Опыт 2. Транзисторный ключ

Основой всех схем импульсной техники является транзисторный усилительный каскад, работающий в ключевом режиме. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис. 8). Анализ процессов в схеме транзисторного ключа удобно проводить графоаналитическим методом, воспользовавшись линией нагрузки по постоянному току (рис. 9).

Х отя ток базы отличен от нуля при сколь угодно малом нап­ряжении U_БЭ (рис. 8), фактически этот ток становится заметным лишь при напряжении база – эмиттер больше порогового. Обычно для кремниевых транзисторов U_{БЭ ПОР} = 0,5–0,6 В, а для германиевых U_{БЭ ПОР} = 0,1–0,2 В. При напряжении на базе меньше этих значений базовый ток практически равен нулю. Следовательно, и коллекторный ток близок к нулю (имеется только небольшой обратный ток коллектора I_КБО). Можно условно считать, что сопротивления закрытых эмиттерного и коллекторного p-n-переходов приблизительно равны бесконечности. Напряжение на коллекторе транзистора U_КЭ в этом случае близко к напряжению питания (точка А на рис. 9). Такое закрытое состояние транзистора соответствует режиму отсечки.

Транзистор открывается, когда на базу подается положительное напряжение больше порогового. По мере нарастания тока базы растет коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение U_КЭ за счет падения напряжения на резисторе R_К, а также уменьшается обратное напряжение U_КБ, приложенное к коллекторному переходу. Транзистор находится в активном режиме (отрезок АВ на рис. 9).

При дальнейшем увеличении базового (и коллекторного) тока напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю, а затем появляется и прямое смещение на коллекторном переходе (за счет увеличения падения напряжения на коллекторном резисторе R_К). Транзистор переходит в режим насыщения, когда оба p-n-перехода открыты (точка В на рис. 9). В результате коллекторный ток при дальнейшем увеличении базового тока перестает расти. Для кремниевых транзисторов напряжение насыщения, как правило, не превышает U_{КЭ НАС} = 0,2–0,3 В; для германиевых транзисторов U_{КЭ НАС} = 0,1–0,2 В.

О степени насыщения транзистора судят, сравнивая реальный базовый ток с минимальным базовым током, вызывающим насыщение I_{Б НАС}. При насыщении I_{К НАС} = (U_П – U_{КЭ НАС}) / R_К   U_П / R_К. Если коэффициент усиления тока равен h_21Э, то минимальный ток базы, вызывающий насыщение, равен

I_{Б НАС} = I_{К НАС} / h_21Э.

Степень насыщения S определяется по формуле

S = I_Б / I_{Б НАС} = (I_Б  h_21Э) / I_{К НАС} = (I_Б  h_21Э  R_K) / U_П.

При увеличении степени насыщения возрастает помехоустойчивость транзисторного ключа, но увеличивается также и время переключения.

Д ля проверки работы транзисторного ключа соберите на макетной панели схему, изображенную на рис. 10. Если замкнуть ключ К1, то транзистор будет закрыт (светодиод не светится). Если ключ К1 разомкнуть, то по загоранию светодиода можно определить наличие коллекторного тока.

Заполните табл. 2. Для этого: 1) измерьте вольтметром напряжение насыщения U_{КЭ НАС} и сравните его со справочными данными; 2) вычислите степень насыщения транзистора в данной схеме.

Таблица 2

UП, В	UКЭ НАС, В	RК, Ом	IБ, мкА	h21Э (из табл. 1)	S