источник входного сигнала называется входным током,следовательно, для схемы ОБ:

I_ВХ=Iэ.

Выходным токомэтой схемы является I_ВЫХ = I_К

Если под воздействием U_ВЫХ ток эмиттера возрастает на некоторую величину DI_Э_, то соответственно возрастут другие токи транзистора.

I_Э+DI_Э=I_К+DI_К+I_Б+DI_Б

Не зависимо от схемы включения транзисторы характеризуются дифференциальным коэффициентом прямой передачи тока, который представляет собой отношение прямого тока к вызвавшему его приращению входного тока.

a=DI_ВЫХ / DI_ВХ=DI_К / DI_Э_.

Обозначается буквой a и называется коэффициент передачи тока эмиттерадля схемы ОБ. Схема ОБ имеет малое входное сопротивление.

R_ВХ= DU_ВХ / DI_ВХ_.

СХЕМА ОЭ.

Особенности схемы с ОЭ является то что входным током в ней, является ток базы, который по величине значительно меньше тока коллектора, являющийся выходным:

b =DI_ВЫХ / DI_ВХ = DI_К / DI_Б

b =a /(1-a) ,где b-коэффициент передачи тока базы, для схемы ОЭ.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером можно получить коэффициент прямой передачи тока порядка нескольких десятков и долей сотен.

Входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ.

Достоинства схемы с ОЭ : возможность питания ее от одного источника напряжения, поскольку на базу и на коллектор подаются питающие напряжения одного знака. Поэтому схема с ОЭ является самой распространенной.

Недостаток схемы с ОЭ: некоторая температурная нестабильность большая, чем в схеме с ОБ.

В схеме с ОК входной сигнал подается на участок базы коллектор, входным током является ток базы, а выходным ток эмиттера. Коэффициент прямой передачи тока будет записываться таким выражением:

DI_Э /D I_Б= DI_Э / ( DI_Э— DI_К )=b+1.

Достоинство схемы: сравнительно большее значение коэффициента прямой передачи тока и входного сопротивления.

Недостаток: Отсутствие усиления по напряжению.

Для оценки работы транзистора при различных схемах включения используются

характеристические параметры, отображающие зависимость переменных токов и напряжений на входе и выходе схемы.

Основные характеристические параметры:

Rвх=DVвх/DIвх — входное сопротивление

Rвых=DVвых /DIвых — выходное сопротивление

KI=DIвых /DIвх — коэффициент усилия по току

KV=DVвых /DVвх — коэффициент усилия по напряжению

KP=DPвых /DPвх — коэффициент усилия по мощности

Схема	Характеристические параметры
Включения	KV	KI	Kp	Rвх, Ом	Rвых, Ом
тр-ра
ОЭ	10² ¸ 10³	20 ¸ 40	10³ ¸ 10⁴	20 ¸ 2000	10⁴ ¸ 10⁵
ОБ	10² ¸ 10³	< 1	10² ¸ 10³	10 ¸ 10³	10⁵ ¸ 10⁶
ОК	< 1	20 ¸ 50	20 ¸ 50	10⁵ ¸ 10⁶	10² ¸ 10⁴

Выводы по таблице.

1. Схема с ОЭ обеспечивает больше усилие по току, напряжениям и мощности. При этом входное сопротивление не велико и зависит от сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление достаточно велико.

2. Схема с ОБ обеспечивает больше усилие по напряжению и мощность, но коэффициент усилия по току меньше 1. Входное очень мало, а выходное очень велико.

3. Схема с ОК обеспечивает больше усилие по току и мощности, но коэффициент усилия по напряжению меньше 1. Входное сопротивление очень большое, а выходное маленькое.

Статические характеристики транзистора (СХТ).

СХТ отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выходе. Ток коллектора Iк является функцией двух независимых переменных – напряжения на коллекторе и тока вх. цепи. Например, при включении транзистора по схеме с ОЭ коллекторный ток зависит от напряжения между коллектором и эмиттером и от базового тока. В свою очередь базовый ток является функцией напряжения входной цепи. Таким образом, могут быть получены следующие семейства статических характеристик:

Выходная статическая

Характеристика

Iк= ¦(Vкэ) при Iб – const

Выходная статическая характеристика транзистора – это зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы.

Схема включения транзисторов с общим эмиттером. Как работают транзисторы? Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

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.

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.
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.
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.
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

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 5.15:

Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I б, и напряжение на коллекторе U к, а выходными характеристиками будут ток коллектора I к и напряжение на эмиттере U э.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:

В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа) .

после перегруппирования сомножителей получаем: (5.30)

Рис. 5.15. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Коэффициент α/(1-α) перед сомножителем I б показывает, как изменяется ток коллектора I к при единичном изменении тока базы I б. Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком β.

Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α > 1). При значениях коэффициента передачи α = 0,98÷0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β = 50÷100.

С учетом (5.31), а также I к0 * = I к0 /(1-α) выражение (5.30) можно переписать в виде:

(5.32)

где I к0 * = (1+β)I к0 — тепловой ток отдельно взятого p-n перехода, который много больше теплового тока коллектора I к0 , а величина r к определяется как r к * = r к /(1+β).

Продифференцировав уравнение (5.32) по току базы I б, получаем β = ΔI к /ΔI б. Отсюда следует, что коэффициент усиления β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I к при изменении тока базы I б.

Для характеристики величины β как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как α = γ·κ, где . Следовательно, . Для величины β было получено значение: β = α/(1-α). Поскольку W/L

(5.33)

На рисунке 5.16а приведены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером с током базы, как параметром кривых. Сравнивая эти характеристики с аналогичными характеристиками для биполярного транзистора в схеме с общей базой, можно видеть, что они качественно подобны.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I б вызывают значительные изменения коллекторного тока I к. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Рис. 5.16. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора КТ215В, включенного по схеме с общим эмиттером :а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы и вообще с чем его едят, то берем стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание, будет удобнее ориентироваться в статье 🙂

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки»). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто . Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги ).

Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер
Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти 🙂

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока ! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине . Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.Именно поэтому при приеме на работу и поиске сотрудников основным требованием является знание принципов работы усилителей с ОЭ.

Усилитель, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение. Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется один источник питания. Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:

схема с эмиттерной стабилизацией.

Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3 приведена каскада на биполярном npn-транзисторе, предназначенная для усиления звуковых частот.

Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье . Сейчас нас будут интересовать параметры , собранного по схеме с общим эмиттером. Его наиболее важными характеристиками является входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами транзистора.

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора R вхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения U б от тока базы I б) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора R вхОЭ зависит от тока базы I б0 и определяется по следующей формуле:

(1)

Как определить ΔU б0 и ΔI б0 в окрестностях рабочей точки транзистора в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора

Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления. Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом. Вольтамперная характеристика p-n перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

(2)

где I б — ток базы в рабочей точке;
U бэ — напряжение базы в рабочей точке;
I s — обратный ток перехода эмиттер-база;
— температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.

В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток I s , поэтому чем точнее он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора. Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей формуле:

(3)

Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току. Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:

(4)

Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы r бб» .

Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером

Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером

Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная емкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на эквивалентной схеме. Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3. Элементы R вых и h 21 ×i вх не влияют на входную цепь и изображены на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.

И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:

(5)

После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление схемы с общим эмиттером. Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления усилителя, изображенную на рисунке 8. В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать два измерения).

Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада

В случае, если сопротивление R и будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять сопротивление R и при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить по следующей формуле:

(6)

Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером

Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик транзистора приведен на рисунке 9.

Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора

К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.

Дата последнего обновления файла 31.05.2018

Литература:

Вместе со статьей «Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)» читают:

http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/

http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 6.13:

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I Б , и напряжение на базе относительно эмиттера U БЭ, а выходными характеристиками будут ток коллектора I К и напряжение на коллекторе U КЭ . Для любых напряжений:

Отличительной особенностью режима работы с ОЭ является одинаковая полярность напряжения смещения на входе (базе) и выходе (коллекторе): отрицательный потенциал в случае pnp -транзистора и положительный в случае npn -транзистора. При этом переход база-эмиттер смещается в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:
. В схеме с общим эмиттером дляpnp -транзистора (в соответствии с первым законом Кирхгофа) (6.1):
, отсюда получим:

Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером . Обозначим этот коэффициент знаком β , итак:

Коэффициент передачи тока для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I К при изменении тока базы I Б. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α β будет существенно больше единицы (β >>1). При значениях коэффициента передачи α =0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β =50÷100.

6.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим ВАХ pnp -транзистора в режиме ОЭ (рис. 6.13, 6.14).

При U КЭ =0
. Сувеличением напряжения U БЭ концентрация на переходе ЭБ растет (рис. 6.15,а), градиент концентрации инжектированных дырок растет, диффузионный ток дырок, как и в прямо смещенном pn -переходе, растет экспоненциально (т. А) и отличается от тока эмиттера только масштабом (6.36).

При обратных напряжениях на коллекторе и фиксированном напряжении на ЭП |U БЭ | (рис. 6.15,б) постоянной будет и концентрация дырок в базе вблизи эмиттера. Увеличение напряжения U КЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ коллекторного перехода и уменьшением ширины базы (эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе.

При этом градиент концентрации дырок в базе будут расти, что приводит к дальнейшему уменьшению их концентрации. Поэтому число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшается (возрастает коэффициент переноса ). Так как электроны для рекомбинации приходят через базовый вывод, ток базы уменьшается и входные ВАХ смещаются вниз .

При U БЭ =0 и отрицательном напряжении на коллекторе (U кб 0) ток через эмиттерный переход равен нулю, в базе транзистора концентрация дырок меньше равновесной, так как у КП эта концентрация равна нулю, а у ЭП ее величина определяется равновесным значением. Через коллекторный переход протекает ток экстрагированных из коллектора дырок I КЭ 0 .

В базе, как и в pn -переходе при обратном смещении, процесс тепловой генерации будет преобладать над процессом рекомбинации. Генерированные электроны уходят из базы через базовый вывод, что означает наличие электрического тока, направленного в базу транзистора (т. В). Это – режим отсечки , он характеризуется сменой направления тока базы.

Выходные ВАХ.

В активном режиме (|U КЭ |> |U БЭ |>0 ) поток инжектированных эмиттером дырок p экстрагируется коллекторным переходом также, как и в режиме ОБ, с коэффициентом
. Часть дырок(1-α)  p рекомбинирует в базе в электронами, поступающими из омического контакта базы.

При увеличении тока базы отрицательный заряд электронов уменьшает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базе.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I Б вызывают значительные изменения коллекторного тока I К. Значение коэффициента β , существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

По аналогии с (6.34) можно записать:

Учитывая (6.1):
, получим:

Учитывая, что

, а

где — сквозной тепловой ток отдельно взятого коллекторногоpn -перехода в режиме оторванной базы (при
, т. С, режим отсечки ). За счет прямого смещения базового перехода (рис. 6.16) ток
много больше теплового тока коллектора I к 0 .

Рис. 6.16 U БЭ =const,U КЭ – переменное

В режиме насыщения база должна быть обогащена неосновными носителями. Критерием этого режима является равновесная концентрация носителей на КП (U КБ =0 ). В силу уравнения U КЭ = U КБ + U БЭ, равенство напряжения на коллекторном переходе нулю может иметь место при небольших отрицательных напряжениях между базой и эмиттером. При U КЭ 0 иU БЭ U КЭ U БЭ ) U КБ меняет свой знак, сопротивление коллекторного перехода резко уменьшается, коллектор начинает инжектировать дырки в базу. Поток дырок из коллектора компенсирует поток дырок из эмиттера. Ток коллектора меняет свой знак (на выходных ВАХ эта область обычно не показывается).

