Нелинейные трехполюсные резистивные элементы . 1 страница

1.6.1 Биполярный транзистор (основные понятия)

Одним из базовых элементов в электронике является биполярный транзистор, структура которого показана на рис.1.41: в одном кристалле имеется две р-области, разделенные одной общей n-областью.

Рис.1.39 Упрощенная структура транзистора типа р-n-р.

При такой структуре, в транзисторе возникают два р-n перехода, у которых внутренние, собственные поля переходов направлены навстречу друг другу. Левая р-область получила название эмиттера (испускающей заряды), правая- коллектора (собирающей заряды), средняя часть- базы. На рис.1.39 эмиттер и коллектор показаны как совершенно одинаковые области как по размерам, так и сути происходящих в них процессах. На практике, коллектор имеет более развитую поверхность, так как на правом р-n переходе, получившем название коллекторного, выделяется больше тепловой мощности, чем в левом, получившем название эмиттерного. База транзистора существенно тоньше эмиттера и коллектора и легирована слабее. Такая структура транзистора, имеющего два р-n перехода позволяет провести формальное представление транзистора, условное изображение которого показано на рис.1.40, двумя диодами (рис.1.41).

Рис.1.40 Изображение транзистора типа p-n-p.	Рис.1.41 Представление транзистора двумя диодами.

Схема на рис.1.41 крайне привлекательна для понимания (чтения) электронных схем, так как поведение диодов достаточно понятно. Но, при использовании представления транзистора двумя диодами, следует все время помнить о том, что наличие общей базы, существенно меняет всю картину распределения токов и напряжении в схеме, в которой вместо двух отдельных диодов включен транзистор. Транзистор ведет себя как два отдельных диода, только при условии, что ток базы равен нулю. Но, если ток базы отличен от нуля, можно считать, что ток коллектора практически равен току эмиттера. Рассмотрим схему, показанную на рис.1.42. В этой схеме база транзистора «висит» в воздухе, ток базы равен нулю, и токи эмиттера и коллектора будут тоже практически равны нулю. В этом смысле схема с двумя диодами (рис.1.41) точно моделирует поведение транзистора.

Рис.1.42 Схема с «висящей» базой.

Подключим базу, так как это показано на рис.1.43.

Рис.1.43 Схема с подключенной базой.

В схеме (рис.1.43), ток базы будет отличен от нуля и ток коллектора также будет больше нуля. В соответствии с 1-м законом Кирхгофа:

Выражения для токов в транзисторе справедливы и в случае, когда эмиттер и коллектор представляют из себя n-области, а база р-область (рис.1.44):

Рис.1.44 Упрощенная структура транзистора типа n-р-n.

Это транзистор типа n-р-n. Условное изображение показано на рис.1.45, а представление системой двух диодов на рис.1.46.

Рис.1.45 Изображение транзистора типа n-p-n.	Рис.1.46 Представление транзистора двумя диодами.

Сравнение рис.1.40 и 1.45 показывает, что два типа транзисторов отличаются друг от друга только полярностями напряжений и выбранными положительными направлениями тока. Это позволяет сформировать общие правила качественного анализа поведения транзистора в электронных схемах:

1. Потенциал эмиттера должен быть больше потенциала базы, а потенциал базы больше потенциала коллектора. (Для транзистора типа n-р-n соотношения потенциалов обратные).

2. Переход эмиттер-база подобен диоду, смещенному в прямом направлении. Его состояние (ток) практически целиком зависит, от величины напряжения эмиттер-база.

3. Переход база-коллектор подобен диоду, смещенному обычно в обратном направлении. Его состояние (ток) практически полностью зависит от тока базы.

4. Для каждого транзистора существуют максимальные значения токов , и , превышение которых приводит к необходимости применения другого транзистора. Важно также помнить о максимальной рассеиваемой мощности, определяемой как произведение .

5. Если условия по п.п. 1-4 выполнены, то можно использовать важное выражение (1.7).

(1.7)

Множитель получил название коэффициента усиления тока базы. Поясним выражение (1.7):

1. Выражение (1.7) выполняется с высокой степенью точности при работе транзистора в так называемом активном (усилительном) режиме. В этом режиме напряжение на эмиттерном переходе , а на коллекторном . Другими словами, эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный в обратном направлении.

