Как найти ток базы

Расчет тока базы транзистора

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1. Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2. Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

• p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
• n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

• В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
• В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1. Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база < 0 – для n-p-n транзисторов),

2. Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3. Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

4. Отсечка (напряжение коллектор-база < 0, на эмиттере напряжение менее порогового),

5. Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Расчет транзистора

Транзистор — это полупроводниковый прибор как минимум с двумя с р-h-переходами и тремя выводами, который предназначен для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний.

Основная классификация транзисторов осуществляется по:

1. Исходному полупроводниковому материалу. По данному критерию транзисторы подразделяются на кремниевые и германиевые.
2. Мощности. По данному критерию транзисторы подразделяются на транзисторы большой, средней и малой мощности.
3. Частоте. По данному критерию транзисторы подразделяются на сверхвысокочастотные, высокочастотные, среднечастотные, низкочастотные.

В радиотехнике самыми распространенными транзисторами являются полевые и биполярные. У полевых транзисторов управление выходным электрическим током осуществляется электрическим полем. У полевых трансформаторов три электрода: сток, исток и затвор. Достоинство полевого транзистора заключается в том, что электрический ток затвора (входного электрода очень мал), что определяет высокое входное сопротивление каскадов на них, что способствует устранению влияния последующих каскадов схемы на предыдущие. К основным параметрам полевых транзисторов можно отнести:

1. Напряжение отсечки.
2. Напряжения между стоком и затвором, между затвором и истоком, между стоком и истоком.
3. Максимальный электрический ток стока.

В полупроводниковой структуре биполярного транзистора сформировано два р-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется двумя носителями — дырками и электронами. Данный транзистор используется в устройствах, которые генерируют или усиливают электрические колебания, а иногда в качестве коммутирующего элемента. Основными параметрами этого типа транзисторов являются: входное сопротивление, максимально допустимы электрический ток, входная проводимость, коэффициент передачи по току, обратный ток коллектора, время включения, выходная проводимость и другие.

Пример расчета транзистора с общим эмиттером

Эмиттер — это область транзистора, назначение которой заключается в инжекции носителей заряда на базу.

Сначала нам необходимо рассчитать максимальную статическую мощность, рассеивающуюся на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала через рабочую точку при статическом режиме его функционирования. Формула выглядит следующим образом:

Рст. макс = 0,8 • Рмакс

где, Рмакс — максимальная мощность транзистора по справочнику или инструкции

После этого определим электрический ток коллектора без сигнала (то есть в статическом режиме работы):

Iко = Рст. Макс / Uкэо = Рст. Макс / (Uп / 2)

где, Uп — напряжение питания.

Так как в статическом режиме на транзисторе напряжение питания уменьшается на половину, то вторая половина будет уменьшаться на резисторах, то есть:

(Rk + Rэ) = (Uп / 2) / Iко

Где, Rк — коллекторное сопротивление; Rэ — эмиттерное сопротивление.

Напряжения в коллекторе в статическом режиме транзистора можно вычислить по следующей формуле:

Uко = (Uкэо + Iко • Rэ) = (Uп – Iко • Rк)

Электрический ток базы, которая управляет транзистором, рассчитывается следующим образом:

Iб = Iк / h21 = [Uп / (Rк + Rэ)] / h21

где, h21 – коэффициент усиления электрического тока базы (при условии включения с общим эмиттером).

Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, заданным делителями Rб1 и Rб2 (рисунок ниже, там же изображена вольтамперная характеристика). Резистивный ток должен быть в 5-10 раз больше, чем ток управления базы.

Рисунок 1. Полный базовый ток. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 2. Полный базовый ток. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Rб1Rб2: Iдел = 10 • Iб

Таким образом полное сопротивление резисторов будет равняться:

Rб1 + Rб2 = Uп / Iдел

Напряжение на эмиттере равняется:

где, Iк0 — ток покоя транзистора

Напряжение на базе рассчитывается следующим образом:

где, Uбэ-напряжение рабочей точки транзистора.

И через формулу делителя рассчитываем:

Rб2 = (Rб1 + Rб2) • Uб / Uп

Разделительные конденсаторы подбираются с учетом требуемой амплитудно-частотной характеристики каскада. На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика зависит от времени перезарядки разделительных конденсаторов. Емкость должна быть такого значения, которое не позволит конденсаторам успевать перезаряжаться. Входное сопротивление каскада транзистора намного больше, чем выходное сопротивление. Амплитудно-частотная характеристика определяется постоянной времени:

где, Rвх = Rэ • h21; Свх — разделительная входная емкость каскада.

Спад амплитудно-частотной характеристики в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда:

tв = Rвых • Ck = Rk • Ck

где, Ск — паразитная емкость коллекторного перехода, указываемая в справочнике или инструкции. При расчете звуковых частот паразитной емкостью можно пренебречь, так как она незначительна.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H_fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V_c. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V_ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V_ce= V_c — 0 = V_c. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки R_L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения R_b: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R_b может быть рассчитано по следующей формуле:

где V₁ является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V₁ = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R_b известно, транзистор «настроен» на работу в качестве переключателя, что также называется «режим насыщения и отсечки «, где «насыщение» — когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а «отсечение» – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

H_FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V_CEsat. Но V_CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший H_FE, крупнейший V_CEsat и V_CEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение V_CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V_CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Шпакунов А. Опубликована: 2012 г. 0 1
Вознаградить Я собрал 0 0

Биполярный транзистор в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 4.3 — Ключевая схема на транзисторе и графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-р показана на рисунке 4.3, а. Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R_K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а — б по постоянному току (рисунок 4.3, б).