При больших напряжениях на коллекторе возможен пробой коллекторного перехода за счет лавинного умножения носителей в ОПЗ (т. D). Напряжение пробоя зависит от степени легирования областей транзистора. В транзисторах с очень тонкой базой возможно расширение ОПЗ на всю базовую область (происходит прокол базы).

Сравнивая выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ и ОБ (рис. 6.17), можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с ОЭ имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, переход в режим насыщения наблюдается при отрицательных напряжениях на коллекторе.

Рост тока коллектора с увеличением U КЭ определяется уменьшением ширины базы. Коэффициенты переноса æ и передачи тока эмиттера α растут, но коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ
растет быстрееα . Поэтому при постоянном токе базы ток коллектора увеличивается сильнее, чем в схеме с ОБ.

Рис. 6.23 Выходные характеристики pnp -транзистора

а – в схеме с ОБ, б – в схеме с ОЭ

6.3 Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Если входная и выходная цепи имеют общим электродом коллектор (ОК) и выходным током является ток эмиттера, а входным ток базы, то для коэффициента передачи тока справедливо:

Вв таком включении коэффициент передачи тока несколько выше, чем во включении ОЭ, а коэффициент усиления по напряжению незначительно меньше единицы, так как разность потенциалов между базой и эмиттером практически не зависит от тока базы. Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы, поэтому каскад, построенный на основе транзистора с ОК, называют эмиттерным повторителем . Однако этот тип включения используется сравнительно редко.

Сопоставляя полученные результаты, можно сделать выводы :

Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по напряжению, так и по току, У нее самое большое усиление по мощности. Отметим, что схема изменяет фазу выходного напряжения на 180. Это самая распространенная усилительная схема.

Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема с ОЭ), но не усиливает ток. Фаза выходного напряжения по отношению к входному не меняется. Схема находит применение в усилителях высоких и сверхвысоких частот.

Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но усиливает ток. Основное применение данной схемы — согласование сопротивлений источника сигнала и низкоомной нагрузки.

§3. Основные схемы включения транзисторов.

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.

Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом(выходом) понимают точки, между которыми действует входное(выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером(ОЭ), общим коллектором(ОК), общей базой(ОБ). Вместо слов с «с общим» иногда говорят «с заземлённым», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах одинаков, но свойства схем различны.

Различают статическийрежим транзистора, при котором на его электроды поданы только напряжения от источников питания, идинамический, при котором кроме этих напряжений на вход транзистора подаётся усиливаемый сигнал, а в цепь выходного электрода включено сопротивление нагрузки. В данном параграфе рассматривается статический режим транзистора и соответствующие этому режиму статические характеристики и параметры транзистора.

Статические характеристики транзистора представляют собой зависимости тока в цепи одного из электродов от изменяющегося питающего напряжения на этом электроде при неизменном питающем напряжении на другом электроде или токе в цепи последнего. Различают входные и выходные характеристики транзисторов. Входные характеристики определяют связь входного тока и входного напряжения, при постоянном выходном напряжении. Несколько одноимённых статических характеристик снятых при различных значениях поддерживаемой постоянной третьей величины и построенных в одной общей системе координат, называют семейством статических характеристик.

Включение транзистора с общей базой (ОБ)

На рис. 6 приведена схема включения транзистора с общей базой.

В схеме с общей базой семейство входных статических характеристик – это зависимости I_Э= f(U_ЭБ), при U_КБ= const

Рис. 7 – Семейство входных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Типичное семейство входных характеристик для маломощногоn-p-nтранзистора показано на рис. 7. Отрицательные значения напряженияU_ЭБсоответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика дляU_КБ = 0 практически совпадают с характеристикойp-nперехода. В активном режиме(U_ЭБ< 0, U_КБ> 0)сдвиг характеристик при изменении напряжения на коллекторе обусловлен эффектом Эрли: с ростомU_КБпри постоянном токеI_Эпрямое напряжение эмиттерного перехода снижается и характеристика сдвигается влево. В режиме насыщения(U_ЭБ< 0, U_КБ< 0) кроме тока инжекции через эмиттерный переход течёт встречный ток электронов, инжектированных в базу из коллектора. При постоянном напряженииU_ЭБс ростом по модулю напряженияU_КБвстречный ток увеличивается, а полный эмиттерный ток уменьшается, то есть приU_КБ< 0 характеристики сдвигаются вниз относительно характеристикиU_КБ = 0.

Выходные характеристики– это зависимости выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Для схемы с общей базой семейство выходных характеристикn-p-nтранзистора представлено на рис. 8; здесь параметром служит ток эмиттера:

I_K= f(U_КБ), при I_Э = const

Область характеристик при U_КБ > 0соответствует активному режиму, гдеI_К ≈ αI_Э, так какα = 1, тоI_К ≈ I_Э. Область характеристик приU_КБ< 0 относится к режиму насыщения, где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально возрастает его ток инжекции, направленный противоположно току коллектора, поэтому полный токI_Куменьшается и может даже изменить направление.

При больших напряжениях U_КБток резко увеличивается вследствие пробоя коллекторного перехода. Для коллекторного перехода характерен лавинный пробой, что объясняется низкой концентрацией примесей в коллекторе.

В семействе выходных характеристик для транзистора, включённого по схеме с общей базой, нет характеристики соответствующей I_Э= 0. ПриI_Э= 0 в базу из эмиттера не поступают дырки и в цепи коллектора протекает только обратный токI_КБ0, который настолько мал, что сливается с горизонтальной осью.

Слабая зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения свидетельствует об очень высоком выходном сопротивлении транзистора подключённого по схеме с общей базой:

, при I_Э = const.

Для транзисторов малой мощности R_вых.бимеет порядок сотен тысяч Ом, а для некоторых типов транзисторов может даже превышать 1 МОм.

Из характеристик рис. 7 видно, что малые изменения эмиттерного напряжения вызывают значительные приросты тока эмиттера. Это говорит о том, что транзистор, включённый по схеме с общей базой, имеет малое входное дифференциальное сопротивление.

, приU_КБ = const

Для транзисторов малой мощности R_вх.бсоставляет единицы – десятки Ом.

Транзистор, включённый по схеме с общей базой, характеризуется также дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера(просто коэффициент передачи):

, приU_КБ= const

Поскольку всегда ΔI_K < ΔI_Э, α < 1 (α = 0,96…0,99),то есть транзистор, включённый по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Но в то же время он обладает способностью усиления по напряжению и мощности. Это может быть объяснено следующим образом. Входное сопротивление транзистора мало. Поэтому с помощью малого прироста входного напряжения ΔU_ЭБможно получить значительный прирост тока ΔI_Э. Этот прирост тока почти полностью передаётся в коллекторную цепь:ΔI_K ≈ ΔI_Э. Благодаря тому, что выходное сопротивление транзистора велико и напряжение коллекторного источникаЕ_К>> Е_Э (Е₂>>Е₁),в коллекторную цепь можно включить нагрузочное сопротивлениеR_K, во много раз превышающее входное сопротивление транзистора, от этого прирост коллекторного тока практически не уменьшается. Прирост коллекторного токаΔI_Kсоздаст прирост падения напряжения на нагрузочном резисторе примерно во столько же раз больший, чем прирост входного напряжения, во сколько разR_K> R_вх.б. При этом возникает такой же по величине, но с обратным знаком прирост падения напряжения на коллекторе = ΔI_KR_K.

Коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

К_U_б=

Таким образом, транзистор даёт возможность перейти от цепи малым сопротивлением к цепи с большим сопротивлением, но практически с тем же приростом тока, т.е. транзистор как бы преобразует сопротивление цепи. Наличие усиления по напряжению при ΔI_K≈ΔI_Эозначает, что транзистор вносит также усиление по мощности.

Выводы:

В схеме с общей базой входная характеристика представляет собой характеристику p-nперехода при прямом включении.
Входное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с общей базой мало, т.к. малые изменения напряжения на эмиттере вызывают значительные приросты тока эмиттера.
В схеме с общей базой коллекторное напряжение влияет на ток эмиттера. Причём с повышением (по абсолютному значению) коллекторного напряжения ток эмиттера увеличивается (входная характеристика сдвигается влево).
У транзисторной схемы с общей базой ток коллектора очень слабо зависит от коллекторного напряжения. Это означает что выходное сопротивление транзисторной схемы с общей базой очень велико.
Транзистор, включённый по схеме с общей базой, вносит усиление по напряжению и мощности.
Схема не даёт усиления по току.
из-за малого входного сопротивления схема включения транзистора с общей базой потребляет относительно большой ток от источника сигнала.
Чрезмерное большое выходное сопротивление затрудняет согласование с нагрузкой.

Включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

На рис. 9 приведена схема включения транзистора с общим эмиттером.

Рис. 9 Схема включения транзистора с общим эмиттером

Указанные недостатки устраняются, если источник эмиттерного напряжения, а в рабочем (положении и источник сигнала) включить не в эмиттерный, а в базовый провод (рис.9). В этом случае общей точкой подключения входных и выходных транзистора является вывод эмиттера. При таком включении транзистора воздействие приростов напряжения источника Е_б(Е₁) на эмиттерный переход(а значит и на ток эмиттера) остаётся по существу тем же, что и в схеме с общей базой, поскольку они также приложены между выводами эмиттера и базы. Но теперь источник включён в участок входной цепи с малым током базы. Последний в данном случае является входным токоми поэтому усилительное свойствоVTв схеме с ОЭ характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока Б :

при

Но .

В свою очередь , .

Подставив значение в выражение для , получим

При при Т.о.,VT,вкл. по схеме с ОЭ, усиливает приращение тока Б (амплитуду тока сигнала) в десятки раз. Усиление по напряжению в данной схеме остаётся примерно таким же, как и в схеме с ОБ, т.е. порядка десятков. Поэтому коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ

Дифференциальное входное сопротивление VTв схеме с ОЭ:

при

значительно больше, чем в схеме с ОБ (сотни Ом.), т.к. при одном и том же приросте напряжения на Эом переходе прирост тока Б много меньше прироста тока Э.

Выходное сопротивление VTв схеме с ОЭ:

при

меньше, чем в схеме с ОБ (десятки кОм.), поскольку один и тот же прирост К-го напряжения в схеме с ОЭ вызывает больший прирост К-го тока, чем в схеме с ОБ. Объясняется это тем, что в схеме с ОЭ небольшая часть напряжения К-го источника (а также приростов К-го напряжения) прикладывается к Э-му переходу (“-” к Э непосредственно, а “+” через К и К-ый переход к Б) [для VTn-p-n]. При этом, например, повышениеUкэ на ΔUкэ вызывает дополнительное понижение φ-го барьера в Э-ом переходе, что приводит к повышению токов Э и К.Кроме того, повышениеUкэ приводит и к увеличениюUкБ , а от этого расширяется К-ый переход , что, в свою очередь приводит к понижению тока базы, ноRвыхэ определяется при условииIБ=const.Поэтому для восстановления прежнего значенияIБ приходится несколько повысить напряжениеUБэ, а от этого возрастают токиIэ иIк.

Входная статическая характеристика для схемы с ОЭ представляет собой зависимость тока Б от напряжения на Б при неизменном напряжении на К:

IБ=f (UБэ) при Uкэ=const.

Рассматривая зависимость тока Б от напряжения на Б, следует иметь в виду, что последнее воздействует на ток Б не непосредственно, а, как и в схеме с ОБ, через ток Э.Так, например, повышение UБэ вызовет увеличениеIэ.При этом за счёт роста составляющихIэnиIэрек увеличется и ток Б.

Рис. 11 – Семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ

Сравнивая входные статические характеристики VTв схеме с ОЭ с одноимёнными характеристиками для схем с ОБ, можно заметить некоторые различия между ними:

1.В схеме с ОЭ К-ое напряжение не увеличивает входной ток (Б),а уменьшает его, то есть смещает характеристику вправо.

