Содержание

Эмиттерный усилитель — схемы, характеристики, формулы, как устроен и работает

Рассмотрим RC-усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером и используется эмиттерная стабилизация начального режима работы (рис. 2.18).

Конденсатор С1 называемый разделительным, препятствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение режима работы транзистора по постоянному току.

Конденсатор С2, также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянному току. Конденсатор Сэ обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напряжению, так как уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения uкэ (говорят, что конденсатор Сэ ликвидирует отрицательную обратную связь на переменном токе).

Легко заметить, что для рассматриваемой схемы линия нагрузки на постоянном токе (ЛН, при uвх = 0) описывается следующим выражением, полученным при замене тока эмиттера током коллектора (так как iэ = iк): iк= − [1 / (Rк+Rэ)] ·uкэ+ [1 / (Rк+Rэ)] ·Eк

Пусть параметры элементов схемы таковы, что в начальном режиме работы iб = iб2. Соответствующее положение начальной рабочей точки указано на рис. 2.19.

На основании приведенного выше краткого анализа схемы с эмиттерной стабилизацией получаем uR2≈Eк·R2/ (R1+R2)uRэ=uR2–uбэiэ=uRэ/Rэ≈ [Eк·R2/ (R1+R2) −uбэ] /Rэ

При расчетах часто принимают, что uбэ = 0,6…0,7 В (для кремниевых транзисторов). Пренебрегая током Íко, получаем iк = βст · iб 

Учитывая, что iэ = iк + iб, получаем iб = iэ / (1+ βст )

Отсюда следует, что в схеме с эмиттерной стабилизацией ток базы непосредственно зависит от того, какое значение коэффициента βст будет иметь конкретный используемый транзистор. Если значение коэффициента βст окажется большим, то ток базы будет малым, и наоборот.

Предположим, что напряжение питания Ек задано и требуется обеспечить начальный режим работы при заданном начальном токе Iкн.

Изложим порядок предварительного определения величин Rэ, R1 и R2.

Напряжение u Rэ выбирают из соотношения u Rэ= ( 0,1 … 0,3) · Ек

Затем, учитывая, что iэ ~ iк, определяют Rэ:Rэ =uRэ/Iкн

Определяют максимальный ток базы iбmax, соответствующий минимальному значению βmin, коэффициента β: iбmax=Iкн/ βmin

Выбирают ток iдел делителя напряжения на резисторах R1 и R2, протекающий при отключении базы транзистора от делителя. При этом пользуются соотношениемiдел = (8 … 10) · iбmax

Находят сумму сопротивлений R1 + R2: R1 + R2 = Ек / iдел

Определяют напряжение uR2=uRэ+uбэ

При этом считают, что uбэ= (0,6…0,7) В.

Определяют R2 =uR2/ iдел 

Используя вычисленное выше значение суммы ( R1 + R2), получают R1 = ( R1 + R2 ) − R2

Изложенный порядок расчета величин Rэ, R1 и R2, a также другие подобные методики расчета электронных схем до применения математического моделирования составляли основу ручного проектирования устройств электроники. После подобных расчетов из конкретных электрорадиоэлементов изготавливали макет устройства и в результате его практического исследования уточняли значения параметров элементов схемы (к примеру, определяли действительно необходимое значение Rэ).

В настоящее время значение подобных расчетов состоит в том, что они:

● во-первых, помогают уяснить взаимосвязь различных параметров элементов электронной схемы, т. е. позволяют более глубоко проникнуть в сущность явлений, имеющих место в этой схеме;

● во-вторых, позволяют получить предварительные, ориентировочные значения параметров элементов, которые используются при математическом моделировании для определения окончательных значений.

Проведем анализ усилителя с эмиттерной стабилизацией. Поскольку в данной схеме действуют одновременно постоянные и переменные напряжения, то осуществляют анализ схемы сначала по постоянному току, а затем по переменному.

Но для этого вначале изображают эквивалентную схему замещения усилителя, заменяя транзистор его эквивалентной схемой замещения.

Для упрощения анализа часто в эквивалентной схеме замещения транзистора источником тока Íко и резистором ŕк пренебрегают, так как ŕк велико ( ŕк → ∞), а Íко мало ( Íко → 0). Получают эквивалентную схему замещения усилителя (рис. 2.20).

Параметры элементов усилителя (в частности, емкости конденсаторов С1, С2 и Сэ) выбирают таким образом, чтобы в области средних частот переменные составляющие напряжений на конденсаторах С1, С2 и Сэ были пренебрежимо малы.

Полезно отметить, что амплитуды указанных переменных составляющих зависят не только от емкостей С12 и Сэ.

В соответствии с изложенным в линейной эквивалентной схеме для средних частот сопротивлениями указанных конденсаторов пренебрегают.

Транзистор для усилителя выбирают таким образом, чтобы в области средних частот ухудшение его усилительных свойств при увеличении частоты было незначительным. Если обратиться к комплексному коэффициенту β, то сказанное означает, что выбирают транзистор с такой предельной частотой fпред, которая не меньше наибольшей частоты из области средних частот. Поэтому в линейной эквивалентной схеме усилителя для средних частот не используют емкости транзистора, а коэффициент β считают вещественным и постоянным.

В соответствии с изложенным, а также с целью упрощения расчетов, в эквивалентной схеме транзистора оставлены только резисторы с сопротивлением rб, rэ и источник тока, управляемый током β · iб.

Поскольку нас интересуют только переменные составляющие токов и напряжений, то величиной Ек и сопротивлением источника питания Ек пренебрегают. Будем считать, что Rr = 0 и влиянием резисторов R1 и R2 на коэффициент усиления переменного сигнала uвх можно пренебречь.

