Как рассчитать резистор для базы транзистора

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:

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:

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:

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).

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.

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

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.

Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы

Входное сопротивление со стороны базы соответствует входному сопротивлению транзистора без учета шунтирующего действия резистивного делителя в цепи базы: .

Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора

Резистивный делитель R1, R2, формирует потенциал базы относительно земли. Уровень данного потенциала не должен зависеть от тока эмиттера , протекающего по резистору . Последний является датчиком температуры. Если ток делителя значительно превышает ток базы , то потенциал определяется напряжением питания и соотношением резисторов R1, R2. Поскольку коэффициент , а ток , то потенциал базы не зависит от тока при условии:

Потенциал базы определяется по второму закону Кирхгофа:

где  _d  статический потенциал эмиттерного рn — перехода.

Резисторы R1, R2 рассчитываются по закону Ома:

Определяются мощности , рассеиваемые на сопротивлениях R1, R2:

Примечание. Для германиевых транзисторов ; для кремневых транзисторов [9].

В среде «CIRCUITMAKER» принимается .

Расчет эквивалентного сопротивления базового делителя

При усилении сигналов переменного тока с частотой шина источника питания заземлена через внутренний конденсатор фильтра (на рисунке 1 не показан), т.к. емкостное сопротивление . Следовательно, по переменному току резисторы R1, R2 соединены параллельно. Эквивалентное сопротивление делителя .

Расчет активного входного сопротивления усилителя

На низких частотах, несоизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, входное сопротивление усилителя является чисто активным и соответствует параллельному соединению сопротивлений и :

Примечание. В области высоких частот, соизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, начинают влиять межэлектродные емкости: входное сопротивление (импеданс) транзистора является комплексной величиной

Расчет емкости разделительного конденсатора на входе усилителя

Разделительный конденсатор отделяет постоянный потенциал базы от источника информационного сигнала, подавляет низкие частоты и пропускает высокие частоты. Величина емкости рассчитывается на нижней частоте информационного сигнала по формуле:

Для уменьшения ослабления входного сигнала на низких частотах расчетное значение емкости увеличивается в 10-100 раз.

Расчет коэффициента усиления

Определяется емкость шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера для заданного значения модуля коэффициента усиления

Определяется модуль коэффициента усиления для расчетного значения емкости

Расчет амплитуды входного напряжения и тока

Номинальная амплитуда входного напряжения

Амплитуда входного тока .

Расчет коэффициента усиления по току и по мощности

Коэффициент усиления по току .

Коэффициент усиления по мощности .

Расчет номинальной мощности входного сигнала

Номинальная входная мощность определяется из тождества:

2.2 Расчет усилителя с общим коллектором

Исходными данными для расчета усилителя с общим коллектором (Рисунок 2) являются следующие параметры:

активное сопротивление нагрузки ;

активная мощность нагрузки ;

коэффициент передачи тока базы транзистора;

рабочая частота (частотный диапазон) информационного сигнала .

Методика расчета

Расчет амплитуды выходного напряжения и тока нагрузки

Амплитуда выходного напряжения и ток нагрузки усилителя определяется в соответствии с разделом 2.1, п.1.

Выбор транзисторов

Выбор транзисторов осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.2.

Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе усилителя

Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.3: .

Расчет резистора в цепи эмиттера и его мощности

Для исключения искажений информационного сигнала потенциал эмиттера и ток эмиттера в статическом режиме (при отсутствии входного сигнала) выбираются из условия: , .

Резистор в цепи эмиттера . Мощность , рассеиваемая на сопротивлении R3: .

Расчет эквивалентного сопротивления эмиттерной цепи

При достаточно большой емкости разделительного конденсатора С3 эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи соответствует параллельному соединению сопротивлений и : .

Расчет входного сопротивления транзистора

Для схемы с общим коллектором входное сопротивление транзистора определяется без учета шунтирующего действия резистивного делителя со стороны базы: .

Расчет тока базы в статическом режиме

При известном значении параметров и транзистора статический ток базы .

Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора

Резистивный делитель R1, R2, формирует потенциал базы относительно земли. Элементы делителя выбираются таким образом, чтобы минимизировать шунтирование входного сопротивления . По первому закону Кирхгофа в базовом узле ток растекается: по резистору R2 течет ток , а по резистору R1 – ток . Для уменьшения шунтирующего действия делителя R1, R2 величина тока выбирается из условия: .

Расчет сопротивлений делителя R1, R2:

расчет потенциала базы в статическом режиме: .

расчет сопротивления R2 делителя: .

расчет сопротивления R1 делителя: .

расчет мощностей резисторов делителя: , .

Примечание. Для германиевых транзисторов ; для кремневых транзисторов . В среде «CIRCUITMAKER» принимается .

Расчет эквивалентного сопротивления делителя в цепи базы

При достаточно большой емкости фильтра эквивалентное сопротивление базового делителя на переменном токе соответствует параллельному соединению его элементов: .

Расчет активного входного сопротивления усилителя

На низких частотах, несоизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, входное сопротивление усилителя является чисто активным и соответствует параллельному соединению сопротивлений и :

Расчет емкости разделительного конденсатора на входе усилителя

Расчет емкости разделительного конденсатора на входе осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.12: .

Расчет коэффициента усиления по напряжению

Модуль коэффициента усиления по напряжению зависит от коэффициента транзистора, а также от соотношения эквивалентных сопротивлений участка коллектор-эмиттер и цепи эмиттера : .