2.Входные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при наличии К-го напряжения, имеют отрицательный участок (IБ<0).При малых значениях напряжения на Б (на Э-ом переходе) суммарный ток, образованный составляющими тока БIэnиIэрек, оказывается меньше встречной составляющей-токаIкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением токаIкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением токаIкБо, тоесть втекает в Б.Входная характеристика пересекает горизонтальную ось в точке, для которой выполняется равенство:

Iэn+Iэрек = -IкБо.

Выходная статическая характеристика VT, включённого по схеме с ОЭ (рис.11), представляет собой график зависимости тока К от напряжения на К при неизменном токе Б:

Iкэ=f(Uкэ) при IБ=const.

Поскольку при Uкэ=0 ток К представляет собой диффузионный ток, протекающий в обратном направлении, статические выходные характеристики начинаются не с нуля, а с некоторого отрицательного значения тока.

К-ые характеристики в схеме с ОЭ имеют заметно больший угол наклона к горизонтальной оси, чем в схеме с ОБ. Это говорит о меньшем сопротивлении VTпо сравнению со схемой ОБ.

Выводы:

1.В отличие от схемы с ОБ схема с ОЭ наряду с усилением по напряжению даёт также усиление по току. Поэтому усиление по мощности в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ.

2.VT, включённый по схеме с ОЭ, имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений, чем в схеме с ОБ.

3.Благодаря указанным преимуществам схемы с ОЭ находит наибольшее применение на практике.

Схема включения с общим коллектрором (ОК)

Статические характеристики ОЭ и ОК примерно одинаковые.

В отличие от схемы с ОЭ в схеме с ОК нагрузочный резистор включают не в цепь К, а в цепь Э и выходное напряжение снимают не с К VT, а с указанного нагрузочного резистора в цепи Э (рис. 12). Особенность данной схемы состоит в том, что входные и выходные напряжения сигнала действуют в одной цепи Б-Э. Причём приросты напряжения, создаваемые источником с-ла, вызывают близкие по значению приросты падения напряжения на нагрузочном резистореRэ, но противоположной полярности. Поэтому непосредственно между Б и Э будет приложена разность указанных приростов напряжения, которая во много раз меньше прироста напряжения источника с-ла, поступающего на БVTв отсутствиеRэ, то есть в схеме с ОЭ. Соответственно будут меньшими и приросты токов вVT, в частности тока Б. Последним объясняется то, что схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включениеVTдифференциальное входное сопротивление (Rвх.к. может

при Uкэ=const.

составлять десятки кОм.).Выходное сопротивление схемы с ОК наименьшее из всех схем включения VTа (десятки-сотни Ом.). Очевидно, что в данной схеме прирост падения напряжения наRэ, то естьUвых всегда меньшеUвх. Это означает, что схема с ОК не даёт усиления по напряжению. В то же время схема с ОК даёт усиление по току и мощности. Статические характеристикиVTснимаются при отсутствии нагрузочного резистора (Rк=Rэ=0). Но в этом случае схема с ОК превращается в схему с ОЭ. Поэтому статические характеристики для схемы с ОК те же, что и для схемы с ОЭ.

Выводы:

1.Схема с ОК вносит усиление по IиP, но не даёт усиление по напряжению.

2.Схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включения VTвходное и наименьшее выходное сопротивление.

Для удобства сравнения основные свойства всех трёх схем включения транзисторов сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов.

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
Ki	Десятки-сотни	Немного меньше 1	Десятки-сотни
Ku	Десятки-сотни	Десятки-сотни	Немного меньше 1
Kp	Сотни-десятки тысяч	Десятки-сотни	Десятки-сотни
Rвх	Сотни Ом.- единицы кОм.	Единицы-десятки Ом.	Десятки-сотни кОм.
Rвых	Единицы-десятки кОм.	Сони кОм.- единицы МОм.	Сотни Ом.- единицы кОм.
Фазовый сдвиг между Uвых иUвх.	180°	0	0

Усилительный каскад с общим коллектором

Добавлено 5 октября 2017 в 18:40

Сохранить или поделиться

Наш следующий в изучении тип включения транзистора немного проще для вычисления коэффициентов усиления. Так называемая схема с общим коллектором показана на рисунке ниже.

В схеме с общим коллектором и вход, и выход используют коллектор (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Конфигурация этого каскада называется схемой с общим коллектором, потому что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку (рисунок ниже).

Общий коллектор: входной сигнал подается на базу и коллектор, выходной сигнал берется со схемы эмиттер-коллектор

Должно быть очевидно, что через резистор нагрузки, помещенный в цепь эмиттера, в схеме усилителя с общим коллектором протекают как ток базы, так и ток коллектора. Поскольку через вывод эмиттера транзистора протекает самое большое значение тока (сумма токов базы и коллектора, которые всегда объединяются вместе для формирования тока эмиттера), было бы разумным предположить, что этот усилитель буде иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно правильное: коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором довольно большой, больше, чем в любом другом типе схемы транзисторного усилителя. Однако это не совсем то, что его отличает от других типов схем транзисторных усилителей.

Давайте сразу же перейдем к SPICE анализу этой схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникального в этом типе включения транзистора. Схема и список соединений приведены ниже.

Схема усилительного каскада с общим коллектором для SPICE

common-collector amplifier 
vin 1 0 
q1 2 1 3 mod1   
v1 2 0 dc 15    
rload 3 0 5k    
.model mod1 npn 
.dc vin 0 5 0.2 
.plot dc v(3,0) 
.end

Общий коллектор: напряжение на выходе меньше напряжения на входе на 0,7 В (на падение напряжения V_БЭ)

В отличие от усилительного каскада с общим эмиттером из предыдущего раздела, схема с общим коллектором создает выходное напряжение в прямой, а не в обратной пропорции к возрастающему входному напряжению. Смотрите рисунок выше. По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, тщательный анализ показывает, что выходное напряжение почти идентично входному, отставая от него примерно на 0,7 вольта.

Это уникальная особенность усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. При рассмотрении с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного изменения величины входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов с любым значением β и для любых сопротивлений нагрузки.

Понять, почему выходное напряжение в схеме с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению, очень просто. Обратившись к модели транзистора на базе диода и источника тока (рисунок ниже), мы увидим, что ток базы должен протекать через PN-переход база-эмиттер, который эквивалентен обычному выпрямляющему диоду. Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном режиме или режиме насыщения), падение напряжения на нем будет равно примерно 0,7 вольта (предполагаем, что транзистор кремниевый). Это падение 0,7 вольта во многом не зависит от реальной величины тока базы; таким образом, мы можем считать его постоянным.

Эмиттерный повторитель: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (меньше на величину падения напряжения база-эмиттер, 0,7 вольта) (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Учитывая полярности напряжений на PN-переходе база-эмиттер и на резисторе нагрузки, мы видим, что одни должны складываться вместе, чтобы в соответствии с законом напряжений Кирхгофа равняться входному напряжению. Другими словами, напряжение на нагрузке всегда будет примерно на 0,7 вольта меньше входного напряжения при всех условиях, когда транзистор проводит ток. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 вольта, а насыщение – при входном напряжении выше напряжения батареи (источника питания) плюс 0,7 вольта.

Поэтому схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель, поскольку напряжения на эмиттерной нагрузке почти повторяют напряжения на входе.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного напряжения также требует использования «смещения» входного сигнала: постоянное напряжение должно быть добавлено к входному сигналу переменного напряжения, чтобы удерживать транзистор в активном режим в течение всего периода синусоиды входного сигнала. Когда смещение будет добавлено, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.

Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

common-collector amplifier
vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)
vbias 4 0 dc 2.3
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 dc 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.tran .02m .78m
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал повторяет входной. Амплитуда выходного сигнала такая же, как и у входного. Тем не менее, уровень постоянной составляющей смещается вниз на падение напряжения V_БЭ.

Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель): выход V(3) повторяет вход V(1), но ниже на V_БЭ = 0,7 вольта

Вот еще один вид схемы (рисунок ниже) с осциллографами, подключенным к нескольким интересным точкам.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен 1

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления по напряжению (на самом деле, коэффициент усиления по напряжению у нее чуть меньше 1), ее единственным усиливающим фактором является ток. Коэффициент усиления по току схемы усилителя с общим эмиттером, рассмотренной в предыдущем разделе, равен β транзистора, поскольку входной ток проходит через базу, а выходной ток (ток нагрузки) – через коллектор, а β – это и есть отношение тока коллектора к току базы. Однако в схеме с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, следовательно, ток через неё равен току эмиттера. В схеме протекает два тока: ток от эмиттера к коллектору и ток базы. Через нагрузку в этом типе схемы усилителя протекают оба этих тока: ток коллектора плюс ток базы. Это дает коэффициент усиления по току, равный β плюс 1.

\[A_I = { I_{эмиттер} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} + I_{база} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} \over I_{база} } + 1\]

\[A_I =\beta + 1\]

Опять же, PNP транзисторы так же можно использовать в схеме с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Расчеты усиления одинаковы, равно как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственное различие заключается в полярностях напряжений и направлениях токов (рисунок ниже).

PNP версия усилительного каскада с общим коллектором

Популярное применение усилителя с общим коллектором – стабилизированные источники питания постоянного напряжения, где нестабилизированное (изменяющееся) постоянное напряжение источника фиксируется на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны уже выполняют эту функцию по стабилизации напряжения (рисунок ниже).

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Однако при использовании этой схемы стабилизатора непосредственно для питания нагрузки величина тока, которая может быть подана на нагрузку, обычно очень сильно ограничена. По сути, эта схема стабилизирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток на последовательном резисторе на уровне достаточно высоком, чтобы на нем упало всё избыточное напряжение источника, при этом и стабилитрон, если необходимо, потребляет ток, чтобы напряжение на нем было постоянным. Для сильноточных нагрузок простой стабилизатор напряжения на стабилитроне должен будет пропускать через стабилитрон большой ток, чтобы эффективно стабилизировать напряжение на нагрузке в случае сильных изменений сопротивления нагрузки или напряжения источника.

Одним из популярных способов увеличения допустимой величины тока, подаваемого на нагрузку, в подобных схемах является использование транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, для усиления тока нагрузки так, чтобы цепь стабилитрона работала только с той величиной тока, которая необходима для подачи на базу транзистора (рисунок ниже).

Применение схемы с общим коллектором: стабилизатор напряжения (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Есть только одна оговорка: напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 вольта меньше напряжения стабилитрона из-за падения напряжения на PN переходе транзистора база-эмиттера. Так как эта разница в 0,7 вольта довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, в реальной схеме стабилитрон может быть выбран с номинальным напряжением на 0,7 вольта выше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.

Иногда в конкретном приложении со схемой с общим коллектором бывает недостаточно высокого коэффициента усиления по току одиночного транзистора. Если это так, то несколько транзисторов могут быть объединены в популярную схему, известную как пара Дарлингтона, являющуюся просто расширением концепции схемы с общим коллектором (рисунок ниже).

NPN пара Дарлингтона

Пары Дарлингтона, по сути, ставят один транзистор в качестве нагрузки другого транзистора по схеме с общим коллектором, тем самым перемножая их собственные коэффициенты усиления по току. Ток базы верхнего левого транзистора усиливается на эмиттере этого транзистора, который напрямую соединен с базой нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:

\[A_I = (\beta_1 + 1)(\beta_2 + 1)\]

где

β₁ – бета первого транзистора;
β₂ – бета второго транзистора;

Если вся сборка включена по схеме с общим коллектором, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему равен почти 1, хотя напряжение на нагрузке будет на 1,4 вольта меньше входного напряжения (рисунок ниже).