Рассмотрим линейную эквивалентную схему для средних частот, изображенную на рис. 2.21.

Ценность этой схемы не ограничивается тем, что она позволяет выполнить ручной расчет режима усиления. Еще более важно то, что эта схема помогает уяснить влияние параметров различных элементов усилителя на способность усиливать входной сигнал. Из этой схемы хорошо видно, что для переменных составляющих токов и напряжений резисторы Rк и Rн включены параллельно. При ручных графических расчетах этот факт находит отражение в том, что на выходных характеристиках строят так называемую линию нагрузки на переменном токе ЛН, наклон которой определяется величиной Rк //Rн = Rк · Rн / ( Rк + Rн )

Выше указывалось, что наклон линии нагрузки на постоянном токе ЛН определяется величиной Rк + Rн. Именно по линии ЛН перемещается рабочая точка РТ (не НРТ!), характеризующая режим работы усилителя при наличии переменного входного сигнала uвх. На рис. 2.22 указана амплитуда Uнтнапряжения на нагрузке uн, равная амплитуде переменной составляющей напряжения uкэ, и соответствующие предельные точки k и e на линии ЛН. При этом предполагается, что ток базы изменяется в пределах от i61 до iб3. Изобразим временные диаграммы, характеризующие работу усилителя (рис. 2.23).

Обратим внимание на тот факт, что выходной сигнал uн сдвинут относительно входного u вх на 180 градусов, т. е. RС-усилитель инвертирует сигнал по фазе. Иногда этот факт подчеркивают тем, что считают коэффициент усиления по напряжению отрицательной величиной.

Коэффициент усиления усилителя по напряжению Ки является одним из наиболее важных параметров усилителя. При условии, что R r= 0, коэффициент Ки определяется выражением Ки = Uн.m / Uвх.m где Uвх.m — амплитуда входного напряжения u вх. Обратимся к линейной эквивалентной схеме для средних частот (рис. 2.21). Обозначим через Iб m амплитуду переменной составляющей iб − тока базы. Тогда амплитуда Iэm переменной составляющей тока эмиттера iэ равна ( 1 + β ) ·Iбm, а величина Uвх.m определяется выражением Uвх.m=Iбm·rб+ ( 1 + β ) ·Iбm·rэ=Iбm· [rб+ ( 1 + β ) · rэ ]

Величина Uн.m определяется выражением Uн.m = β ·Iбm· ( Rк · Rн ) / ( Rк+ Rн )

С учетом выражений для Uвх.m и Uн.m получим Ки = [ β ·Rк·Rн/ (Rк+Rн) ] / [rб+ ( 1 + β ) ·rэ]

Обозначим через rд.оэ входное дифференциальное сопротивление транзистора для схемы с общим эмиттером. Очевидно, что rд.оэ = rб + ( 1 + β ) · rэ

В соответствии с этим можно записать: Ки = [ β ·Rк·Rн/ (Rк+Rн) ] /rд.оэ

Важными параметрами усилителя являются его входное и выходное сопротивления. Из линейной эквивалентной схемы, соответствующей принятым допущениям, хорошо видно, что входное сопротивление усилителя фактически является входным дифференциальным сопротивлением транзистора для схемы с общим эмиттером (rд.оэ). Очевидно и то, что выходное сопротивление усилителя равно величине Rк.

Коэффициент усиления по току Кi определяют выражением

Кi = Iн.m/Iвх.mгдеIвх.m,Iн.m — соответственно амплитуды тока источника входного сигнала и тока нагрузки.

В соответствии с принятыми допущениями Iвх.m=Iбm. Легко заметить, что Iн.m= β ·Iбm· [Rк·Rн/ (Rк+Rн) ] /Rн С учетом этого получим Кi = β ·Rк/ (Rк+Rн)

АЧХ и ФЧХ усилителя аналогичны типовым характеристикам, рассмотренным в предыдущих статьях.Спад АЧХ в области низких частот обусловлен уменьшением коэффициента усиления усилителя за счет увеличения реактивного сопротивления емкостей С1, С2, Сэ. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ограниченными частотными свойствами транзистора.

pue8.ru

Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы  и вообще с чем его едят, то берем  стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание,  будет удобнее ориентироваться в статье 🙂

[contents]

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.    В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

 

 Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
  2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
  3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
  4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как 

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

  1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
  2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
  3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
  4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти 🙂

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в  любом ближайшем  магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов  и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

popayaem.ru

Усилитель с общим эмиттером

Прежде чем использовать транзистор в качестве усилителя, на него нуж­но подать правильные напряжения смещения (задать режим работы по постоянному току), как показано на рис. 22.1(а) для прп-транзистора. Два напряжения смещения — VBE(обеспечивающее прямое смеще­ние эмиттерного перехода) и VCB(обеспечивающее обратное смещение коллекторного перехода) — подаются от последовательно соединенных источников. Эти источники можно заменить делителем напряжения R1R2, как показано на рис. 22.l(б). Теперь можно обойтись одним источником питания постоянного тока с напряжением VCC. Отношение сопротивлений резисторов R1 и R2 выбирается таким, чтобы на базе тран­зистора устанавливалось требуемое значение напряжения смещения.

Протекание тока покоя Is = VCC / (R1R2) через цепь смещения R1R2 связано с потреблением дополнительной мощности от источни­ка питания. Для уменьшения тока покоя применяются высокоомные резисторы R1R2. Однако, как будет показано далее, очень большое сопротивление R1 приводит к снижению стабильности транзистора по постоянному току.

