Комплект тестов

Работа транзистора в динамическом режиме по схемам усилителей.

Также как в усилительных схемах на электронных лампах, при работе транзистора в динамическом режиме в его входной цепи - источник преобразуемого напряжения, а в выходной – нагрузка.

Мы рассмотрим две схемы усилителя на транзисторе. Одна из них называется схемой с общей базой, другая схемой с общим эмиттером.

Схема усилителя с общей базой изображена на рисунке 61.

Рис. 11

По этой схеме, благодаря переменному напряжению в цепи меняется эмиттерный ток, что приводит к изменению тока базы и тока коллектора. Изменения эмиттерного тока порождают изменения сопротивления коллекторного перехода с очень большой амплитудой. Когда коллекторный ток увеличивается, запирающий слой коллекторного перехода обогащается основными носителями (в p-n-p-транзисторе – дырками), и его сопротивление уменьшается. Когда коллекторный ток уменьшается, запирающий слой обедняется основными носителями, его сопротивление увеличивается. Например, изменение эмиттерного тока от 0,5 мА до 2,5 мА приводит к изменению коллекторного сопротивления от 20 кОм до 0,8 кОм. Принимая во внимание, что коллекторный переход подключён к источнику тока с большой ЭДС, можно сделать вывод, что напряжение на нагрузке, а, следовательно, и выходное напряжение будет меняться с большей амплитудой.

На рисунке 62 изображена эквивалентная схема выходной цепи.

Рис. 12

Здесь r_к – переменное сопротивление коллекторного перехода, R_к – сопритвление коллекторной цепи, примерно равное сопротивлению коллекторного перехода в статическом режиме постоянного тока.

U_k= E₂ – U_R

Пусть во входной цепи напряжение меняется по гармоническому закону

u = U_0вх sin ωt,

причём выполняется условие

В противном случае эмиттерный переход периодически будет закрываться, и сигнал на входе получится искажённым.

Рис. 13

На рисунке 63а изображена осциллограмма входного сигнала, на рисунке 63б – напряжение на эмиттерном переходе, на рисунке 63в – эмиттерного или коллекторного тока (примем во внимание, что коллекторный ток базы очень мал по сравнению с ними), на рисунке 63г – осциллограмма сопротивления коллекторного перехода, на рисунке 63д – напряжение на транзисторе, на рисунке 63е – выходного напряжения.

При этом амплитуда выходного напряжения может быть в зависимости от параметров транзистора и соотношения между Е₂ и Е₁ значительно больше, чем амплитуда входного напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению в такой схеме от 50 до 150.

Коэффициент усиления по току в этой схеме примерно равен 1, точнее немного меньше (от 0,95 до 0,998).

Поэтому коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по напряжению.

Окончательная схема усилителя с общей базой изображена на рисунке 64.

Конденсатор в схеме служит для ликвидации на выходе постоянной составляющей усиленного сигнала.

Рис. 14

Основной недостаток усилителей по схеме с общей базой их малая мощность. Кроме того, на этой схеме нельзя строить многокаскадные усилители, так как из-за малого сопротивления входной цепи (из-за малости сопротивлении эмиттерного перехода) входная цепь следующего каскада приводит к короткому замыканию предыдущего.

От этих недостатков избавлен усилитель по схеме с общим эмиттером. Такая схема изображена на рисунке 65.

Рис. 15

В таком усилителе входной сигнал управляется током сетки, и поэтому коэффициент усиления по току здесь весьма значителен. Обозначим коэффициент усиления по току для усилителя по схеме с общим эмиттером β

но Δi_с = Δi_э - Δi_к Разделим числитель и знаменатель на Δi_к

Пусть α = 0,99, тогда β = 99

Так как коэффициент усиления по мощности равен произведению коэффициентов по току и по напряжению, коэффициент усиления по мощности усилителя по схеме с общим эмиттером составляет десятки тысяч.

Поскольку во входной цепи такого усилителя проходит ток базы, то сопротивление её равно сопротивлению базы, которое составляет сотни Ом.

Следовательно, эта схема может быть использована в качестве каскада многокаскадного усилителя.