Входной и выходной сигналы ЭП формируются относительно коллектора, имеющего на переменном токе нулевой потенциал. Следовательно, эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи подключено параллельно динамическому сопротивлению участка коллектор – эмиттер транзистора :

Расчет амплитуды входного напряжения и тока

Номинальная амплитуда входного напряжения

Амплитуда входного тока .

Расчет коэффициента усиления по току и по мощности

Коэффициент усиления по току .

Коэффициент усиления по мощности .

Расчет номинальной мощности входного сигнала

Номинальная мощность информационного сигнала на входе усилителя определяется из тождества: .

Как рассчитать резистор для базы транзистора

Начинающим />Практические советы />Расчёт транзисторного ключа

Расчёт транзисторного ключа

Для транзисторного ключа не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току.
Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток определяется по справочнику или datasheet на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле:

h_21э=I_к/I_б
I_к — ток колектора
I_б — ток базы
В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через лампу, а ток базы — это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (Iвых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107.
Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор. Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме
В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле:
UR1=U1-Uб=2,4В-0,7В=1,7В .
Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него:
R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом .
При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали, чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока
В схеме, приведённой на рисунке 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 3) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора.

Рисунок 3 – Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока Iко транзисторного ключа резистором.
В схеме, приведённой на рисунке 3, можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен:
IR2=4 мА/3 =1,3 мА .
Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В.
R2 = Uб/IR2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом
В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно, и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Приветствую всех снова на нашем сайте, сегодня продолжаем активно погружаться в нюансы работы транзисторов и переходим к практическому рассмотрению одной из схем — ключа на биполярном транзисторе.

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний — открытом (включенном) или закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Приступаем к детальному разбору.

И первым делом рассмотрим непосредственно саму схему:

Здесь у нас используется n-p-n транзистор. А вот вариант для p-n-p:

И по нашей уже устоявшейся традиции будем разбирать все аспекты работы на примере n-p-n транзистора. Суть и основные принципы остаются неизменными и для p-n-p. Так что работаем с этой схемой (здесь мы добавили протекающие по цепи токи):

Как вы уже заметили, схема очень напоминает включение транзистора с общим эмиттером. И действительно именно схема с ОЭ чаще всего используется при построении ключей. Только здесь у нас добавились два резистора ( R_б и R_к ). Вот с них и начнем.

Зачем нужен резистор в цепи базы?

Итак, нам нужно подать на переход база-эмиттер напряжение прямого смещения. Его величина указывается среди параметров конкретного транзистора и обычно составляет в районе 0.6 В. Также мы знаем, какой управляющий сигнал мы будем подавать на вход для того, чтобы открыть транзистор. Например, при использовании микроконтроллера (возьмем STM32 к примеру) для управления ключом, на входе цепи у нас будет либо 0 В (транзистор в данном случае закрыт), либо 3.3 В (транзистор открыт). В данной схеме сигнал на вход подается не с контроллера, а напрямую с источника напряжения E_ <вх>при замыкании переключателя S_1 .

Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы — а как его менять? Верно — изменяя сопротивление этого самого резистора. То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Мы уже несколько раз использовали термины «транзистор открыт» и «закрыт». Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

• для того, чтобы закрыть транзистор, мы стремимся перевести его в режим отсечки
• а чтобы открыть — в режим насыщения

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе.

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_ <вых>. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали:

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к ). Для коллекторной цепи мы можем записать:

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор — линейный элемент ( U_R = I_R R ), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют — нагрузочная прямая). Наносим ее на выходные характеристики транзистора и получаем следующее:

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_ <кэ>и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может.

И по итогу нам нужно обеспечить, чтобы в открытом состоянии рабочая точка оказалась в положении 1. В данном случае падение напряжения U_ <кэ>на транзисторе будет минимальным, то есть почти вся полезная мощность от источника окажется на нагрузке. В закрытом же состоянии рабочая точка должна быть в положении 2. Тогда почти все напряжение упадет на транзисторе, а нагрузка будет выключена.

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими аспектами работы ключа на транзисторе, давайте рассмотрим как же на практике производятся расчеты и выбор номиналов элементов.

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. Резистор R_к при этом остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В ( U_д ). При этом диод будет потреблять ток, равный 50 мА ( I_д ). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

• Коэффициент усиления по току h_ <21э>= 100. 500 (всегда задан именно диапазон, а не конкретное значение)
• Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_ <бэ>= 0.6 \medspace В .
• Напряжение насыщения: U_ <кэ \medspace нас>= 0.1 \medspace В .

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_ <21э>, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру. Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

• E_ <вх>= 3.3\medspace В . Я выбрал типовое значение, которое встречается на практике при разработке схем на контроллерах. В этом примере подача и отключение этого напряжения осуществляется переключателем S_1 .
• E_ <вых>= 9\medspace В .

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

При этом по закону Ома напряжение на резисторе R_ <к>:

А ток у нас задан, поскольку мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Тогда:

Итак, в этой формуле нам известно все, кроме сопротивления, которое и требуется определить:

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_ <к>= 120\medspace Ом . Причем важно выбирать именно большее значение. Связано это с тем, что если мы берем значение чуть больше рассчитанного, то ток через нагрузку будет немного меньше. Это не приведет ни к каким сбоям в работе. Если же взять меньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке будут превышать заданные, что уже хуже.

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

Пришло время определить ток базы, для этого используем минимальное значение коэффициента усиления:

А падение напряжения на резисторе R_б :

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, меньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии большая часть напряжения упадет на транзисторе ( U_ <кэ>), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним 👍 Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

• R_ <б>= 5.1\medspace КОм
• R_ <к>= 120\medspace Ом

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттера. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть — от теории к практике. Надеюсь, что материал был понятен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, будем разбираться.