Потенциал базы транзистора отсчитывается относительно провода с нулевым потенциалом или шасси (поэтому допустимо говорить «напряжение на базе») и, следовательно, равен падению напряжения на резисторе R2.

 

Рис. 22.1. Базовое смещение npn-транзистора.

 

Рис. 22.2. Базовое смещение pnp-транзистора.

Потенциал базы

 Например, при VСС = 10 В, R1 = 15 кОм, R2, = 1 кОм получаем

Изменяя номиналы резисторов R1 и R2, можно изменять напряжение на базе.

Тот же самый способ смещения применяется и для рпр-транзистора (рис. 22.2). В этом случае используется источник питания с напряжением отрицательной полярности (VСС). Делитель напряжения R1R2 выполняет ту же функцию, что и в случае прп-транзистора. Тот факт, что питающее напряжение отрицательно, нужно обязательно принимать во внимание, но в расчетах можно не учитывать. Таким образом,

Напряжение на базе равно -0,625 В.

Для получения прямого смещения эмиттерного перехода потенции базы должен быть «выше» потенциала эмиттера, т. е. быть более положительным, чем эмиттер в                          прп-транзисторе, и более отрицательным в рпр-транзисторе. Вообще, независимо от типа используемого транзистор потенциал базы всегда выше потенциала эмиттера, но ниже потенциал коллектора.

Как объяснялось в предыдущем разделе, величина тока, протекающего через транзистор, определяется напряжением прямого смещения эмиттерного перехода, т. е. разностью потенциалов базы и эмиттера VBE= VbVe. Изменение потенциалов базы или эмиттера приводит к изменению тока транзистора. В рассматриваемой транзисторной схемеэмиттер имеет потенциал шасси, следовательно, изменяться может толь­ко потенциал базы. 

Например, если потенциал базы Vb возрастает относительно потенциала эмиттера (становится более положительным для npn-транзистора или бо­лее отрицательным для pnp-транзистора), то разность потенциалов VBE увеличивается, что приводит к увеличению тока транзистора. Уменьше­ние потенциала базы Vbотносительно потенциала эмиттера сопровожда­ется уменьшением величины VBEи, следовательно, уменьшением тока транзистора.

Коллекторный (нагрузочный) резистор

Чтобы снять выходное напряжение с коллектора, в цепь коллектора включается нагрузочный резистор R3, называемый также коллекторным резистором (рис. 22.3). Коллекторный ток Ic, протекая через коллектор­ный резистор R3, создает на нем падение напряжения. Следовательно,

Так как все напряжения измеряются относительно шасси или потенци­ала земли, то коллекторное напряжение VCEесть разность потенциалов между коллектором и шасси. Как видно из схемы,

где VCC — напряжение источника питания, следовательно, VCE= VCCVR3. Для типичных величин, указанных на схеме, получаем

  (приблизительно),

VCE= VCC – VR3,= 10 – 4 = 6 В. 

Тепловой пробой

Как уже отмечалось, неосновные носители образуют так называемый ток утечки обратносмещенного перехода. Ток утечки ICB0 (часто называе­мыйобратным коллекторным током) протекает через обратносмещенный коллекторный переход транзистора так, как показано на рис. 22.4. Этот ток усиливается точно так же, как входной (базовый) ток, с коэффици­ентомусиления β. При увеличении температуры транзистора ток утечки возрастает. Он усиливается транзистором и увеличивает коллекторный ток, что приводит к дальнейшему повышению температуры транзистора и, следовательно, тока утечки и т. д. Описанный процесс, называемый тепловым пробоем, носит лавинообразный характер, и если его оставив без контроля, может привести к разрушению транзистора.

                                                                      

Рис. 22.3. Нагрузочный резистор R3.

Рис. 22.4. Ток утечки ICB0.

Стабилизация рабочего режима по постоянному току

В усилителе с ОЭ наличие тока утечки коллекторного перехода приводит к нестабильности режима работы транзистора по постоянному току (статического режима). Эту нестабильность можно преодолеть, включи резистор R4 в эмиттерную цепь транзистора, как показано на рис. 22.5. Потенциал эмиттера в этом случае становится равным падению напряжения на резисторе R4, которое создается при протекании эмиттерного тока Ie через этот резистор. Таким образом, Ve = Ie·R4. Стабилизации режима по постоянному току осуществляется следующим образом.

Предположим, что из-за возрастания тока утечки увеличились токи Ic и Ie. Тогда вместе с ними увеличивается и потенциал эмиттера Ve. Поскольку VBE= VbVe, то увеличение Ve приводит к уменьшению VBE. В результате уменьшается базовый ток, и величины токов Ic и Ie возвращаются к своим первоначальным значениям. С помощью эмиттерного резистора R4 вводится отрицательная обратная связь, обеспечивающая стабилизацию статического режима усилителя. Используя типичные номиналы резисторов, указанные на рис. 22.5, и принимая ток эмиттера Ie = 1,2 мА, получаем

     

Рис. 22.5.  Стабилизация усили­теля с                                                                      Рис. 22.6

общим эмиттером на прп-транзисторе с

помощью резистора R4 в цепи эмиттера.