В схеме усилителя с общим коллектором на паре Дарлингтона теряется удвоенное напряжение V_БЭ, падение напряжение на PN переходах

Пары Дарлингтона могут быть приобретены как отдельные устройства (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, что может быть получено на паре, можно собрать и триплет, и квадруплет Дарлингтона.

Подведем итоги:

Усилительный каскад с общим коллектором называется так потому, что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку.
Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель.
Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет синфазно с входным напряжением, что делает каскад с общим коллектором неинвертирующим усилителем.
Коэффициент усиления по току у усилителя с общим коллектором равен β плюс 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на самом деле, чуть меньше).
Пара Дарлингтона представляет собой пару транзисторов, «переплетающихся» друг с другом так, чтобы эмиттер одного из них был источником тока для базы другого по схеме с общим коллектором. Результатом является общий коэффициент усиления по току равный произведению их собственных коэффициентов усиления по току (β плюс 1).

Оригинал статьи:

Биполярный транзисторКаскад с общим коллекторомКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеПара ДарлингтонаЭлектроникаЭмиттерный повторитель

Сохранить или поделиться

Схемы включения биполярных транзисторов

Электроника Схемы включения биполярных транзисторов

просмотров — 119

При использовании транзисторов различают две электрические цепи: входная, в которую включается источник сигнала, и выходная, в которую включается нагрузка. Для получения двух замкнутых цепей при трех выводах транзистора один их этих выводов делают общим для входной и выходной цепей. По этой причине имеется три возможные схемы включения биполярного транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК). Каждая из этих схем включения имеет свои особенности, достоинства и недостатки.

Рис. 19 Схема с ОБ

В схеме с ОБ (Рис.19) эмиттер является входным электродом, коллектор – выходным, а база общим, в связи с этим:

Iвх = Iэ; Iвых = Iк; Uвх = Uэб; Uвых = Uкб.

Учитывая, что Iэ – прямой ток и Iк = Iэ; Uэб – прямое напряжение; Uкб – обратное напряжение, можно получить:

Коэффициент передачи потоку Кт =ΔIк / ΔIэ< 1 = 0,95…0,99;

Коэффициент передачи по напряжению Кн = ΔUкб / ΔUэб — сотни раз;

Коэффициент передачи по мощности Км = К –сотни раз;

Входное сопротивление Rвх = ΔUэб / ΔIэ — единицы – десятки Ом.;

Выходное сопротивление Rвых = ΔUкб / ΔIк — десятки – сотни Ом.

Рис. 20 Схема с ОЭ

В схеме с ОЭ (Рис.20) база является входным электродом, коллектор – выходным, эмиттер – общим, в связи с этим:

Iвх = Iб; Iвых = Iк; Uвх = Uэб; Uвых = Uкэ.

Учитывая, что Iб в десятки – сотни раз меньше Iк, Iэ – прямой ток; Iк = Iэ; Uэб – прямое напряжение; Uкб – обратное напряжение и Uкэ = Uкб, можно получить:

Коэффициент передачи потоку Кт = ΔIк / ΔIб — десятки – сотни раз;

Коэффициент передачи по напряжению К = ΔUкэ / ΔUэб — сотни раз;

Коэффициент передачи по мощности Км = вК – тысячи – десятки тысяч раз;

Входное сопротивление Rвх =ΔUэб / ΔIб — сотни Ом – единицы кОм.;

Выходное сопротивление Rвых = ΔUкэ / ΔIк — единицы — десятки кОм.

Рис. 21 Схема с ОК

В схеме с ОК (Рис.21) входным электродом является база, выходным эмиттер, коллектор – общим, в связи с этим:

Iвх = Iб; Iвых = Iэ; Uвх = Uбк; Uвых = Uэк.

Учитывая, что Iэ – прямой ток, Iб в десятки – сотни раз меньше Iэ и Iк = Iэ; Uэк = Uбк; Uкб – обратное напряжение, можно получить:

Коэффициент передачи потоку Кт = ΔIэ / ΔIб десятки – сотни раз;

Коэффициент передачи по напряжению К = ΔUкэ / ΔUбк < 1 = 0,95…0,99;

Коэффициент передачи по мощности Км = К – десятки — сотни раз;

Входное сопротивление Rвх = ΔUбк / ΔIб — десятки Ом.;

Выходное сопротивление Rвых = ΔUкэ / ΔIэ — сотни Ом.

Режим включения транзистора без источника сигнала и нагрузки принято называть статическим.Режим включения транзистора с источником сигнала и нагрузкой принято называть динамическим.

Выводы

1. При использовании транзисторов различают две электрические цепи: входная и выходная.

2. Существуют три возможные схемы включения биполярного транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК).

3. Схема с ОБ не дает усиления по току, имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление, не меняет фазу входного напряжения.

4. Схема с ОЭ имеет большое усиление по току, напряжению, мощности; входное сопротивление мало, выходное велико. Схема с ОЭ меняет фазу входного напряжения на 180.

5. Схема с ОК не дает усиления по напряжению, имеет высокое входное и относительно малое выходное сопротивление, не меняет фазу входного напряжения.

Контрольные вопросы

1. Какую цепь схемы включения БТ называют входной, а какую выходной почему?

2. Какой электрод называют общим?

3. Перечислите основные параметры и характеристики всех схем включения.

4. Какой режим работы транзистора называю статическим, а какой – динамическим?

5. Как отличаются схемы включения БТ по коэффициентам усиления и фазе усиливаемого сигнала?

h-параметры и особенности включений биполярного транзистора

Транзисторы относятся к сложным электронным приборам. Для их исследования, а также для расчёта электронных схем, где применяют транзисторы, разработана особая методика.

В этой методике транзистор рассматривают как «чёрный ящик», не обращая внимания на его внутреннюю структуру, с двумя входными и двумя выходными зажимами, то есть как четырёхполюсник. Транзистор способен усиливать по мощности подводимые к нему сигналы, поэтому он относится к группе активных четырёхполюсников, для эквивалентных схем которых характерно наличие генераторов тока или напряжения.

Ниже,на рисунке 1, изображены теоретически рассматриваемые варианты включений биполярного транзистора.

Рисунок 1

На приведенных выше схемах включений изображено по четыре клеммы (две входных и две выходных), то есть можно сказать что каждая из них представляет собой четырёхполюсник.

При работе на малых сигналах транзистор рассматривают как линейный активный четырёхполюсник который может быть охарактеризован при помощи z, y или h – параметров. Малым сигналом считают, если при увеличении его амплитуды на 50% измеряемый параметр (z,y или h) изменяется на малую величину согласно заданной степени точности. Обычно это изменение не должно превышать 10%. Между z, y или h – параметрами есть связи, которые описываются специальными формулами перехода, в соответствующей справочной литературе. Поскольку h-параметры получили наибольшее распостранение на них и акцентируем наше внимание.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с применением h-параметров приведена ниже, на рисунке 2.

Рисунок 2

Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток I_m1 и выходное напряжение U_m2, а зависимыми переменными входное напряжение U_m1 и выходной ток I_m2можно составить систему уравнений (1), задействуя h-параметры:

_где:

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0, входное сопротивление;

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0, коэффициент обратной связи по напряжению;

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0, коэффициент передачи тока;

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0, выходная проводимость.

Входное сопротивление, h₁₁ — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению, h₁₂ – безразмерная величина, показывающая какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока (холостой ход), и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току), h₂₁— безразмерная величина, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость, h₂₂ — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

При обозначении h – параметров, внизу, в зависимости от схемы включения, к цифровым индексам добавляется буква. Для схемы с общим эмиттером это h_11Э,h_12Э,h_21Э,h_22Э; для схемы с общим коллектором — h_11К,h_12К,h_21К,h_22К ; для схемы с общей базой это h_11б,h_12б,h_21б,h_22б.

Особенности при различных схемах включения

Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.

На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.

Рисунок 3

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

С общим коллектором (ОК)

Схему с общим коллектором часто называют “эмиттерным повторителем”. Она имеет высокое входное (порядка >200кОм) и низкое выходное (порядка <10кОм) сопротивления. Эта схема не даёт усиления по напряжению. Схему с общим коллектором используют во входных каскадах усилителей для согласования двух каскадов усилителя, из которых предыдущий имеет высокое выходное, а последующий, обычно выходной каскад, — малое входное сопротивление. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Выходное напряжение на выходе схемы с ОК (рисунок 3, общий коллектор), практически повторяет напряжение на базе транзистора, с учётом величины незначительного падения напряжения на переходе эмиттер-база, отсюда и название “эмиттерный повторитель”. Благодаря высокому усилению по току, схему с ОК применяют также и для управления токами различных устройств, например соленоидов.

С общей базой (ОБ)

Схема с ОБ имеет малое входное (порядка <100 Ом) и большое выходное (порядка до 1 Мом) сопротивления. В связи с большой разницей входного и выходного сопротивлений последовательное соединений целесообразно только при трансформаторной связи между каскадами., Усиление по току отсутствует, а усиление по мощности несколько ниже чем в схеме с ОЭ. Выходное напряжение по фазе повторяет входной сигнал. Преимуществом схемы является большая линейность характеристик и большая предельная частота усиления. Поэтому схему с ОБ наиболее часто применяют для усиления высоких частот особенно в антенных усилителях, где её параметры очень хорошо согласуются при работе с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых, как правило, не превышает 100 ом.

Следует отметить, что для биполярных транзисторов характерны следующие режимы работы:

— нормальный активный режим;

— инверсный активный режим;

— режим насыщения;

— режим отсечки;

— барьерный режим.

Но, это уже отдельная и весьма ёмкая тема.

Как использовать транзистор в качестве переключателя с примерами схем

Транзистор — это электронный компонент, который также используется в качестве цифрового переключателя. Хотя работает он аналогично механическому переключателю. Но цифровой сигнал с высокой логикой управляет этим переключателем по сравнению с традиционными кнопками. Мы управляем традиционными переключателями вручную, применяя механическую силу.

Введение в транзистор

Мы разрабатываем этот цифровой переключатель, соединяя полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом.Когда мы комбинируем полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом, между ними образуется переход. Этот переход также известен как PN-переход или транзистор. Этот PN-переход контролирует поток тока через соединение. Но этот переход разрывается из-за подачи правильного напряжения смещения на контакты транзистора.

Транзисторы бывают двух типов, таких как NPN и PNP. Это трехконтактное устройство. Эти терминалы:

База (при использовании в качестве переключателя мы применяем управляющую логику к этой клемме)
Коллектор
Излучатель

Когда мы прикладываем напряжение смещения к клемме базы, PN-переход выходит из строя.После этого ток может течь между выводами коллектора и эмиттера. В противном случае прямой ток не может протекать через устройство.

можно проверить эти практичные транзисторы: 2N2222, MPSA42, 2N3906

Использование транзистора в качестве переключателя

Теперь узнаем:

Как использовать транзистор в качестве переключателя в схемах электроники
Как использовать его в качестве переключателя в проектах микроконтроллеров.

Где использовать?

В любом приложении нам нужно связать транзистор с микроконтроллером . Но вопрос, который может возникнуть у вас, зачем нам нужно сопрягать транзистор с микроконтроллером? Поскольку выводы микроконтроллера не могут обеспечивать выходной ток более 3 мА и напряжение более 5 В. Если мы хотим подключить нагрузку, требующую более высокого рабочего тока, более 3 мА, микроконтроллер сгорит. Многим выходным устройствам потребуется схема переключения транзисторов для работы с нагрузкой с высокими требованиями к току, такой как реле, соленоиды и двигатели.

Как им пользоваться?