2. Величина лежит в диапазоне значении от 20 до 1000. При ориентировочных расчетах, если нет твердой уверенности в знании величины , следует принимать

Рассмотрим схему, изображенную на рис.1.47. Проверим, будет ли гореть лампочка, номинальное напряжение которой , номинальный ток 0,1 А. . . Принять

Рис.1.47 Схема с транзистором	Рис.1.48 Схема с диодами

Схема, изображенная на рис.1.48 наглядно показывает, что ток базы может протекать (диод VD1 включен в проводящем направлении). Проверяем наличие и величину тока базы. Обойдем контур, включающий источник эдс, сопротивление в цепи базы, эмиттерный переход и запишем уравнение по 2-му закону Кирхгофа:

При , переход эмиттер-база будет открыт и ток базы будет равен:

Принимая , получаем, что ток коллектора, в соответствии с (1.7), а также и ток лампочки равен: . Так как ток коллектора больше номинального тока лампочки равного 0,1 А, то лампочка безусловно будет гореть. Ток базы имеет избыточное значение.

1.6.2 Входные и выходные характеристики биполярного транзистора

Биполярный транзистор в первом приближении, можно рассматривать как чисто резистивный элемент. Это означает, что для математического описания его свойств достаточно знать вольтамперные характеристики. Сложность в том, что транзистор имеет три вывода, соответственно имеется три тока и три напряжения.

Применяя 1-й закон Кирхгофа, (рис.1.40), получаем, что достаточно задать два любых тока, третий определится однозначно. Аналогично, применяя 2-й закон Кирхгофа, получаем, что достаточно задать два любых напряжения, третье определится однозначно. Таким образом, необходимо получить зависимости, связывающие между собой два тока и два напряжения.

Транзистор, это, прежде всего устройство, включаемое между источником сигнала и нагрузкой. Как правило, источник и нагрузка- это элементы, имеющие по два вывода. А транзистор –элемент, имеющий три вывода (рис.1.49).

Рис.1.49 Основные элементы простой электронной цепи

Очевидно, если транзистор включается как промежуточное звено, то один из его зажимов должен быть общим и для сигнала и для нагрузки. В таб.1.2 показаны три принципиально возможные схемы включения транзистора. В зависимости от того, какой зажим транзистора является общим, схемы получили то или иное название. В таблице приведены также те важнейшие понятия, которые широко используются при анализе электронных цепей с транзисторами.

Таблица1.2

Название схемы
С общей базой	С общим эмиттером	С общим коллектором

Естественно, что при любой схеме включения транзистора, интерес представляет его поведение со стороны источника, т.е зависимость -входная характеристика и со стороны нагрузки - выходная характеристика. Очевидно, что конструкция транзистора такова, что величина входного тока зависит не только от величины входного напряжения, но и от того что происходит на выходе. Аналогичные соображения можно сделать и относительно выходной характеристики. На рис.1.50 показан типичный вид входной, а на рис.1.51 выходной характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Рис.1.50 Входные характеристики транзистора с общей базой.	Рис.1.51 Выходные характеристики транзистора с общей базой

Входная характеристика это фактически характеристика диода включенного в прямом направлении, но отличие в том, что это многозначная характеристика, зависящая от выходного напряжения. Впрочем, зависимость от параметра незначительна и можно пользоваться характеристикой при . Другое дело выходная характеристика. По виду это обратная ветвь характеристики диода, но разность в том, что величина выходного тока практически равна входному току, который является параметром для выходного тока. -обратный тепловой ток.

На рис.1.52,1.53 показаны входная и выходная характеристика транзистора включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис.1.52 Входные характеристики в схеме с общим эмиттером.	Рис.1.53 Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером.

Транзистор в электронике используют для решения самых разнообразных задач, в числе которых не последнее место занимает так называемое усиление входного сигнала. Для решения данной задачи требуется правильно настроить режим покоя. Режим покоя- это значения токов и напряжений при отсутствии входного сигнала. Рассмотрим расчет режима покоя в схеме включения транзистора с общим эмиттером (рис.1.54):

Рис.1.54 Режим покоя в схеме с общим эмиттером

Будем считать, что известны характеристики транзистора (рис.1.55,1.56), параметры коллекторной эдс (Е_К=9В) и коллекторное сопротивление (R_К= 1285 Ом).

Рис.1.55 Входная характеристика	Рис.1.56 Выходная характеристика

Обратите внимание, что входным током транзистора является ток базы и его величина измеряется в микроамперах. Рассчитаем режим покоя.

Дата добавления: 2014-11-28