В этом видео рассказывается о схеме включения транзистора с общим эмиттером:

Добавить комментарий

radiolubitel.net

Электронный эмиттер

 

ОПИСЛй ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

4O4l42

Союз Советскин

Социалистических

Республин

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 17.IV.1972 (№ 1771408/26-25) M. Кл. H 01j 1/30 с присоединением заявки №

Приоритет

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР ао делам изааретений и открытий

Опубликовано 26.Х.1973. Бюллетень ¹ 43

Дата опубликования описания 21.III.1974

УДК 621.385.032.212 (088.8) Лвторы изобретения

Л. Г. Ждан и В. Б. Сандомирский

Институт радиотехники и электроники АН СССР

Заявитель

ЗЛЕКТРОННЫЙ ЗМИТТЕР

Изобретение относится к эмиссионной катодной электронике и микроэлектронике и»ожет быть использовано в электронных приборах с фото- и вторичной электронной эмиссией, а также в качестве ненакаливаемых катодов в различных электронных и микроэлект ронных устройствах.

Известны электронные эмиттеры с отрицательным сродством и эмиттеры горячих электронов, основанные на ипжекции неравновесных носителей из контакта металл — полупроводник (диэлектрик) в тонкую металлическую пленку. Отрицательное сродство обычно создают за счет большого приповерхностпого изгиба зон в дырочном полупроводнике (в сторону обогащения электронами) и обработки поверхности полупроводника агентами (Cs, Cs,O и пр.), сильно понижающими электронное сродство. Лналогичная обработка применяется также и при изготовлении эмиттеров горячих электронов с целью повышения коэффициента их прохождения через тонкий слой металла.

Однако в случае известных эмиттеров не удается эффек- ивно управлять величиной электронного сродства в процессе работы эм иттер а.

Целью изобретения является управление величиной электронного сродства в процессе работы эмиттера.

Для этого в качестве материала активного слоя использован сегнетоэлектрик, полярная ось которого ориентирована преимущественно по нормали к плоскости металлических электродов.

В сегнетоэлектронике, находящемся при температурах, меньших температуры Кюри (Т,), в направлении, параллельном полярной оси, существует поверхностный изгиб зон, за10 гисящий от температуры и электрического поля. Он обусловлен избыточными поверхностными носителями заряда (свободными или локализованными), экранирующими спонтанную поляризацию сегнетоэлектрика. Поскольку эта

15 поляризация зависит от температуры и электрического поля, изменение температуры и поля позволяет контролировать поверхностную плотность заряда и, следовательно, приповерхностных изгиб зон.

20 Изобретение пояснено чертежами.

На фиг. 1 приведена картина распределения зарядов в сегнетоэлектрике; на фиг. 2 — приведена схема электронного эмиттера с тремя состояниями поляризации; на фиг. 3 — схемы

25 устройств, в которых может быть реализована поляризаця эмиттера. На фиг. 1 С вЂ” полярная ось кристалла, Р, Е„„— вектор спонтанной поляризации и внутреннего электрического поля, L „ — дно зоны проводимости, Е-,—

ЗО вершина валентной зоны, р. — уровень Ферми, 404142

2«е п

S

Э о

Т вЂ” температура. Случаи а и б иллюстрируют отсутствие и наличие электрического равновесия соответственно.

Величина спонтанной поляризации для различных сегнетоэлектриков лежит в диапазоне

2 10 — — 3 10 — 5 к/c», что отвечает плотности поверхностных зарядов и,= 1,б 10″ —— — — 2.10″ем †. Следовательно, при полном экранироваиии спонтанной поляризации носителями заряда в монодомеипом сегиетоэлектрике плотность избыточных поверхностных зарядов должна лежать в указанных пределах.

Оценка соответствующего изгиба зон

При обработке поверхности сегнетоэлектрика (например Cs или CsqO), понижающей поверхностный потенциальный барьер, возникает возможность эффективного регулирования электронного сродства r. в широких пределах за счет изменения величины сегнетоэлектрической поляризации под действием изменений емпературы, внешнего электрического поля или иных факторов.

Возможность регулирования сродства можно использовать для реализации электронного эмиттера с двумя устойчивыми состояниями эмиссионным и антиэмиссиониым, т. е. для реализации запоминающей эмиссионной структуры.

Область сегнетоэлектрического кристалла (фиг. 2) со сниженным электронным сродством для трех различных состояний поляризации обуславливается, например, различными значениями поляризующего поля, прикладывающегося к сегнетоэлектрику параллельно

С-оси.

В состоянии 1 вектор спонтанной поляризации направлен слева †напра, а внешнее поле равно нулю. При этом реализуется случай максимальной (или близкой к ней) эмиссионной эффективности (ri(0).

В состоянии 2 внешнее поле несколько уменьшило спонтанную поляризацию, электронное сродство х ) О, эмиссионная эффективность понизил acb.

Состояние 3 соответствует случаю, когда кристалл полностью переполяризоваи внешним полем. Вектор поляризации направлен справа †пале, электронное сродство хт))0, эмиссионная эффективность минимальна. «Аитиэмиссионное» состояние 3 будет сохраняться до подачи поля, превышающего коэрцитивное, навстречу новому направлению поляризации.

При этом, в зависимости от величины этого

50 могут установиться состояния поля вновь

2 или 1.

Возможно три способа электрической поляризации эмиттера (фиг. 3). Устройства, в которых может быть реализована поляризация эмиттера, содержат базовый металлический контакт 4, сегиетоэлектрический кристалл 5, тонкий (несколько сот ангстрем) металлический, например золотой, электрод б, вспомогательный контакт 7, внешний поляризу ощий электрод 8 (могущий также служить анодом) .

Устройства работают от источника питания с напряжением V.

В первом случае (фиг. 3 в) электрическое поле подают на образец между электродами

4 и 7 за счет проводимости эмиттерующей грани кристалла А — Л, иидуцироваииой обработкой агентами, понижающими работу выхода (Cs) или слабым поверхностным легироваиием.