На этой диаграмме показаны три рабочие области транзистора, такие как область насыщения, активная область и область отсечки.В области насыщения он остается полностью включенным. В отрезанной области он остается полностью отключенным. Для переключения нам нужно, чтобы это устройство работало либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. Следовательно, мы можем игнорировать точку Q и переключать ее между областями насыщения и среза.

Как работают транзисторы в качестве переключателя?

Как мы видели ранее, мы можем использовать только два региона. Теперь посмотрим, как транзистор работает в этих областях.

Область отключения также известна как полностью выключенный режим.В этом режиме он действует как разомкнутый переключатель. Чтобы устройство работало в отключенном режиме, необходимо подключить к обоим переходам напряжение обратного смещения. Следовательно, в этом рабочем состоянии ток не может течь между выводом коллектора и эмиттера из-за разрыва цепи между этими выводами.

В области насыщения транзистор остается в полностью открытом режиме. Максимальный ток, который может протекать через коллектор к эмиттеру, зависит от номинальной емкости транзистора. Мы обеспечиваем прямое смещение напряжения между базой и выводом эмиттера.Это работает как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Напряжение смещения обычно превышает 0,7 В.

Пример цифровых логических переключателей

Это устройство на основе PN-перехода имеет множество применений, таких как интерфейс с сильноточной нагрузкой, интерфейс реле и взаимодействие двигателей через микроконтроллеры. Но во всех этих приложениях основная цель — переключение.

На этой схеме показан пример управления мощными нагрузками, такими как двигатели, лампы и обогреватель.

В этой схеме мы хотим управлять нагрузкой 12 В с помощью логического логического элемента И. Но выход логического элемента И составляет всего 5 В.
Используя транзистор в качестве переключателя, мы можем управлять нагрузкой 12 В или даже высоким напряжением с помощью цифрового логического сигнала 5 В.
Мы также можем использовать эти устройства для более быстрого переключения и управление широтно-импульсной модуляцией в отличие от традиционных механических переключателей

Пример управления двигателем

В этом примере мы используем управление двигателем постоянного тока с помощью переключателя.Полупроводниковый прибор действует как переключатель. На этой схеме мы можем предоставить управляющий сигнал с любого микроконтроллера, такого как Arduino, платы разработки STM32F4.

Резистор с выводом базы является токоограничивающим резистором. Поскольку контакты GPIO любого микроконтроллера могут обеспечивать базовый управляющий ток менее 20 мА. Кроме того, D1 — это диод свободного хода, который контролирует обратную ЭДС двигателя. Обходит эффект обратной ЭДС. Мы можем использовать любой транзистор в зависимости от номинальной мощности двигателя.

В заключение, если управляющий сигнал на базовом входе равен 0 вольт. Он подаст сигнал ВКЛ. Потому что мы используем переключатель PNP в этой примерной схеме. Точно так же он останется выключенным, его управляющий сигнал будет ВЫСОКИЙ.

Транзистор

как переключатель с Arduino Пример

На этой схеме показано взаимодействие Arduino с NPN-транзистором и двигателем. Эта схема предназначена только для демонстрационных целей. Потому что мы обеспечиваем питание нагрузки через питание Arduino.В этом примере мы можем управлять только 5-вольтовым двигателем постоянного тока. Если вам нужно управлять двигателем большой мощности, следует использовать специальный силовой транзистор и отдельный блок питания.

Транзистор как переключатель Пример моделирования Proteus

Этот пример является точной копией предыдущей схемы. Но вместо него используется транзистор NPN. Следовательно, управляющие сигналы будут действовать наоборот.

Транзистор как переключатель Примеры

В этом разделе мы увидим различные примеры использования транзистора в качестве переключателя.

Два транзистора в качестве переключателя Пример

В этой схеме два транзистора. В первом транзисторе база заземлена, и ток в нее не может течь. В результате транзистор «выключен», и ток не может течь через лампочку. В другом случае ток течет в базу, поэтому транзистор включен, и ток может протекать через него, что приводит к включению лампочки.

В этом примере два резистора установлены так, что база транзистора находится под достаточно высоким напряжением, чтобы ток мог течь в нее, и, как следствие, транзистор включен.В результате ток проходит через лампочку, которая излучает свет.

Управление током базы транзистора с помощью потенциометра

В этом случае ток, протекающий в базу, можно изменять. Если ток большой, транзистор включен и лампочка горит. Если стрелка на потенциометре перемещается вниз, ток в базе падает до тех пор, пока транзистор не выключится и ток через лампочку не перестанет течь.

Управляющее реле с транзистором в качестве переключателя

В этом примере принцип такой же, как и в предыдущем примере схемы, за исключением того, что вместо включения и выключения лампочки активируется катушка реле, которая, в свою очередь, включает лампочки во вторичной цепи.

Управление работой транзисторного переключателя с помощью конденсатора

В этой примерной схеме используется конденсатор для управления током, протекающим к клемме базы транзистора. Первоначально конденсатор заряжается через резистор над ним. В конце концов верхняя пластина конденсатора достигает такого потенциала, что ток начинает течь в базу транзистора, включая транзистор и заставляя лампочку светиться.

Также следует отметить, что лампа остается выключенной до тех пор, пока внутри конденсатора не накопится достаточно заряда, который может обеспечить ток включения на вывод базы транзистора.

В этой примерной схеме конденсатор заряжается до тех пор, пока его нижняя пластина не будет иметь настолько низкий потенциал, что ток не может течь через базу транзистора. В результате транзистор сначала включен, но через некоторое время отключается. В этой и последней схемах присутствует эффект синхронизации. По прошествии определенного периода времени, который можно определить выбором резистора и конденсатора, транзистор либо включается, либо выключается.

Схема транзистора в этом примере в качестве переключателя аналогична схеме из предыдущего примера, за исключением того, что, изменяя значение переменного резистора, можно изменять время, которое проходит до включения транзистора.

Видеолекция

В приведенной выше схеме логический пробник используется в качестве входа от микроконтроллера, а диод D1 используется в качестве свободно вращающегося диода, чтобы позволить току течь, когда устройство находится в выключенном состоянии. Помните, что мы использовали 3904 только для демонстрации. При выборе транзисторов следует учитывать максимальный ток, который может протекать через транзистор во включенном состоянии. Вход микроконтроллера используется только для управления транзистором во включенном или выключенном состоянии, как показано на рисунке ниже.

Обратите внимание, что обычно к выходному устройству подключают диод подавления обратной ЭДС. Это важно для таких устройств, как реле, соленоиды и двигатели, которые создают обратную ЭДС при отключении питания.

На практике мы использовали в основном реле для сильноточных нагрузок. В этом случае транзистор, используемый для управления реле и нагрузкой, соединен с реле.

Транзистор в качестве переключателя Применения

Контроллер высоковольтных ламп, двигателей и нагревателей
Высокочастотное переключение с широтно-импульсной модуляцией
Действует как усилитель

Статьи по теме:

Как использовать транзисторы — Самодельные схемотехнические проекты

Если вы правильно поняли, как использовать транзисторы в схемах, вы, возможно, уже покорили половину электроники и ее принципов.В этом посте мы делаем попытку в этом направлении.

Введение

Транзисторы представляют собой полупроводниковые устройства с 3 выводами, которые способны проводить относительно высокую мощность через свои два вывода в ответ на значительно низкую мощность, потребляемую на третьем выводе.

Транзисторы в основном бывают двух типов: транзистор с биполярным переходом (BJT) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)

Для BJT 3 клеммы обозначаются как база, эмиттер, коллектор. .Сигнал малой мощности на выводе базы / эмиттера позволяет транзистору переключать нагрузку сравнительно высокой мощности на выводе коллектора.

Для полевых МОП-транзисторов они обозначаются как затвор, источник, сток. Сигнал малой мощности на выводе затвор / исток позволяет транзистору переключать нагрузку сравнительно высокой мощности через вывод коллектора.

Для простоты мы обсудим здесь BJT, поскольку их характеристика менее сложна по сравнению с MOSFET.

Транзисторы (BJT) являются строительными блоками всех полупроводниковых устройств, используемых сегодня.Если бы не было транзисторов, не было бы никаких микросхем или любого другого полупроводникового компонента. Даже ИС состоят из тысяч тесно связанных транзисторов, которые составляют особенности конкретного чипа.

Начинающим любителям электроники обычно трудно обращаться с этими полезными компонентами и настраивать их как схемы для предполагаемого применения.

Здесь мы изучим функции и способы использования и внедрения биполярных транзисторов в практические схемы.

Как использовать транзисторы, такие как коммутатор

Биполярные транзисторы, как правило, представляют собой трехпроводной активный электронный компонент, который в основном работает как переключатель для включения или выключения питания внешней нагрузки или связанного с ней электронного каскада схемы.

Ниже приведен классический пример, в котором транзистор подключен как усилитель с общим эмиттером:

Это стандартный метод использования любого транзистора в качестве переключателя для управления заданной нагрузкой. Вы можете видеть, когда к базе подается небольшое внешнее напряжение, транзистор включается и проводит более сильный ток через выводы эмиттера коллектора, включая большую нагрузку.

Значение базового резистора можно рассчитать по формуле:

R _b = (Базовое питание V _b — прямое напряжение база-эмиттер) x hFE / ток нагрузки

Также помните, что отрицательный или отрицательный линия заземления внешнего напряжения должна быть соединена с линией заземления транзистора или эмиттером, иначе внешнее напряжение не будет влиять на транзистор.

Использование транзистора в качестве драйвера реле

Я уже объяснял в одном из своих предыдущих постов, как сделать схему драйвера транзистора.

В основном используется та же конфигурация, что и показанная выше. Вот стандартная схема для того же:

Если вы не уверены в реле, вы можете обратиться к этой всеобъемлющей статье, которая объясняет все о конфигурациях реле.

Использование транзистора для регулятора освещенности

Следующая конфигурация показывает, как транзистор может использоваться в качестве регулятора яркости света с использованием схемы эмиттерного повторителя.

Вы можете видеть, как изменяется переменный резистор или горшок, интенсивность лампы также меняется. Мы называем это эмиттерным повторителем, потому что напряжение на эмиттере или на лампе следует за напряжением на базе транзистора.

Если быть точным, то напряжение эмиттера будет всего на 0,7 В ниже напряжения базы. Например, если базовое напряжение 6 В, эмиттер будет 6 — 0,7 = 5,3 В и так далее. Разница 0,7 В обусловлена минимальным падением прямого напряжения транзистора на базе эмиттера.

Здесь сопротивление потенциометра вместе с резистором 1 кОм образует резистивный делитель на базе транзистора. Когда ползунок потенциометра перемещается, напряжение на базе транзистора изменяется, и это, соответственно, изменяет напряжение эмиттера на лампе, и соответственно изменяется интенсивность лампы.

Использование транзистора в качестве датчика

Из приведенных выше обсуждений вы могли заметить, что транзистор выполняет одну важную функцию во всех приложениях.Он в основном усиливает напряжение на своей базе, позволяя переключать большой ток через его коллектор-эмиттер.

Эта функция усиления также используется, когда в качестве датчика используется транзистор. В следующем примере показано, как его можно использовать для определения разницы в окружающем освещении и соответствующего включения / выключения реле.

Здесь также LDR и предустановка 300 Ом / 5 кОм образуют делитель потенциала на базе транзистора.

На самом деле 300 Ом не требуется.Он включен, чтобы гарантировать, что база транзистора никогда не будет полностью заземлена, и, таким образом, она никогда не будет полностью отключена или отключена. Это также гарантирует, что ток через LDR никогда не может превысить определенный минимальный предел, независимо от того, насколько яркой является интенсивность света на LDR.

В темноте LDR имеет высокое сопротивление, которое во много раз превышает комбинированное значение 300 Ом и предустановки 5 К.