На рисунке 66 изображена одна из возможных схем такого усилителя.

Рис. 16

В этой схеме R₂ >> R₁. Если R₁ – несколько кОм, то R₂ – может достигать 1 МОм.

Резистор R₂ подсоединён последовательно с эмиттерным переходом к источнику тока с ЭДС, равной около10 В. Тогда напряжение, поданное на транзистор от источник а тока распределяется между R₂ и эмиттеным переходом пропорционально их сопротивлениям, то есть на долю эмитерного перехода приходится его ничтожная часть, порядка 0,1 В; этим обеспечивает прямое напряжение на эмиттерном переходе.

На рисунке 67 изображена схема с общим эмиттером, в эмиттерной цепи которой подключена R-C- цепочка, выполняющая роль стабилизатора теплового режима транзистора.

Рис. 17

Если при работе усилителя по каким-либо причинам эмиттерный и коллекторный токи возрастают до значений больших допустимого, то вследствие увеличения выделяющегося тепла в транзисторе температура его возрастает.

А так как полупроводники по своим проводящим свойствам обладают высокой чувствительностью к изменению температуры, то увеличение температуры приводит к дальнейшему увеличению тока, транзистор нагревается и быстро выходит из строя.

Чтобы воспрепятствовать этому последовательно с эмиттером подключают резистор, сопротивление которого того же порядка, что и сопротивление эмиттерного перехода.

Когда эмиттерный ток увеличивается сверх меры, сопротивление эмиттерного перехода уменьшается, и увеличивается падение напряжения на сопротивлении R₃. И, следовательно, уменьшается напряжение на эмиттеном переходе, а, следовательно, и эмиттерный ток до такой величины, при котором температурный режим работы транзистора сохраняется стабильным.

Конденсатор С₂ служит для того, чтобы при работе усилителя напряжение на R₃ сохранялось постоянным, примерно равным Ε₁.

§ 7 Полупроводниковые термоэлементы и фотоэлементы.

Используя p-n-p-переходы, можно изготовить источник тока – полупроводниковый термоэлемент. На рисунке 68 показана примерная схема такого устройства.

Рис. 18

Оба контакта полупроводников p и n- типов конструктивно одинаковы. Два крайних полупроводника одного типа, а средний – другого. Средний полупроводник имеет большую толщину, чем крайние. Концентрация основных носителей тока при постоянной температуре во всех частях устройства – одинаковы.

Из-за диффузии основных носителей в запирающих слоях (их два) возникают контактные электрические поля, противоположных направлений; и при этом создаются контактные разности потенциалов. Но при одинаковых температурах контактные разности потенциалов одинаковые по модулю и противоположные по знаку, и алгебраическая сумма их равна нулю.

Если один из контактов нагревать до температуры Т_1, а другой охлаждать до температуры Т₂ и разность температур поддерживать постоянной, то на электродах «а» и «в» возникает постоянная разность потенциалов.

На контакте, где температура выше, диффузия основных носителей происходит интенсивней, так как с ростом температуры увеличивается их концентрация.

Для того, чтобы затормозить диффузию, (то есть у нагретого контакта) требуется электрическое поле с большой напряжённостью. Таким образом мы получаем источник тока

Рис. 69

На рисунке 69 показана схема такого термоэлемента в рабочем состоянии.

Величина возникшей разности потенциалов и есть ЭДС термоэлемента. Она примерно составляет десятые доли вольта, а коэффициент полезного действия в соответствии с теоремой Карно .

Поддерживать подобную разность температур несложно, так как теплопроводность полупроводников невелика.

Для получения больших ЭДС термоэлементы соединяют последовательно в батарею.

Примерно по такому же принципу работают полупроводниковые фотоэлементы. У них один из контактов освещается каким-либо источником света, в то время как другой контакт находится в тени. Источником света может служить солнце. В этом случае батарею из таких элементов называется солнечной батареей.

Для оценки результатов освоения учебной дисциплины

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Основной профессиональной образовательной программы НПО

КАЗАНЬ 2014

Дата добавления: 2015-05-06