Для облегчения условий поляризации или переполяризации на грань А — А можно также нанести мелкоструктурную металлическую сетку.

Во втором случае (фиг. 3 г) контакт обеспечивают на поверхности эмиттера А — А при помощи электрода б, прозрачного для эмиттируемых горячих электронов.

В третьем случае (фиг. 3 д) переполяризаиия при поверхностной области эмиттера происходит при проникновении внешнего поля, например в режиме автоэлектрониой эмиссии.

Все три устройства могут запоминать эмиссионное состояние.

Устройство, схема которого приведена на фиг. 3 г, является новым типом эмиттера горячих электронов, имеющим ряд преимуществ по сравнению с известны»и эмиттерами. Эти преимущества связаны с возможностями регулирования высоты контактного барьера на границе металл — сегнетоэлектрик за счет изменения сегнетоэлектричсской поляризации, получения высоких контактных барьеров, создания запоминаю них эмиссионных устройств.

Эмитте1з > Io>KeT бытb использован Té e B Ii3честве эмиттерной части звердотельпых и пленочных активных элементов с тонкой металлической базой, работа которых основана иа явлениях прохождения горячих электронов сквозь пленки металлов.

Предмет изобретения

Электронный эмиттер, содержащий базовый металлический электрод, расположенный на нем активный слой, верхний металлический электрод, полностью или частично покрывающий поверхность активного слоя, и средство, понижающее электронное сродство рабочей поверхности, отличаюшиася тем, что, с целью управления величиной электронного сродства в процессе работы эмиттера, в качестве материала активного слоя использован сегиетоэлектрик, полярная ось которого ориентирована преимущественно по нормали к плоскости металлических электродов.

404l42

C- ось

Фиг 7

5 Я 5

Фиг 5

Сост а в н тел ь Г. Жуко ва

Редактор Ф. Хлебников Текред T. Миронова

Корректор В. Жолудева

Заказ G17/13 Изд. № 224 Тираж 780 Подписное

ЦПИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР но делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Рауьвская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, д. 2

   

www.findpatent.ru

Работа транзистора в режиме ключа

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой.

С чего все начиналось

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку — ток побежал, отжали — получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку — сигнал есть, отжали пипку — сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между «включено» и «выключено» мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор «R» здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью «открыть» транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения«.

Этот рисунок — воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Базовая схема транзисторного ключа

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антенной, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится!

Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз  при отключении заземлять базу? В идеале — да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ<0,6 Вольт или чтобы ток базы IБ = 0. Этот способ чаще всего используется в МК и других логических схемах.

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме «отсечки«.

Практические опыты

Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б

Он у нас структуры NPN

А вот и его цоколевка

Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.

Будем собирать всю эту конструкцию вот по этой схеме:

Для начала найдем лампочку. Порылся в загашнике и нашел лампочку на 6 Вольт:

Вот так она светит при своих номинальных 6 Вольтах:

А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее цепануть напрямую к блоку питания.

0,22 Ампера.

Чтобы не спалить эмиттерный переход чрезвычайно большим током, я поставил туда базовый резистор на 150 Ом. Ниже расскажу, как я его рассчитал. Bat1  — это у нас будет вот этот блок питания:

А Bat2 — вот этот:

Вся схема в сборе будет выглядеть примерно вот так:

Синие провода — это с Bat2, а красный и черно-красный — с Bat1

Вставим амперметр в цепь базы для наблюдения результатов.

На деле все это будет выглядеть вот так:

Ну что, поехали! Добиваемся, чтобы через базовую цепь шел ток силой в 10 миллиампер, покрутив ручку на черном блоке питания Bat1

Лампочка засветилась, но тускло.

Оно и понятно, лампочка кушает всего-то 120 миллиампер

А давайте еще добавим напряжение на Bat1, увеличивая при этом силу тока через базу. Теперь сила тока через базу уже будет 15 миллиАмпер:

Смотрим, сколько при этом кушает наша лампочка:

150 миллиампер.

Снова крутим крутилку Bat1, увеличивая напряжение, а следовательно, и силу тока:

Смотрим на показания Bat2:

210 миллиампер.

Хм, мы на грани того, что сопротивления уже почти нет между эмиттером и коллектором, потому что когда мы цепляли лампочку напрямую от Bat2, она у нас кушала 220 миллиампер.

Ну давайте еще добавим напряжение на Bat1

Смотрим на показания Bat2:

Опа на! Можно сказать, что у нас схема превратилась в эту схемку 😉

А что будет, если мы еще больше прибавим силу тока на базе? Неужели у нас лампочка будет гореть еще ярче? Прибавляем до 30 миллиампер.

Барабанная дробь…

Побрейтесь! ))

Кстати, значение базового тока, после которого уже транзистор полностью открывается, называется границей насыщения. В моем случае граница насыщения наблюдается при токе чуть больше 23 миллиампер.

Ну что можно сказать из опыта? В нашей схеме базовый ток значением в 23-24 миллиАмпера полностью открыл транзистор, то есть сделал так, что сопротивление между эмиттером и коллектором стало почти равным нулю. Дальнейшее увеличение базового тока ни к чему не привело. Транзистор достиг насыщения. Он сыт этим базовым током по самое горло.

Это все равно, что давить на газ в автомобиле, который не может ехать 200 км/ч. 199 может, но даже если вы давите двумя ногами на педаль газа, загнув при этом саму педаль в пол и даже проломив днище автомобиля,  все равно не выжмите 200 км/ч. Что же является ограничением для лампочки, что она не может светить еще ярче? Самый что ни на есть простой закон Ома для участка цепи 😉 Чтобы в нашем случае лампочка светила еще ярче, нам можно добавить только напряжение на Bat2.