Из-за этого база транзистора получает большее напряжение со стороны земли (отрицательное), чем положительное напряжение, и его проводимость коллектор / эмиттер остается выключенной.

Однако, когда на LDR попадает достаточно света, его сопротивление падает до значения в несколько килоом.

Это позволяет базовому напряжению транзистора значительно превышать отметку 0,7 В. Теперь транзистор смещается и включает коллекторную нагрузку, то есть реле.

Как вы можете видеть, в этом приложении транзисторы в основном усиливают крошечное базовое напряжение, так что большая нагрузка на его коллекторе может быть включена.

LDR можно заменить другими датчиками, такими как термистор для измерения тепла, датчик воды для измерения воды, фотодиод для измерения инфракрасного луча и т. Д.

Вопрос к вам: Что произойдет, если поменять местами положение LDR и предустановки 300/5 K?

Пакеты транзисторов

Транзисторы обычно распознаются по внешнему корпусу, в который может быть встроено конкретное устройство. Наиболее распространенными типами корпусов, в которые помещаются эти полезные устройства, являются Т0-92, ТО-126, ТО-220 и ТО-3. Мы постараемся разобраться во всех этих характеристиках транзисторов, а также научимся использовать их в практических схемах.

Общие сведения о транзисторах TO-92 с малым сигналом:

Транзисторы, такие как BC547, BC557, BC546, BC548, BC549 и т. Д., Попадают в эту категорию.

Это самые простые устройства в группе, которые используются для приложений с низкими напряжениями и токами. Интересно, что эта категория транзисторов наиболее широко и повсеместно используется в электронных схемах из-за их универсальных параметров.

Обычно эти устройства рассчитаны на работу с напряжением от 30 до 60 вольт на коллекторе и эмиттере.

Базовое напряжение не более 6, но они могут легко срабатывать при уровне напряжения всего 0,7 В на их базе. Однако ток должен быть ограничен примерно до 3 мА.

Три вывода транзистора TO-92 можно идентифицировать следующим образом:

Если держать печатную сторону к нам, правый вывод — это эмиттер, центральный вывод — основание, а левая ножка — коллектор устройства.

ОБНОВЛЕНИЕ: Хотите знать, как использовать транзисторы с Arduino? Прочтите здесь

Как сконфигурировать транзистор TO-92 в практическую плоскость.

Транзисторы в основном бывают двух типов, типа NPN и типа PNP, оба дополняют друг друга.В основном они оба ведут себя одинаково, но в противоположных направлениях и направлениях.

Например, устройству NPN потребуется положительный триггер относительно земли, в то время как устройству PNP потребуется отрицательный триггер по отношению к положительной линии питания для достижения указанных результатов.

Трем выводам описанного выше транзистора необходимо назначить определенные входы и выходы, чтобы заставить его работать для конкретного приложения, которое, очевидно, предназначено для переключения параметра.

Выводам необходимо назначить следующие входные и выходные параметры:

Эмиттер любого транзистора является эталонной распиновкой устройства , то есть ему необходимо назначить указанное общее опорное напряжение питания, чтобы оставшиеся два вывода может действовать применительно к нему.

NPN-транзистор всегда будет нуждаться в отрицательном источнике питания в качестве опорного, подключенном к его эмиттерному выводу для правильного функционирования, в то время как для PNP это будет положительная линия питания для его эмиттера.

Коллектор — это провод, несущий нагрузку транзистора, а нагрузка, которую необходимо переключить, вводится на коллекторе транзистора (см. Рисунок).

База транзистора — это триггерный вывод, к которому требуется приложить небольшой уровень напряжения, чтобы ток через нагрузку мог проходить через линию эмиттера, замыкая схему и управляя нагрузкой.

Удаление источника питания триггера на базу немедленно отключает нагрузку или просто ток через клеммы коллектора и эмиттера.

Общие сведения о силовых транзисторах TO-126, TO-220:

Это силовые транзисторы среднего типа, используемые для приложений, требующих переключения мощных, относительно мощных нагрузок, трансформаторов, ламп и т. Д., А также для управления устройствами TO-3, например BD139, BD140, BD135 и т.п. левая сторона является основанием.

Функционирование и принцип срабатывания точно такие же, как описано в предыдущем разделе.

Устройство работает с нагрузкой от 100 мА до 2 А через коллектор до эмиттера.

Базовый триггер может иметь напряжение от 1 до 5 В с токами, не превышающими 50 мА, в зависимости от мощности переключаемых нагрузок.

Общие сведения о силовых транзисторах TO-3:

Их можно увидеть в металлических корпусах, как показано на рисунке.Типичными примерами силовых транзисторов TO-3 являются 2N3055, AD149, BU205 и т. Д.

Выводы корпуса TO-3 можно идентифицировать следующим образом:

Удерживая выводную сторону устройства к себе так, чтобы металлическая часть рядом с выводами, имеющими большую площадь, удерживается вверх (см. рисунок), правый вывод является основанием, левый вывод является эмиттером, а металлический корпус устройства образует коллектор корпуса.

Функция и принцип работы примерно такие же, как описано для малосигнального транзистора, однако характеристики мощности увеличиваются пропорционально, как указано ниже:

Напряжение коллектор-эмиттер может составлять от 30 до 400 вольт, а ток — от 10 до 30 ампер. .

Базовый триггер должен быть оптимально около 5 вольт, с уровнями тока от 10 до 50 мА в зависимости от величины нагрузки, которая должна срабатывать. Базовый ток срабатывания прямо пропорционален току нагрузки.

Есть более конкретные вопросы? Пожалуйста, задавайте их через свои комментарии, я здесь, чтобы решить их все за вас.

Время переключения транзистора

Время переключения транзистора:

Для времен переключения транзисторов скорость переключения устройства может быть важной величиной.Рассмотрим схему на рис. 8-18 (а). Когда подается базовый входной ток, транзистор не включается сразу. Как и частотная характеристика, время переключения транзисторов зависит от емкости перехода и времени прохождения электронов через переходы. Время между подачей входного импульса и началом протекания тока коллектора называется временем задержки (t _d) [см. Рис. 8-18 (b)]. Даже когда транзистор начинает включаться, проходит конечное время, прежде чем I _C достигнет своего максимального уровня.Это известно как время нарастания (t _r). Время нарастания определяется как время, необходимое для перехода I _C с 10% до 90% от его максимального уровня. Как показано, время включения (t _на) является суммой t _d и t _r.

Когда входной ток отключен, I _C не переходит в ноль до тех пор, пока не истечет время выключения t _{выключится}, состоящий из времени хранения (t _с) и время падения (t _f), как показано на рисунке.Время спада определяется как время, необходимое для перехода I _C с 90% до 10% от максимального уровня. Время хранения является результатом захвата носителей заряда в обедненной области, когда полярность перехода меняется на противоположную.

Когда транзистор находится в состоянии насыщения, переходы коллектор-база и эмиттер-база смещены в прямом направлении. При выключении оба перехода смещены в обратном направлении, и до того, как I _C начнет падать, накопленные носители заряда должны быть извлечены или заставить рекомбинировать с носителями заряда противоположного типа.

Для транзистора с быстрым переключением t _на и t _{на выключенном} должны быть порядка наносекунд. В части спецификации транзистора 2N3904 на рис. 8-19 указаны следующие времена переключения транзисторов: t _d = 35 нс, t _r = 35 нс, t _с = 200 нс и t _f = 50 нс.

Общие сведения о биполярных транзисторных переключателях

Plate 1

by Lewis Loflin

Это представляет собой широкое внедрение переключающих транзисторов PNP и NPN, ориентированных на общие 5-вольтовые микроконтроллеры.Биполярные транзисторы состоят из двух полупроводниковых переходов (таким образом, биполярных), которые служат широкому кругу электронных применений от аудиоусилителей до цифровых схем.

Здесь нас интересует только их использование в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, такими как реле, лампы, двигатели и т. Д. Они бывают разных корпусов и стилей.

Табличка 2

На Таблице 2 выше мы видим электронные символы как для NPN, так и для NPN. Они работают точно так же, за исключением противоположных электрических полярностей.Если набор транзисторов имеет точные электрические свойства, но противоположные полярности, они называются дополнительной парой .

Другой тип транзисторов известен как полевые МОП-транзисторы или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы , которые будут рассмотрены отдельно.

Табличка 3

На Таблице 3 показаны типичные электрические соединения для биполярных транзисторов PNP и NPN в системе микроконтроллера с отрицательным заземлением. Обратите внимание на то, что ток на этих иллюстрациях изменяется от отрицательного к положительному.

Обратите внимание на стрелки, обозначающие ток — с PNP ток коллектора (Ic) идет от коллектора (C) к эмиттеру (E), а NPN Ic — от эмиттера к коллектору.

Обратите внимание на положение транзисторов относительно GND, +12 В и нагрузки в этом случае двигателей постоянного тока. PNP-транзистор, работающий как переключатель для включения-выключения двигателя, расположен на стороне + Vcc нагрузки и будет источником тока.

С NPN-транзистором справа переключатель находится на стороне заземления нагрузки и, как говорят, потребляет ток.

Приемник и источник важны при подключении программируемых логических контроллеров (ПЛК), используемых для управления оборудованием в промышленности.

Нажимной переключатель Sw1 течет ток от GND через R1, и смещает в прямом направлении базу (B) относительно эмиттера. Это объединяется с током коллектора, чтобы произвести ток эмиттера обратно к источнику питания 12 В.

Нажать Sw2, это позволяет току от GND через эмиттер, который выплескивается, чтобы сформировать Ib и Ic для транзистора NPN.Это слишком прямое смещение перехода база-эмиттер. Отношения для обоих следующие:

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.

Значения hfe представляют усиление по постоянному току — небольшой ток база-эмиттер создает больший ток эмиттер-коллектор.

При использовании в качестве переключателей транзисторы используются в режиме насыщения , где дополнительный ток база-эмиттер не создает дополнительного тока коллектор-эмиттер.

Пластина 4

На четвертой пластине показано, как проверить PN-полупроводниковый переход.Диод — это самый простой полупроводниковый переход, в котором ток течет только в одном направлении. Цифровой вольтметр (DVM) должен выполнять функцию проверки диода, которая подает достаточно напряжения для прямого смещения диода, когда катодная сторона является отрицательной, а анодная — положительной.

Если провода DVM перевернуты, ток не протекает. Падение напряжения на PN-переходе с прямым смещением составляет примерно 0,6 В

Пластина 5

На пластине 5 показано, как два PN перехода в биполярных транзисторах действуют как встречные диоды.(Обратите внимание на противоположную полярность!) Ток не может течь от эмиттера-коллектора или коллектора-эмиттера. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток течет через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.

Пластина 6

На пластине 6 мы используем транзистор TIP41 NPN, рассчитанный на 6 ампер с минимальной hfe 20. Всегда принимайте наименьшее hfe из листов характеристик транзистора!

Наша нагрузка (светодиод) требует 100 мА, чтобы найти необходимый ток база-эмиттер Ib = Ic / hfe = 0.1 А / 20 = 5 мА. Я предполагаю, что Ib равен 10 мА, чтобы убедиться, что TIP41 полностью отключается (насыщение).

При вводе 5 В от Arduino, PIC и т. Д. Вычтите 0,6 В для напряжения база-эмиттер, а затем разделите 4,4 В / 10 мА = 440 Ом.

Обратите внимание, что напряжение эмиттер-коллектор на транзисторе при насыщении составляет 0,5 В.

Пластина 7

2N3055 — это транзистор очень большой мощности, предназначенный для подачи сильного тока. В этом случае мы управляем двигателем на 10 ампер. Разделите 10 ампер на 20, нам понадобится не менее 500 мА.Это никак не сработает, потому что вывод Arduino, PIC и т. Д. Просто не может обеспечить такой уровень тока привода.

