Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.
Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.
Устройство биполярного транзистора.
Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.
У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.
Работа биполярного транзистора.
Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.
Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.
Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.
Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.
В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.
В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.
Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.
β = IC / IB
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.
Простейший усилитель на биполярном транзисторе
Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.
1.Описание основных элементов цепи
Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.
Расчет входного тока базы Ib
Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.
Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).
Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:
Расчет выходного тока коллектора IС
Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).
Расчет выходного напряжения Vout
Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.
Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:
Анализ результатов
Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.
Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.
Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.
Схема смещения с фиксированным током базы
В простейшей схеме смещения применяется резистор смещения базы между базой и батареей базы Vсмещ. Использовать существующий источник Vпит, вместо нового источника смещения, – очень удобно. Пример данной схемы смещения показан в каскаде аудиоусилителя в детекторном приемнике в разделе «Радиочастотные схемы» главы 9. Обратите внимание на резистор между базой и клеммой батареи. Подобная схема показана на рисунке ниже.
Напишите уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура, включающего в себя батарею, RБ и падение напряжения VБЭ на переходе транзистора, на рисунке ниже. Обратите внимание, что мы используем обозначение Vсмещ, хотя на самом деле это Vпит. Если коэффициент β велик, мы можем сделать приближение, что IК = IЭ. Для кремниевых транзисторов VБЭ ≅ 0.7 В.
Схема смещения с фиксированным током базы
\[V_{смещ} — I_Б R_Б — V_{БЭ} = 0\]
\[V_{смещ} — V_{БЭ} = I_Б R_Б\]
\[I_Б = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б }\]
\[I_Э = (\beta + 1)I_Б \approx \beta I_Б\]
\[I_Э = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta }\]
Коэффициент β малосигнальных транзисторов, как правило, лежит в диапазоне 100–300. Предположим у нас есть транзистор β=100, какое номинал резистора смещения базы потребуется, чтобы достичь тока эмиттера 1 мА?
Решение уравнения IЭ для определения RБ и подстановка значений β, Vсмещ, VБЭ и IЭ дадут результат 930 кОм. Ближайший стандартный номинал равен 910 кОм.
\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad I_К \approx I_Э = 1 мА \)
\[R_Б = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { 10 — 0,7 \over 1 мА / 100 } = 930 кОм \]
Чему будет равен ток эмиттера при резисторе 910 кОм? Что случится с током эмиттера, если мы заменим транзистор на случайный с β=300?
\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad R_Б = 910 кОм \qquad V_{БЭ} = 0,7 В\)
\[I_Э = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta } = { 10 — 0,7 \over 910 кОм / 100 } = 1,02 мА \]
\(\beta = 300 \)
\[I_Э = { 10 — 0,7 \over 910 кОм / 300 } = 3,07 мА \]
При использовании резистора стандартного номинала 910 кОм ток эмиттера изменится незначительно. Однако при изменении β со 100 до 300 ток эмиттера утроится. Это неприемлемо для усилителя мощности, если мы ожидаем, что напряжение на коллекторе будет изменяться от почти Vпит до почти земли. Тем не менее, для сигналов низкого уровня от микровольт до примерно вольта точка смещения может быть отцентрирована для β, равного квадратному корню из (100·300), что равно 173. Точка смещения будет по-прежнему дрейфовать в значительном диапазоне. Однако сигналы низкого уровня не будут обрезаны.
Схема смещения с фиксированным током базы по своей природе не походит для больших токов эмиттера, которые используются в усилителях мощности. Ток эмиттера в схеме смещения с фиксированным током базы не стабилен по температуре. Температурный уход – это результат большого тока эмиттера, который вызывает повышение температуры, которое вызывает увеличение тока эмиттера, что еще больше повысит температуру.
Режимы работы биполярного транзистора
В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:
- Режим отсечки (cut off mode).
- Активный режим (active mode).
- Режим насыщения (saturation mode).
- Инверсный ражим (reverse mode ).
Режим отсечки
Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.
Активный режим
В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.
Режим насыщения
Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.
В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».
Инверсный режим
В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.
Добавить ссылку на обсуждение статьи на форуме
РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы электроники >
| Теги статьи: | Добавить тег |
Страшное слово — Транзистор
Автор: Опубликовано 13.11.2006
Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.
Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только — очень маленьких.
Транзистор — это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.
Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух — поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!
Небольшая поясняющая картинка:
Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.
Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.
Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.
Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h21э
. У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.
Итак, коэффициент усиления по току — это отношение коллекторного тока к току базы:
h21э = Iк / Iб
Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:
Iк = Iб * h21э
Рисуем схему.
В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.
Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h21э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.
Немножко посчитаем
.
Задачка:
Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А, а транзистор имеет h21э = 100. Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал? И каким при этом будет сопротивление R1?
Полный накал — это когда ток потребления равен номинальному. Номинальный — 0,33 А. Таким образом, необходимый ток коллектора — 0,33 А. Ток базы должен быть меньше коллекторного в h21э раз. То есть — в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА. Ура, решили!!!
Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):
R = U/I
U — нам известно — это напряжение питания, 9В I — только что нашли — 0,0033 А
Арифметика, 2 класс: R = 9/0,0033 = 2700 Ом = 2,7 кОм.
Ответ: сопротивление резистора = 2,7 кОм
Просто? Еще бы! Но — не обольщайтесь. Дальше — хуже! =)
В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.
<<—Вспомним пройденное—-Поехали дальше—>>
| Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? | |
| 150 | 7 | 1 |
| 13 | 4 |