Давайте замеряем падение напряжения между коллектором и эмиттером (UКЭ), когда базовый ток IБ =30 миллиампер.

UКЭ=82,4 милливольта.

А когда я поднял базовый ток до 50 миллиампер, у нас UКЭ=51,7 милливольт.

Вывод?

Чем больше базовый ток, тем меньше падение напряжения, а следовательно и сопротивление между коллектором и эмиттером. Как нам гласит правило шунта: на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. Кстати, в буржуйских даташитах UКЭ обозначается как VCEsat.  «Sat» сокращенно от англ.  — saturation — что значит «насыщение».

То есть, получив сопротивление между коллектором и эмиттером близко к нулю, мы можем минимизировать потери на нагрев транзистора? Да, все верно, НО… здесь есть свои подводные камни

Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=UКЭ х IН

где

P — это мощность в Ваттах

UКЭ — напряжение между коллектором и эмиттером, В

IН — сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А

Из формулы: чем меньше UКЭ , тем меньше будет греться транзистор.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК «подтягивается» к нулю еще при программировании.

Расчет транзисторного ключа

Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:

Для начала можно найти ток базы:

где

IБ — это базовый ток, в Амперах

kНАС  — коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

I— коллекторный ток, в Амперах

β — коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите

Ну  а дальше дело за малым

Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения

Воспользуемся формулами, приведенными выше:

Ток коллектора мы знаем из нашего опыта. Он равен 0,22 Ампера.

Коэффициент β мы берем из даташита самый минимальный, то есть 20.

kНАС лучше взять равным 3.

Теперь считаем:

Берем ближайший резистор из ряда на 150 Ом.

Заключение

В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.

Продолжение——->

<——-Предыдущая статья

www.ruselectronic.com

характеристики, принцип действия, применение :: SYL.ru

IGBT-транзистор – это устройство с изолированным затвором. Сфера применения его очень широка. Чаще всего его можно встретить в электроприводах, которые используются как в быту, так и в промышленности. Дополнительно указанные транзисторы необходимы для работы корректоров мощности. Источники бесперебойного питания, которые используются для персональных компьютеров, без них также не могут работать.

В некоторых случаях транзисторы данного типа целесообразно устанавливать на сварочные инверторы. Там они заменяют обычные полевые аналоги. В конечном счете следует упомянуть об источниках питания. В данном случае они выполняют там роль проводника.

Как устроен транзистор?

Различные модели по своей структуре являются похожими, и схемы на IGBT-транзисторах имеются идентичные. В центральной части устройства располагается эмиттер. Под ним находится база, которая имеет определенную толщину. Коллектор в устройстве находится над эмиттером. При этом его переход может быть также различной ширины. Дополнительно следует отметить, что у коллектора имеется свой выход.

Принцип работы устройства

В приборах используются различные IGBT-транзисторы. Принцип работы их основан на колебаниях предельной частоты. При этом параметр полосы пропускания также изменяется. В зависимости от размера базы, номинальное напряжение системой выдерживается разное. При подаче тока на эмиттер он изменяет свою полярность.

Дальше у его основы проходит процесс преобразования. При этом переходы устройства не задействуются. Для увеличения предельной частоты к цепи подключается коллектор. Через его переходы ток поступает на базу. Последняя фаза преобразования происходит на выходе через проводники. Драйверы IGBT-транзисторов подбираются, исходя из серии модели.

Какие основные параметры у него есть?

Основным параметром транзистора принято считать предельную частоту. Измеряется этот показатель в Гц. На его величину влияет толщина базы устройства. Дополнительно следует учитывать пороговое напряжение прибора. В свою очередь, точность слежения зависит от пропускной способности коллектора. Переходы в данном случае осуществляются через базу. Для эмиттера основным параметром принято считать скорость отклика сигнала. Измеряется данный показатель в мс.

Транзисторы серии IRG4BC10K

Данные IGBT-транзисторы характеристики имеют хорошие и отличаются они довольно прочным корпусом. При этом база устанавливается толщиною ровно 1,1 мм. За счет этого пропускная способность устройства довольно хорошая. Дополнительно следует отметить высокую проводимость эмиттера. С лучевыми конденсаторами данные устройства работать не способны.

В свою очередь, для модуляторов указанные транзисторы подходят хорошо. Точность слежения устройства в конечном счете будет зависеть от многих параметров. В первую очередь важно учитывать пороговое напряжение на входе. Если оно превышает 20 В, то перед транзистором многие специалисты советуют устанавливать двоичную шину. Таким образом, отрицательное сопротивление в цепи можно значительно снизить.

Переходы эмиттера в устройстве существует возможность регулировать через изменения показателя индуктивности. Если рассматривать обычные преобразователи, то там для этих целей дополнительно устанавливаются регуляторы. Для того чтобы понять, как проверить IGBT-транзистор IRG4BC10K, необходимо ознакомиться с устройством мультиметра.

Параметры транзистора серии IRG4BC8K

Серия IRG4BC8K – это новые IGBT-транзисторы. Принцип работы их основан на изменении прохода. При этом параметр предельной частоты прибора будет зависеть от скорости процесса преобразования. База в указанной модели толщину имеет 1,3 мм. В связи с этим номинальное напряжение на входе устройство способно выдерживать на уровне 4 В.

Дополнительно следует учитывать, что для усилителей представленная модель не годится. Связано это в большей степени с малой скоростью переходов. Однако преимуществом этой модели можно назвать низкий порог сопротивления. В связи с этим в регуляторах мощности данный прибор способен работать довольно успешно. Некоторые специалисты его также устанавливают в различные электроприводы.