Табличка 8

На рисунке 8 представлена так называемая конфигурация Дарлингтона, в которой ток коллектора-эмиттера одного транзистора обеспечивает ток база-эмиттер второго транзистора. Значения hfe для каждого транзистора равны , умноженному на вместе, чтобы получить огромное усиление по току в этом примере 2000.

Q2 также будет известен как предварительный драйвер.

Табличка 9

На Таблице 9 показано, как подключить транзистор PNP к Arduino или аналогичному микроконтроллеру. Поскольку высокое напряжение 11 В на базе Q1 разрушит вывод ввода / вывода (ограничено 5 В), мы должны использовать транзисторный переключатель NPN (Q2) в качестве предварительного драйвера.

Пластина 10

На пластине 10 мы используем высокомощный Mj2955 (дополнение к более раннему 2N3055) с транзистором TIP42 PNP для формирования транзистора Дарлингтона. Мы снова используем предварительный драйвер NPN для защиты вывода ввода / вывода микроконтроллера от высокого базового напряжения Q2.

Надеюсь, серия была полезной. Любые исправления, предложения и т. Д. Пишите мне по адресу [email protected].

Что такое переключатель нагрузки? | Основы электроники

Выключатель нагрузки — это электронный компонент, не имеющий движущихся частей, который работает как реле. Как правило, два полевых МОП-транзистора действуют как переключающий элемент, один из которых является N-канальным устройством, а другой — P-канальным устройством.

Ниже мы рассмотрим, когда этот переключающий элемент включен или выключен, и что это влечет за собой.

Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки

Когда переключатель нагрузки (Q1 на схеме ниже) включен, временно протекает большой ток, намного превышающий установившийся ток. Если заряд конденсатора близок к нулю, возникает большой бросок тока, напряжение подается на выход Vo, что приводит к мгновенному и большому заряду в протекающем токе. Этот чрезмерный ток часто называют пусковым током.

Пик пускового тока в значительной степени определяется входным напряжением Vi, Rds (on) полевого МОП-транзистора Q1 и ESR емкости нагрузки CL на стороне нагрузки и увеличивается вместе с входным напряжением Vi.Чрезмерно большой пусковой ток может вызвать сбои или неисправности системы. Превышение максимального номинального тока также может привести к разрушению.

Однако, добавляя конденсатор C2 параллельно резистору R1, подключенному между затвором и базой полевого МОП-транзистора Q1, можно замедлить снижение напряжения затвора, что постепенно уменьшит Rds (вкл.) И подавит пусковой ток.

Эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки

Меры противодействия пусковому току (когда переключатель нагрузки N-канального МОП-транзистора включен)

Nch MOSFET Переключатель нагрузки: RSQ020N03

Вин = 5 В, Io = 1 А, Q1_1G = 1 В? 12 В

Переключатель нагрузки Q1 включен, когда Q2 выключен (напряжение затвора Q1 будет больше, чем Vo (Q1 Vgs))
Переключатель нагрузки Q1 выключен, когда Q2 включен
В качестве контрмеры был добавлен C2 для минимизации пускового тока при включении Q1

Эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки на полевом МОП-транзисторе

Нч

Обратный ток при выключении переключателя нагрузки

Даже когда переключатель нагрузки Q1 переключается с ВКЛ на ВЫКЛ, напряжение на выходном выводе Vo будет оставаться в течение определенного периода времени в зависимости от емкости CL нагрузки на выходной стороне.

Если напряжение на Vi ниже, чем Vo, обратный ток может течь с выхода Vo на вход Vin через паразитный диод, сформированный между стоком и истоком полевого МОП-транзистора Q1. Убедитесь, что номинальный ток полевого МОП-транзистора Q1 никогда не превышается ни при каких обстоятельствах. Кроме того, при определении значения емкости входного шунтирующего конденсатора CIN следует учитывать время нарастания с учетом условий нагрузки.

Эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки

Страница продукта

4.7: BJT Switching and Driver Applications

Как уже упоминалось, изменение \ (\ beta \) может вызвать изменения в токе коллектора. Это может вызвать проблемы с производительностью. Например, при включении светодиода это может привести к изменению яркости. Но что, если мы намеренно введем транзистор в насыщение? Насыщенность — это фиксированное значение. Он изначально стабилен, и \ (\ beta \) больше не имеет значения. Фактически, когда BJT насыщается, \ (\ beta \) вынужден упасть до любого значения, необходимого для создания \ (I_ {C (sat)} \).Нам просто нужно убедиться, что даже самый маленький \ (\ beta \) достаточно велик, чтобы вызвать насыщение.

4.7.1: Переключатель насыщения

Хорошим примером этого является схема драйвера насыщающего светодиода, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Начнем с того, что весь смысл драйвера заключается в том, чтобы разгрузить текущую нагрузку от предыдущей схемы. Например, мы можем захотеть зажечь светодиод на выходе логического элемента или микросхемы микроконтроллера. Проблема в том, что эти схемы могут выдавать только, скажем, 5 мА, когда нам может потребоваться более 10 мА для достижения желаемой яркости.Схема драйвера светодиода используется для преодоления этого ограничения.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Схема драйвера насыщающего светодиода (положительная логика). Примечание: отрицательная клемма VCC подключена к земле (не показана).

С драйвером логической схеме потребуется только ток базы, а не ток светодиода. Вот как это работает: если логическое входное напряжение равно нулю, базовый ток не будет. Это означает, что ток коллектора не будет и, следовательно, светодиод будет выключен.На данный момент BJT находится в отключенном состоянии. Напротив, когда логический уровень становится высоким, все логическое напряжение падает на \ (R_B \), за исключением \ (V_ {BE} \). Это создает \ (I_B \). При правильной конструкции этого тока будет достаточно, чтобы перевести BJT в состояние насыщения. BJT действует как переключатель, замыкая цепь между источником постоянного тока, светодиодом и токоограничивающим резистором \ (R_C \). Чтобы это работало надежно, мы должны убедиться, что отношение тока насыщения к току базы намного меньше, чем \ (\ beta \).Значение 10 или около того гарантирует жесткое насыщение.

Если мы хотим инвертировать логику, то есть, чтобы низкий логический уровень включал светодиод, а высокий — выключал, мы можем добиться этого с помощью версии схемы PNP, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2 } \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Схема драйвера насыщающего светодиода (отрицательная логика).

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Определите ток включения светодиода для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Предположим, что логическое «включено» напряжение составляет 5 вольт, \ (V_ {LED} = 1.8 \) вольт и \ (V_ {CE (sat)} = 0 \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Сначала найдите базовый ток.

\ [I_B = \ frac {V_ {логика} -V_ {BE}} {R_B} \ nonumber \]

\ [I_B = \ frac {5 V −0,7 V} {4,7 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I_B = 915 \ mu A \ nonumber \]

Теперь найдите \ (I_ {C (sat)} \), убедившись, что BJT находится в насыщении. Это будет ток светодиода.

\ [I_ {C (sat)} = \ frac {V_ {CC} −V_ {LED}} {R_C} \ nonumber \]

\ [I_ {C (sat)} = \ frac {5 V − 1.8V} {330 \ Omega} \ nonumber \]

\ [I_ {C (sat)} = 9,7 мА \ nonumber \]

Соотношение этих двух токов чуть больше 10: 1. Это гарантирует жесткое насыщение.

Для насыщающих переключателей существует множество различных применений. Практически везде, где вы можете представить, что используется реле, вы можете рассмотреть транзисторный переключатель. Транзисторный переключатель имеет преимущества небольшого размера, отсутствия изнашиваемых движущихся частей и очень высокой скорости переключения.Реле имеют преимущество при очень высоких токах. На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан пример прямого электропривода с использованием переключателя BJT с насыщением.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Прямой привод двигателя постоянного тока.

Эта схема используется для управления скоростью двигателя постоянного тока с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией. Скорость двигателя будет зависеть от приложенного к нему среднего напряжения. Хитрость здесь в том, что вместо того, чтобы прикладывать к двигателю постоянное переменное напряжение, мы применяем серию импульсов различной ширины.Этих импульсов достаточно для насыщения BJT, заставляя его работать как переключатель. Эти импульсы настолько быстрые, что двигатель не запускается и не останавливается, а инерция поддерживает его работу. Вместо этого двигатель реагирует на усредненное значение этих импульсов. Если импульсы узкие и широко разнесены, среднее значение будет низким, а скорость двигателя будет низкой. Если импульсы широкие и расположены близко друг к другу, среднее значение будет высоким, а скорость двигателя будет высокой.

Резистор и конденсатор в базе используются для формирования входящего импульса для повышения производительности.Диод в обмотке двигателя особенно важен. Он называется демпфирующим диодом ¹. Без этого переключающий транзистор может испытывать большие и разрушительные переходные всплески. И вот почему: предположим, что BJT включен и работает полностью. Этот ток представляет собой тот же ток, протекающий через якорь двигателя, который представляет собой не более чем огромную катушку с проволокой. Это означает, что он имеет большую индуктивность. Когда мы выключаем транзистор, мы пытаемся отключить ток якоря, но ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно.В результате обмотка теперь генерирует большое обратное напряжение (также называемое «индуктивным толчком») непосредственно на BJT. То есть обмотка на мгновение появляется как источник высокого напряжения противоположной полярности, и через KVL этот потенциал передается от коллектора к эмиттеру. Это может повредить BJT. Демпфирующий диод эффективно замыкает обмотку при изменении полярности напряжения, предотвращая появление больших скачков напряжения. В остальное время диод смещен в обратном направлении и фактически отключен от цепи.

4.7.2: Драйвер ненасыщения

Также можно создать переключатель или драйвер, который не насыщает. Пример ненасыщающего драйвера светодиода показан на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Схема драйвера светодиода без насыщения (положительная логика).

Преимущество этой схемы в том, что она требует меньшего тока от логической схемы. К сожалению, он также демонстрирует более высокое рассеивание мощности транзистора и требует источника постоянного тока, который превышает логический уровень.Операция выглядит следующим образом: Как и в драйвере насыщения, если логический уровень равен нулю, в цепи база-эмиттер нет подъема, и ток коллектора также будет равен нулю. При высоком логическом напряжении через KVL вокруг контура база-эмиттер все входное логическое напряжение падает на \ (R_E \), за исключением \ (V_ {BE} \). Это создает \ (I_E \), который практически совпадает с \ (I_C \) (который есть \ (I_ {LED} \)).

Эта схема «программирует» ток эмиттера через резистор и логическое напряжение.Поэтому он фиксирован и стабилен. Этот процесс иногда называют начальной загрузкой. Можно сказать, что напряжение эмиттера «самонастраивается» в пределах 0,7 В от уровня логического входа, поддерживая его стабильным ². В любом случае, если \ (\ beta \) изменяется, это вызовет обратное изменение \ (I_B \) без изменения \ (I_C \). Версия PNP с отрицательной логикой также возможна и оставлена в качестве упражнения.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Определите ток включения светодиода для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).Предположим, что логическое «включено» напряжение составляет 5 вольт, \ (V_ {LED} = 1,8 \) вольт и \ (\ beta \) = 100.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {2} \).

Мы можем найти \ (I_C \) напрямую, потому что \ (I_C \ приблизительно I_E \). Это будет ток светодиода.

\ [I_C = \ frac {V_ {логика} -V_ {BE}} {R_E} \ nonumber \]

\ [I_C = \ frac {5V − 0.7V} {270 \ Omega} \ nonumber \]

\ [I_C = 15,9 мА \ nonumber \]

Обратите внимание, что \ (\ beta \) не использовался.Все, что он нам говорит, это то, что \ (I_B = 15.9 \) мА / 100, или 159 \ (\ mu \) A. Более высокое значение \ (\ beta \) просто привело бы к более низкому базовому току.