Линия нагрузки описывается соотношением U_кэ = − (Е_к − I_кR_к) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (U_вх > 0), указанной на рисунке 4.3, а без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U_бэ > 0) и его ток I_э = 0. Вместе с тем через резистор R_б протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I_к0. Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка М_з (см. рисунок 4.3, б).

Протекание через нагрузку теплового тока I_к0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R_к от источника питания. Малое значение I_к0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения U_{вх. зan} выбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резистор R_б тепловом токе было обеспечено выполнение условия:

Напряжение U_6э для германиевых транзисторов составляет 0,5…2,0 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U_вх

где ΔU_{кэ.откр} — падение напряжения (остаточное напряжение) на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение ΔU_{кэ.откр}, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. В зависимости от типа прибора напряжение ΔU_{кэ.откр} лежит в пределах 0,05…1,0 В. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с Е_к расчет тока I_к открытого транзистора проводится по формуле:

С учетом формулы (4.1) находят граничное значение тока базы I_{б. гр} открытого транзистора, при котором наблюдается пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы:

Таким образом, точка М_о на рисунке 4.3, б представляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора при I_б = I_б.гр.

При дальнейшем увеличении тока базы (I_б > I_{б. гр}) остаточное напряжение ΔU_{кэ..откр} остается почти неизменным, так как все коллекторные характеристики транзистора при I_б > I_{б. гр} практически проходят через точку М_о на рисунке 4.3, б. Режим работы открытого транзистора при I_б > I_{б. гр} называют насыщенным, а отношение S = I_б /I_{б. гр} — коэффициентом насыщения транзистора.

Режим насыщения широко используют для обеспечения открытого состояния транзистора. Его открытое состояние при этом становится более устойчивым к воздействию помех во входной цепи, а положение точки М_о не зависит от изменения коэффициента передачи тока β_ст транзистора, в частности, с понижением температуры. В режиме насыщения ток базы транзистора

,

где коэффициент S для надежного насыщения транзистора в требуемом температурном диапазоне может составлять 1,5…3,0. Найденный ток базы обеспечивается параметрами входной цепи ключевой схемы:

Рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения (рисунок 4.4, а). Это необходимо для выяснения свойств схемы при передаче импульсных сигналов. Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы (длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю).

На интервале t — t₁, когда входной импульс напряжения отсутствует, транзистор заперт напряжением U_вх..зап положительной полярности. Токи I_б, I_к определяются тепловым током транзистора I_к (рисунок 4.4, б, в). Напряжение на транзисторе U_кэ = – (Е_к – I_к R_к) (рисунок 4.4, г).

С момента времени t₁ (cм. рисунок 4.4, а) процессы в схеме обусловливаются отпиранием транзистора входным импульсом напряжения отрицательной полярности U_вх.отп. Это сопровождается изменением тока i_к и напряжения u_кэ транзистора (рисунок 4.4, в, г). Как видно из диаграмм, характер трансформирования i_к и u_кэ при отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения

а — входной импульс напряжения; б — ток базы; в — ток коллектора;г — напряжение на коллекторе

Рисунок 4.4 — Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы

входного напряжения. Отличие обусловлено инерционностью транзистора и проявляется в постепенных нарастании тока i_к и уменьшении напряжения u_кэ. В первом приближении можно принять, что изменения i_к(t) и u_кэ(t) происходят по экспоненте. Тогда инерционность транзистора может быть учтена эквивалентной постоянной времени τ_В = τ_β + τ_к в предположении τ_к = />_к(э) R_к, где />_к(э) — интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ.

Если принять, что ток базы в интервале отпирания имеет прямоугольную форму с амплитудой I_б.отп ≈ U_вх.отп / R_б > I_б.гр (см. рисунок 4.4, б), то вызванный им ток i_к (t) будет изменяться по закону:

.

(4.2)

Коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к β_ст I_б.отп > E_к / R_к (см. рисунок 4.4, в). Однако, достигнув предельного значения I_к ≈ E_к / R_к, ток i_к в дальнейшем не изменяется и формирование фронта импульса i_к заканчивается. Положив в формуле (4.2) i_к = I_к, находим длительность фронта нарастания коллекторного тока транзистора:

.

(4.3)

.

(4.4)

Из соотношения (4.4) следует, что длительность фронта импульса сокращается с увеличением коэффициента насыщения транзистора. Это объясняется тем, что большему коэффициенту S соответствует больший отпирающий базовый ток, вследствие чего ток коллектора достигает установившегося значения за меньший интервал времени. Так, например, при τ_В = 5 мкс и S = 3 получаем t_ф = 2,03 мкс. При S = 1 (транзистор при отпирании работает в активном режиме) соотношение (4.4) не может быть использовано для определения t_ф. В этом случае уместно говорить об активной длительности фронта, определяемой относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока (4.2): t_ф = τ_В ln 0,9/0,1 = 2,2 τ_В.