Применение моделей IRG4BC17K

Применение IGBT-транзисторов IRG4BC17K очень широко. Указанная модель проводников имеет всего два. Толщина базы в данном случае равняется 1,2 мм. Параметр предельной частоты устройства в среднем не превышает 5 Гц. За счет этого отрицательное сопротивление системой выдерживается довольно большое. Эмиттер в данном случае обладает высокой проводимостью.

Управление IGBT-транзистором осуществляется через смену фазы в цепи. Используется конкретно эта модель чаще всего в регуляторах мощности. Дополнительно многие специалисты устанавливают эти транзисторы в качестве проводников в устройства бесперебойного питания.

Особенности модели IRG4BC15K

Указанный IGBT-транзистор отличается наличием буферного слоя в эмиттере. Пропускная способность достигает 4 мк. Для регулировки переходов используется подложка. С лучевыми конденсаторами устройства данного типа работать не способны. Дополнительно следует учитывать, что в преобразователи эти модели устанавливаются довольно редко. Связано это в большей степени с тем, что точность слежения у устройств очень низкая. Однако некоторые специалисты для решения этой проблемы устанавливают в начале цепи двоичные шины.

Для того чтобы корректно работали IGBT-транзисторы, проверка их мультиметром должна осуществляться как можно чаще. С регуляторами IRG4BC15K используются довольно часто. В этом случае особое внимание следует уделять параметру индукции, а также пороговому напряжению. Если оно на входе превышает 40 В, то процесс размагничивания эмиттера будет происходить довольно быстро. Использоваться IRG4BC15K способен при температуре свыше 40 градусов. Работа IGBT-транзистора основана на изменении предельной частоты. Регулировать ее можно несколькими способами.

В усилителях это происходит за счет быстрой смены фазы. Если рассматривать устройства бесперебойного питания, то там многое зависит от типа конденсаторов. При использовании аналоговых модификаций смена параметра предельной частоты осуществляется за счет переключения подложки. Для того чтобы понять, как проверить IGBT-транзистор IRG4BC15K, необходимо ознакомиться с устройством мультиметра.

Область применения транзистора IRG4BC3K

Данная модель, как правило, используется в электроприводах различной мощности. Если рассматривать промышленные модификации, то там они играют роль проводников. Для увеличения показателя чувствительности устройства многие специалисты советуют использовать двоичную шину в цепи. Также следует учитывать, что конденсаторы должны устанавливаться только закрытого типа. Все это необходимо для того, чтобы тепловые потери в цепи были минимальными. В результате пропускная способность эмиттера, который располагается в транзисторе, будет максимальной.

В устройствах бесперебойного питания IRG4BC3K устанавливаются довольно редко. В первую очередь это обусловлено высоким показателем отрицательного сопротивления в цепи на уровне 5 Ом. Также еще одной проблемой в данной ситуации является медленный процесс преобразования. Для того чтобы понять, как проверить IGBT-транзистор мультиметром, необходимо ознакомиться с инструкцией к устройству.

Установка транзистора в электропривод

Устанавливают мощные IGBT-транзисторы на электропривод только возле двоичной шины. В данном случае целесообразнее подбирать модель с базой не более 1,2 мм. Все это необходимо для того, чтобы пропускная способность устройства не превышала в конечном счете 3 мк. Дополнительно многие специалисты советуют обращать внимание на параметр отрицательного сопротивления в цепи. В среднем он колеблется в районе 9 Ом. Для того чтобы переходы в устройстве происходили корректно, вышеуказанный параметр не должен превышать 11 Ом.

Лучевые конденсаторы в электроприводах лучше не использовать. В этом плане более умным будет установить аналоги закрытого типа. За счет этого можно значительно снизить тепловые потери. Наиболее распространенными проблемами в данной ситуации можно считать перегорание коллектора в транзисторе. Происходит это, как правило, из-за резкого повышения порогового напряжения.

Дополнительно проблема может заключаться в неправильном подсоединении транзистора к цепи. Выходной его проводник должен в обязательном порядке соединяться с анодом. При этом скорость отклика должна составлять как минимум 5 мс. Обработка контуров, в свою очередь, может быть разной. В данной ситуации многое зависит от ширины полосы пропускания устройства.

Транзистор в блоке питания на 5 В

Транзистор в блоке питания на 5 В может устанавливаться без двоичной шины. При этом предельное напряжение на входе регулировать можно. Для того чтобы повысить порог чувствительности устройства, многие в цепи дополнительно используют лучевые конденсаторы. Однако в такой ситуации может повыситься пороговое выходное напряжение. Принцип работы транзистора в блоке питания заключается в преобразовании тока. При этом параметр предельной частоты также изменяется. Происходит это через смену переходов в коллекторе.

Транзисторы у блоков на 10 В

Для того чтобы блок питания успешно функционировал, транзистор для него следует подбирать с базой не менее 1,1 мм. При этом переходы должны осуществляться со скоростью отклика в 6 мс. При таких параметрах можно надеяться на хорошую проводимость тока. Дополнительно следует учитывать предельную нагрузку на устройство.

В среднем данный показатель колеблется в районе 3 А. За счет резкого повышения отрицательного сопротивления в цепи силовые транзисторы IGBT могут перегореть. Чтобы предотвратить такие ситуации, важно использовать двоичную шину. Дополнительно следует обращать внимание на расположение конденсаторов на микросхеме. Некоторые специалисты в данном вопросе советуют смотреть на параметр полосы пропускания. Если конденсаторы в блоке питания находятся попарно, то тепловые потери при этом буду минимальными. Обратная связь в данном случае происходит довольно быстро, если транзистор отвечает всем требованиям блока.