Для полноты картины отметим также, что

\ [V_ {CE} = V_ {CC} −V_ {LED} −V_ {RE} \ nonumber \]

\ [V_ {CE} = 10 В-1,8 В-4,3 В \ nonumber \]

\ [V_ {CE} = 3.9V \ nonumber \]

Очевидно, что если \ (V_ {CE} \) составляет 3,9 В, транзистор не находится в насыщении.

4.7.3: Последователь стабилитрона

В предыдущей главе мы рассмотрели метод регулирования выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя с фильтром с помощью стабилитрона.Недостатком этой конкретной схемы является то, что она не была особенно эффективной, поскольку потребляла значительный ток, даже когда потребность в токе нагрузки была незначительной. Используя концепцию привязки одного напряжения к другому, как в ненасыщающем переключателе, мы можем создать приятное улучшение — стабилитрон.

Последователь стабилитрона показан на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). Входной сигнал — это положительный выпрямленный и отфильтрованный выходной сигнал источника питания переменного тока в постоянный.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Последователь стабилитрона.

Прежде всего следует отметить, что стабилитрон имеет обратное смещение через резистор \ (R \). То есть ток будет течь через \ (R \) в стабилитрон. Стабилитрон представляет фиксированный потенциал \ (V_Z \). Следовательно, разница между входным напряжением и \ (V_Z \) должна падать на \ (R \) и, соответственно, на \ (V_ {CB} \). Кроме того, окончательное выходное напряжение — это напряжение на эмиттере BJT, которое должно быть \ (V_Z — V_ {BE} \). Поскольку оба они являются фиксированными стабильными потенциалами, на выходе также должно быть фиксированное стабильное напряжение.Наконец, поскольку \ (V_ {CE} = V_ {CB} + V_ {BE} \), очевидно, что любое изменение между входным напряжением и желаемым выходом (например, из-за пульсации) должно быть сброшено на BJT. .

Диодный ток в стабилитроне остается низким, поэтому его рассеиваемая мощность также невелика. Кроме того, потребление тока из входной цепи является прямым отражением потребности в токе нагрузки. Если ток нагрузки низкий, через транзистор и, в конечном итоге, через входную цепь будет протекать очень небольшой ток.Это делает систему более эффективной.

Список литературы

¹ Он также известен как коммутирующий диод, фиксирующий диод, обратный диод и многими другими названиями. Но, как сказал Шекспир, «демпфирующий диод под любым другим названием также будет ограничивать обратное напряжение». Или что-то подобное.

² Это отсылка к старой фразе «подтягиваться за шнурки». Честно говоря, это высказывание никогда не имело смысла для этого автора, и все, что когда-либо происходило, когда я пытался это сделать, — это то, что мои руки устали.

Реле

против транзисторов: какой выбор правильный?

Не все действия пользователя нужно применять механически — механические переключатели и кнопки не исчезнут из каждой электронной системы, но иногда вам необходимо электрическое срабатывание в системе, чтобы обеспечить поведение переключения. Реле и транзисторы — два наиболее распространенных переключателя с электрическим приводом, используемых в электронике; однако они не являются идеальной заменой друг друга.

Когда вы решаете, использовать ли реле или транзисторы, по каким критериям вы должны принять решение? Независимо от того, какие из этих компонентов вы хотите использовать, вы можете найти необходимые данные компонентов и модели САПР с помощью электронной поисковой системы. Давайте посмотрим, как выбрать и импортировать реле и транзисторы в качестве переключающих элементов для вашего следующего проекта.

Реле против транзисторов: их уникальные характеристики

Реле и транзисторы — это многополюсные устройства, обеспечивающие функции переключения.В обоих компонентах переключение активируется приложением электрического напряжения / тока, но точный механизм, с помощью которого ток проходит через переключатель, отличается в реле от транзисторов.

Релейное переключение: Реле — это механический переключатель, срабатывающий при использовании электрического тока для создания магнитного поля возле якоря. В катушке создается магнитное поле, которое закрывает якорь механического переключателя или толкает его в открытое положение.

Переключение транзисторов: Транзисторы представляют собой полупроводниковые устройства, и электрическая проводимость канала проводимости модулируется путем подачи напряжения (для полевых транзисторов) или тока (для биполярных транзисторов) на третий вывод.

Поскольку эти компоненты позволяют току течь через разные механизмы, они также имеют разные характеристики переключения. Они также предназначены для использования в различных ситуациях, в зависимости от характера нагрузки, подключаемой к устройству, и источника питания. В таблице ниже показано сравнение различных применений реле и транзисторов.

Силовые транзисторы

Область применения и спецификации	Реле	Транзистор
Уровень мощности	Может использоваться с очень высокими напряжениями и токами, которые могут разрушить транзисторы.	могут иметь пробивное напряжение до ~ 100 В и вырабатывать десятки ампер.
Вид нагрузки	Может использоваться для питания ряда нагрузок.	Подача питания на нагрузку должна быть тщательно спроектирована, чтобы транзистор не насыщался.
Частота переключения	Медленное переключение, не предназначенное для большого количества переключений или повторных переключений.	Может использоваться с очень быстрым переключением на высокой частоте (например,г., ~ 100 кГц в блоках питания или ~ 2 ГГц в процессорах).
Сопротивление в открытом состоянии	Очень низкий; равным сопротивлению электрических контактов постоянному току.	Вниз до ~ мОм для полевых МОП-транзисторов большой мощности.

Чтобы лучше понять, почему реле и транзисторы обычно используются в различных приложениях, это помогает понять их электрическое поведение во время переключения и когда эти устройства достигают устойчивого состояния ВКЛ или ВЫКЛ.

Переходный процесс

Это одна из областей, в которой реле действительно отличаются от транзисторов.Поскольку реле часто используются в высоковольтных системах, якорь должен преодолевать большое расстояние при закрытии, поэтому время переключения довольно велико. Типичное время переключения для реле составляет десятки миллисекунд, тогда как время переключения для мощных транзисторов может достигать наносекунд (более чем в 1 миллион раз быстрее). Для сравнения: чрезвычайно быстрое переключение транзисторов происходит в высокоскоростных компонентах, таких как CPU / GPU / MPU, и в высокоскоростных протоколах передачи сигналов, таких как PCIe и DDR. Поэтому, если требуется очень быстрое переключение, лучшим выбором будет транзистор.

Поскольку транзисторы могут использоваться для переключения мощности, поступающей на ИС, они, по сути, управляют емкостными нагрузками, и на выводе ИС наблюдается слегка запаздывающий отклик из-за его входной емкости. Сравните это с реле; Индуктивность катушки реле создает всплеск обратной ЭДС во время переключения, который может разрушить интегральные схемы. Эта обратная ЭДС обычно подавляется обратным диодом, чтобы предотвратить повреждение других компонентов системы.

Изоляция

Цепь активации в реле гальванически изолирована от стороны реле, находящейся под напряжением, что обеспечивает высокий уровень безопасности, когда реле используются для переключения высокого напряжения.Напротив, у транзистора нет изоляции, и событие электростатического разряда на одном выводе может распространиться на два других вывода. Транзисторы, используемые в мощных системах, которые нуждаются в некоторой защите от электростатического разряда, потребуют некоторых дополнительных компонентов для защиты пользователя и для гарантии того, что цепи не будут повреждены.

Питание постоянного и переменного тока

Реле можно использовать с переменным или постоянным током в очень широком диапазоне уровней мощности. Транзистор обычно предназначен для использования с питанием постоянного тока или цифровыми сигналами, но они также могут использоваться с сигналами переменного тока.Тем не менее, транзистор должен быть тщательно спроектирован для работы в своем линейном диапазоне, чтобы предотвратить ограничение передаваемого сигнала переменного тока и создание гармонических искажений. По этой причине транзисторы менее желательны для использования в системах переменного тока большой мощности, но они по-прежнему полезны как аналоговые компоненты в целом, если они работают в линейном диапазоне.

Срок службы

Реле

не предназначены для повторного включения, поскольку их электрические контакты со временем изнашиваются. Напротив, транзистор не имеет движущихся частей, поэтому он будет иметь чрезвычайно долгий срок службы и может многократно переключаться без износа, пока он не будет работать сверх своих абсолютных максимальных значений.Вот почему транзисторы используются в качестве переключающих элементов в импульсных источниках питания и преобразователях мощности.

Со временем контакты в верхней левой части этого изображения изнашиваются из-за трения и дуги

Если вам нужно найти и сравнить реле и транзисторы для вашего следующего проекта, вы можете найти спецификации компонентов и модели САПР для ваших деталей с помощью функций поисковой системы электроники в Ultra Librarian. У вас будет доступ к проверенным моделям САПР, которые можно импортировать в популярные приложения ECAD, и вы сможете просматривать информацию о поставщиках по всему миру.

Узнаем как ие бывают схемы включения транзисторов

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ.

Схема включения транзисторов с общим эмиттером. Как работают транзисторы? Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

Транзисторы. Определение и история

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Режимы работы биполярного транзистора

Схемы включения биполярных транзисторов

Схема включения с общим эмиттером

Схема включения с общей базой

Схема включения с общим коллектором

Два слова о каскадах

Другие области применения биполярных транзисторов

Маркировка

Виды транзисторов

Биполярный транзистор

Принцип работы биполярного транзистора

Транзистор в ключевом режиме

Эмиттерный повторитель

Где транзисторы купить?

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером

6.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером

6.3 Включение транзистора по схеме с общим коллектором

§3. Основные схемы включения транзисторов.

Усилительный каскад с общим коллектором

Подведем итоги:

Теги

Схемы включения биполярных транзисторов

Электроника Схемы включения биполярных транзисторов

Читайте также

h-параметры и особенности включений биполярного транзистора

Особенности при различных схемах включения

С общим эмиттером (ОЭ)

С общим коллектором (ОК)

С общей базой (ОБ)

Как использовать транзистор в качестве переключателя с примерами схем

Введение в транзистор

Использование транзистора в качестве переключателя

Где использовать?

Как им пользоваться?

Как работают транзисторы в качестве переключателя?

Пример цифровых логических переключателей

Пример управления двигателем

как переключатель с Arduino Пример

Транзистор как переключатель Пример моделирования Proteus

Транзистор как переключатель Примеры

Два транзистора в качестве переключателя Пример

Управление током базы транзистора с помощью потенциометра

Управляющее реле с транзистором в качестве переключателя

Управление работой транзисторного переключателя с помощью конденсатора

Видеолекция

Транзистор в качестве переключателя Применения

Как использовать транзисторы — Самодельные схемотехнические проекты

Введение

Как использовать транзисторы, такие как коммутатор

Использование транзистора в качестве драйвера реле

Использование транзистора для регулятора освещенности

Использование транзистора в качестве датчика

Пакеты транзисторов

Общие сведения о транзисторах TO-92 с малым сигналом:

Как сконфигурировать транзистор TO-92 в практическую плоскость.

Общие сведения о силовых транзисторах TO-126, TO-220:

Общие сведения о силовых транзисторах TO-3:

Выводы корпуса TO-3 можно идентифицировать следующим образом:

Время переключения транзистора

Общие сведения о биполярных транзисторных переключателях

Что такое переключатель нагрузки? | Основы электроники

Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки

Меры противодействия пусковому току (когда переключатель нагрузки N-канального МОП-транзистора включен)

Нч

Обратный ток при выключении переключателя нагрузки

4.7: BJT Switching and Driver Applications

4.7.1: Переключатель насыщения

4.7.2: Драйвер ненасыщения

4.7.3: Последователь стабилитрона

Список литературы

против транзисторов: какой выбор правильный?

Реле против транзисторов: их уникальные характеристики

Переходный процесс

Изоляция