Стабилитроны

Стабилитрон – это диод с точно заданным напряжением пробоя, рассчитанный на непрерывную работу в области пробоя и предназначенный для стабилизации или ограничения напряжения. Напряжение пробоя UBR стабилитронов обозначается символом UZ и у стандартных образцов составляет UZ ≈ 3…400 В. Условное графическое обозначение и вольтамперная характеристика стабилитрона представлены на рис. 1.3 .

Рис. 1.3 Стабилитрон: а – условное обозначение; б – вольтамперная характеристика

Напряжение зенеровского пробоя U_Z зависит от температуры. Температурный коэффициент описывает относительное изменение напряжения пробоя при постоянном токе:

Дифференциальное сопротивление в области пробоя r_Z соответствует обратной величине наклона вольтамперной характеристики.

Рис. 1. 4. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона: а – схема; б – вольтамперная характеристика

Биполярные транзисторы

Транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три вывода. В зависимости от чередования областей полупроводников с различными типами электропроводности различают транзисторы типа p-n-p и типа n-p-n. Их схематическое устройство и условное графическое обозначение показано на рисунке 4.2.

Центральный слой транзистора называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником зарядов (электронов или дырок), – эмиттером(Э), а наружный слой, принимающий заряды, – коллектором(К).

На переход эмиттер – база напряжение источника Е_э подается в прямом направлении, и прямое сопротивление перехода мало, поэтому даже при малых Е_э возникает значительный ток эмиттер – база I_э. На переход коллектор-база напряжение источника Е_к подается в обратном направлении.

Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p (рисунок 1.5) (транзистор типа n-p-n работает аналогично). При отсутствии источника Е_э эмиттерный ток I_э=0, и в транзисторе через коллекторный переход в обратном направлении протекает малый ток (у кремниевых транзисторов I_{к о}= 0,1 ... 10 мкА).

При подключении источника Е_э возникает эмиттерный ток I_э: дырки преодолевают переход эмиттер-база и попадают в область базы, где частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Убыль электронов в базе пополняется электронами, поступающими из внешней цепи, образуя ток базы I_б. Благодаря диффузии часть дырок в базе, продолжая движение, доходит до коллектора и под действием электрического поля источника Е_к проходит коллекторный p-n-переход. В цепи база-коллектор протекает ток I_к=I_э–I_б.

Соотношение между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуют коэффициентом передачи тока

Так как I_кI_э, то для биполярных транзисторов = 0,9 ... 0,995, и ток коллектора I_к=I_ко+I_эI_э.

Рассмотренная схема включения транзистора, где база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей, называется схемой с общей базой. Ее применяют крайне редко из-за низкого коэффициента передачи тока.

Существует три способа включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (электрод, находящийся на входе и выходе схемы одновременно, определяет название схемы). Основной является схема с общим эмиттером (рис. 1.6,а), в которой входной ток равен току базы

I_б=I_э–I_к=I_э–(I_ко+I_э)=(1–)I_э–I_коI_эI_к.

Широкое применение схемы с общим эмиттером обусловлено малым входным (управляющим) током I_б. Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером =I_к/I_б колеблется в пределах 10 ... 200.

Выходные характеристики отражают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при I_б=const (рис. 1.6,в).

Режимы насыщения и отсечки

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличи­вать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме когда в коллекторной цепи включе­но сопротивление нагрузки Rн. В этом случае увеличение тока базы Iб приведет к увеличению тока коллектора Iк. В результате увеличится падение напряжения на нагрузке Rн и уменьшится напряжение на коллекторе Ukэ. Условием насыщения является

.

При глубоком насыщении транзистора выполняется условие Ukб>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме.

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количе­ство неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис.. В соответствии с этой схемой замещения напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия Ubэ = 0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разом­кнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис.1.7 б. В соответ­ствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ro и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки На вольт-амперных характеристиках транзисто­ра, приведенных на рис. 1.6а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли­ния при Iб=0.

Динамические характеристики биполярного транзистора.

Динамические харак­теристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время пере­ключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усили­тельного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот.

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 1.8. При включении транзистора (рис. 1.8 а) в его базу подается прямоуголь­ный импульс тока с крутым фронтом. Ток коллектора достигает установивше­гося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задер­жки t3 спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени tнар достигает установившегося значения Ik вкл, таким образом

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным Iб.вык. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания tрас. После оконча­ния процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени tcп. Таким образом, время выключения транзистора равно