В момент времени t_З действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. К базе транзистора прикладывается запирающее напряжение U_вх.зап (см. рисунок 4.4, а). При этом ток коллектора и напряжение u_кэ в течение некоторого времени остаются неизменными, а транзистор по прежнему открыт. Создается задержка в запирании транзистора. Это объясняется тем, что до момента времени t_З транзистор находился в режиме насыщения и при поступлении запирающего сигнала ток коллектора еще поддерживается уходящими из базы в коллектор избыточными носителями заряда (дырками). Только после ухода (рассасывания) избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе — возрастать (см. рисунок 4.4, в, г). Помимо ухода избыточных носителей заряда по цепи коллектора их рассасывание осуществляется и по цепи базы за счет протекания обратного тока I_б.обр, вызванного запирающим напряжением. Обратный (инверсный) ток базы при этом ограничивается сопротивлением R_б входной цепи: I_б.обр ≈ U_вх.зап /R_б.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания t_р (см. рисунок 4.4, в). Это время пропорционально коэффициенту насыщения S. Следующий затем интервал спадания тока i_к определяет время заднего фронта (среза) t_с коллекторного тока.

При определении t_p и t_c необходимо решать уравнение, описывающее изменение заряда в базе. Ввиду пропорциональности заряда в базе току коллектора (базы) процесс, протекающий в транзисторе после момента времени t₃, выражается через токи транзистора в следующем виде:

,

(4.5)

где τ_β‘ — эквивалентная постоянная времени, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения, но меньше постоянной времени τ_β, действительной для активного режима (τ_β‘ ≈ τ_β /2). Выражение (4.5) является уравнением экспоненциальной кривой, показанной в интервале t₃ — t₄ пунктиром (см. рисунок 4.4, в).

.

(4.6)

После выхода транзистора из насыщения ток i_к(t) уменьшается от значения I_к, также стремясь к β_ст I_б.гр (рисунок 4.4, в), т. е.

.

(4.7)

Положив в формуле (4.7) i_к = 0, получаем, что

.

(4.8)

Длительности t_ф, t_p, t_c характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Как следует из выражений (4.3), (4.6), (4.8), они зависят от частотных свойств транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до единиц микросекунды.

В настоящее время широко используется (особенно в интегральных микросхемах) ключевой режим работы кремниевых транзисторов типа п-р-п. По построению и характеру работы ключевая схема на таком транзисторе аналогична схеме рисунка 4.3, а. Отличие заключается в противоположных полярностях напряжения питания Е_к и отпирающего напряжения U_вх.отп, а также в противоположных направлениях токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые транзисторы, в частности типа п-р-п, имеют довольно малый тепловой ток I_к0. Влияние тока I_к0 в выходной и входной цепях закрытого транзистора пренебрежимо мало. По этой причине запирание этих транзисторов осуществимо при U_вх.зап = U_бэ = 0. Эта особенность кремниевых транзисторов дает важное практическое преимущество — возможность исключить дополнительные источники запирающего напряжения в базовых цепях, необходимые для германиевых транзисторов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: "Что-то тут концом пахнет". 8421 — | 8038 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 по­казана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для на­глядности— с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что на­пряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника— если соотношение 2 >IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напря­жение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет та­кой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реаль­но можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еле­дует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяет­ся к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенци­ал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзи­сторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полно­стью — лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень непри­ятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).

Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Самое интересное, что рассчитывать его практически не на­до — лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше чем 0,6 В. Чем он больше, тем лучше, но все же сопротив­ление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор Re, но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как ука­зано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот рези­стор будет так: если включающее напряжение на Re подано, то он не оказы­вает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую — примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R63 надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «зем­ле» или «висит в воздухе».

Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R63 при работе в ключевом режиме часто забывают — да­же в очень интересной во всех отношениях книге [16] повсеместно встреча­ется эта ошибка.

Простейшая ключевая схема есть вариант т. н. схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к пита­нию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой кни­ге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распростра­ненные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое питание, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.

Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвер­тирован (то есть противоположен по фазе) по отношению к входному сигна­лу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеет­ся — на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертиру­ет сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному ре­жиму работы, о котором будет рассказано). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке — то есть она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.

Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Транзистор Дарлинг­тона (его часто называют транзистор с «супербетой», мы будем называть его и так, и так) есть две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру само­стоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина Р для них равна произведению коэф­фициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до не­скольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обяза­тельно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение ме­жду базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величи­ну от обычного транзистора — то есть 1,2—1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных тран­зисторов может составлять несколько килоом.

Рис. 6.5. Другие схемы подключения: а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов

На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная схема па­раллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допусти­мого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естест­венно, не происходит— суммируются только предельно допустимые показатели. Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.