Устройства в блоке на 15 В

Транзисторы для блока такой мощности подходят только с базами не менее 1,5 мм. При этом затворы на них должны быть установлены кремниевого типа. Конденсаторы для блоков можно использовать различные. В конечном счете важно следить за параметром порогового напряжения. Еще важно брать во внимание характеристики конденсаторов. Если износ их проводников осуществляется довольно быстро, то нагрузка на транзистор оказывается большая.

Транзисторы в регуляторах освещения

Транзисторы для регуляторов являются необходимыми. В первую очередь они играют роль проводников. Дополнительно они принимают участие в процессе преобразования тока. В данном случае изменение полярности тока происходит через эмиттерные переходники. Также следует учитывать, что уровень отрицательного сопротивления тесно связан с чувствительностью устройства.

Для того чтобы минимизировать тепловые потери транзистора, в регуляторе необходимо использовать двоичную шину. Также многие специалисты в этой области советуют новичкам применять конденсаторы в цепи только закрытого типа.

Транзисторы для инверторов солнечных батарей

Транзисторы для инверторов солнечных батарей необходимо подбирать исходя из показателя дифференциального сопротивления. В среднем данный параметр колеблется в районе 5 Ом. Дополнительно специалисты советуют обращать внимание на базу устройства. Ели ее толщина превышает 1,3 мм, то в инверторе могут происходить довольно резкие спады температуры.

Связано это с медленным откликом сигнала. Дополнительно важно помнить о чувствительности устройства. Для повышения данного параметра многие устанавливают рядом с транзисторами еще двоичные шины. За счет этого также в цепи повышается параметр предельного напряжения до 3 В. Однако в данном случае многое зависит от типа инвертора. Еще важно учитывать амплитуду модуляции, которая влияет на работу транзистора.

Модели в устройствах бесперебойного питания

Большинство транзисторов для установки в устройства бесперебойного питания годятся. При этом необходимо обращать внимание только на толщину базы. В данном случае она не должна превышать 1,4 мм. Еще некоторые специалисты советуют осматривать транзистор на наличие дополнительного проводника. На сегодняшний день многие производители выпускают именно такие модификации.

Связано это с тем, что полоса пропускания у них значительно повышается. Однако к недостаткам следует отнести низкую скорость отклика сигнала. Также важно учитывать, что у них в последнее время наблюдаются определенные проблемы, связанные с установкой двоичной шины рядом.

Транзистор IRG4BC10K для регулятора мощности

Для регулятора мощности данные транзисторы подходят идеально. Принцип работы указанной модели заключается в изменении предельной частоты в устройстве. Осуществляется это через смену перехода. При этом важно учитывать, что толщина базы в данном случае составляет ровно 1.2 мм. Помимо прочего надо отметить высокую пропускную способность транзистора на уровне 23 мк. Все это было достигнуто за счет увеличения мощности коллектора. Устанавливать данный элемент в регуляторе целесообразнее возле модулятора.

Также нужно заранее рассчитать уровень отрицательного сопротивления. Все это необходимо для того, чтобы минимизировать риск резкого повышения температуры внутри системы. В конечном счете это приведет к прогоранию коллектора в транзисторе. Также многие специалисты в данной ситуации считают не лишним позаботиться о зачистке проводников. Все это необходимо для того, чтобы увеличить скорость отдачи сигнала. При этом чувствительность прибора также повысится.

Транзистор IRG4BC13K для регулятора мощности

IGBT-транзистор данного типа оснащен специальным кремниевым затвором. Пропускная способность эмиттера в данном случае составляет более 4 мк. Для того чтобы повысить чувствительность коллектора, многие специалисты советуют применять двоичные шины. Устанавливаются они в регуляторе сразу за транзистором. Также важно учитывать параметр выходной мощности устройства.

Если он превышает 40 В, то двоичную шину в такой ситуации лучше не использовать. В противном случае тепловые потери будут довольно значительные. Еще одна проблема с транзисторами данной серии заключается в быстром перегреве коллектора. Происходит это при смене фазы. Связан этот процесс, как правило, с понижением индукции. Для того чтобы исправить эту ситуацию, важно поменять в регуляторе конденсаторы. Некоторые специалисты вместо закрытых элементов устанавливают полевые аналоги.

Модель IRG4BC19K для регулятора мощности

Данный IGBT-транзистор на сегодняшний день в регуляторах мощности встречается довольно часто. Обусловлен этот факт в первую очередь его большой пропускной способностью. Также следует отметить, что затвор в нем стандартно применяется кремниевый. Параметр отрицательного сопротивления при использовании данного транзистора не должен превышать 5 Ом. В противном случае пользователь столкнется с перегревом коллектора.

Также параллельно может пострадать база устройства. Исправить такие повреждения в транзисторе затем будет невозможно. Для того чтобы минимизировать риски в регуляторе, лучше устанавливать конденсаторы закрытого типа. За счет своей повышенной чувствительности они способны значительно ускорить процесс передачи сигнала. При этом ширина пропускания тока зависит от модулятора, который используется в регуляторе мощности.

www.syl.ru

Принцип работы биполярного транзистора

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.  

 

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.


Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

 

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

 

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк. 

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

 

Основное соотношение для токов транзистора 

Ток коллектора можно выразить как 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

 

  • Просмотров:
  • electroandi.ru

    Отправить ответ

    avatar
      Подписаться  
    Уведомление о