Коллекторные вольтамперные характеристики .

Приемлемые для практики формальные выражения можно получить из следующих далее рассуждений , опирающихся на схему эксперимента (рис. 6) . На схеме триод включен с ОБ .

Здесь E1 , E2 − источники эдс постоянного тока ; R1 , R2 − регули − ровочные резисторы (потенциометры) , позволяющие установить тре − буемые значения напряжений U_эб и U_кб на эмиттерном и коллекторном переходах соответственно ; S − ключ в цепи эмиттера ; знаки E2 и U_кб могут быть изменены .

Стрелками указаны положительные направления токов эмиттера I_э и коллектора I_к , соответствующие нормальному включению триода прямой проводимости (p – n – p – типа) .

Рис. 6

Положим сначала , что ключ S разомкнут , цепь эмиттера обесточена , I_э = 0 . Изменяя величину и знак U_кб , фиксируя ток I_к , можно снять ВАХ коллекторного p – n – перехода : I_к = f(U_кб) .

Характеристика не отличается от ВАХ обычного вентильного диода (рис.39 ,а) . Формула характеристики

,

где I_к0 – обратный ток коллекторного перехода при I_э = 0 .

а б

Рис. 7

В схеме с ОБ при нормальном включении КП смещен обратно , на − пряжение на нем отрицательное −U_кб . Направление же обратного тока −I_к0 совпадает с положительным направле нием тока коллектора I_к (см. рис. 6) , поэтому обратную ветвь ВАХ КП при изображении коллек − торной характеристики переносят в первую четверть координатной сис − темы , а прямую − в третью (рис. 7 ,б) . Итак , на рис. 7 , б представлена коллекторная ВАХ БПТ при I_э = 0 (будем называть ее нулевой ) , фор − мула характеристики с учетом переноса обратной ветви в первую четверть и I_э = 0

.

Если U_кб < 0 и |−U_кб| >> φ_т ≈ 25мВ , то I_к ≈ I_к0 ; это значит , что уже при небольших отрицательных напряжениях U_кб ток I_к быстро достигает уровня I_к0 и далее остается неизменным .

Теперь положим , что ключ S замкнут , в цепи эмиттера течет ток I_э = I_э1 , тогда полный ток коллектора определяется суммой

.

Очевидно , новая коллекторная характеристика повторит форму нулевой , но сместится по отношению к ней на αI_э1 вверх . Уже при небольших отрицательных напряжениях |−U_кб| >> φ_т ток коллектора принимает значение I_к = αI_э1 + I_к0 и при дальнейшем увеличении |−U_кб| остается неизменным .

Задаваясь различными значениями I_э можно снять семейство коллекторных ВАХ (рис. 8) На семействе коллекторных ВАХ можно выделить три области : область отсечки (ОО) ; активная область (АО) ; область насыщения (ОН) .

Для того , чтобы вывести триод в область отсечки , необходимо выполнить следующие условия : I_э = 0 ; U_кб < 0 ; |U_кб| >> φ_т , тогда I_к = I_к0 ≈ 0 . На практике для выполнения условия I_э = 0 достаточно сместить эмиттерный переход в обратном направлении , при этом ток I_э =− I_э0 ≈ 0 .

Итак , чтобы вывести БПТ в состояние отсечки , необходимо на эмиттер и коллектор подать отрицательные относительно базы напря − жения −U_эб и −U_кб . В состоянии отсечки триод закрыт .

Для того , чтобы вывести триод в активную область , необходимо выполнить следующие условия : U_эб > 0 , I_э > 0 ; U_кб < 0 , |U_кб| >>φ_т , тогда I_к = αI_э + I_к0 ≈ αI_э . Изменяя ток эмиттера (входной ток) I_э , можно управлять током коллектора (выходным) I_к ; ток коллектора пропорционален току эмиттера . Итак , в АО эмиттерный переход должен быть смещен прямо , а коллекторный − обратно .

Для того , чтобы вывести триод в область насыщения , необходимо выполнить следующие условия : U_эб > 0 , I_э > 0 ; U_кб ≥ 0, тогда I_к > 0 . На границе между ОН и АО U_кб = 0 . В сос −

Рис. 8

тоянии насыщения , когда U_кб > 0 , оба перехода смещены прямо и ин − жектируют , и собирают носители зарядов . Обычно функция собирания у коллекторного перехода преобладает над функцией собирания эмиттер − ного перехода , поэтому токи коллектора и эмиттера сохраняют поло − жительное направление . В состоянии насыщения оба перехода смещены прямо , причем U_кб ≈ 0 , считается ,что триод полностью открыт .

Семейство коллекторных ВАХ (рис.40) отражает свойства идеали − зированной модели БПТ . Характеристики параллельны оси напряжений U_кб в активной области и эквидистантны .

Реальные характеристики (рис. 9) имеют небольшой наклон , который с приближением к напряжению пробоя резко увеличивается . Реальные характеристики неэквидистантны , т. е. расстояние между ними умень − шается при больших токах из – за уменьшения коэффициента передачи α .

Реальные ВАХ при увеличении температуры окружающей среды смещаются вверх , причиной этого является рост обратного тока кол − лекторного перехода I_к0 (как и у обычного вентильного диода)

,

где T – текущее значение температуры ; T₀ – температура , соответству − ющая нормальным условиям , обычно T₀ – комнатная температура ; ΔT – приращение температуры ; T* − температура удвоения .

Наклон характеристик в активной области определяет величину диф − ференциального сопротивления r_k обратно смещенного коллекторного перехода . С учетом r_k формула коллекторной ВАХ для активной области описывается выражением

.

Последними двумя членами выражения при невысоких температурах и рекомендованных паспортными данными на БПТ значениях U_кб можно

Рис. 9

пренебречь , что упрощает расчеты .

Семейство коллекторных ВАХ дополнено гиперболой допустимой мощности рассеяния на коллекторном переходе . График гиперболы рассчитывается из условия

P_к.доп = I_к∙U_кб = const .

P_к.доп является предельным параметром , который определяет возможность применения выбранного БПТ по мощности .