5. Режимы работы биполярных транзисторов

На каждый p-n переход может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответственно различают три основных режима работы транзистора:

– режим отсечки (запирания) – на оба перехода подано обратное напряжение (оба р-n перехода закрыты), выходной ток отсутствует;

– режим насыщения – на оба перехода подано прямое напряжение (оба р-n перехода открыты), выходной ток настолько велик, что дальнейшее увеличение этого тока невозможно;

– активный режим – на эмиттерный переход подано прямое, а на коллекторный – обратное напряжение.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. Эти режимы используются для работы транзистора в качестве ключа: ключ замкнут – транзистор находится в режиме насыщения, ключ разомкнут – транзистор находится в режиме отсечки.

В активном режиме управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование и т.п.).

6. Область применения

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в аналоговых устройствах – усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах.

Зачастую необходимо увеличить коллекторный ток I_к (ток нагрузки), в то время как параметры имеющихся транзисторов по току ограничены. В этом случае задача решается пу­тем их параллельного соединения (рис. 4.5, а).

Условием параллельной работы является минимальный разброс характеристик однотипных транзисторов (необходим их подбор по коэффициенту h_21э). Кроме того, в цепь эмиттера каждого транзистора устанавливают балансные резисторы R_э, величиной сопротивлений которых добиваются одинаковых по величине токов I_э транзисторов. Падение напряжения на каждом резисторе R_э в диапазоне рабочих токов должно быть не менее 0,7 В.

В случае необходимости получения высокого коэффициента усиления применяют схему Дарлингтона (рис. 4.5, б). В качестве транзистора VT1 можно использовать маломощный транзистор, который управляет более мощным транзистором VT2. Общий коэффициент усиления по току в этом случае будет равен

h21э = h21эVT1 · h21эVT2.

(4.14)

7. Простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе

К ак было отмечено ранее, наибольшее применение нашла схема включения транзистора с общим эмиттером. Схема простейшего усилительного каскада изображена на рис. 4.6.

Основными элементами схемы являются источник питания Е_к, управляемый элемент – транзистор VT и резистор R_к. Эти элементы образуют главную (выходную) цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока i_к создается усиленное переменное напряжение u_вых на выходе схемы.

Остальные элементы выполняют вспомогательную роль. Резистор R_б, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя

(4.14)

т.к. входное сопротивление h_11э малó по отношению к R_б.

Току базы покоя I_бп согласно входной характеристике (рис. 4.4, а) соответствует напряжение U_бэп.

Конденсатор С_р является разделительным. Для постоянного тока конденсатор представляет собой обрыв цепи, блокируя протекание постоянного тока от источника + Е_к в источник входного сигнала. Таким образом, низкое входное сопротивление эмиттерного перехода не шунтирует источник е_вх.

Переменный ток от источника входного сигнала е_вх беспрепятственно протекает через конденсатор и на эмиттерном переходе создает падение напряжения

,

(4.15)

где u_вх = е_вх для идеального источника э.д.с.

При подаче на эмиттерный переход входного переменного напряжения u_вх происходит его наложение на постоянное напряжение U_бэп, при положительном полупериоде они складываются, а при отрицательном – вычитаются (рис. 4.7).

Переменное напряжение в базовой цепи транзистора вызывает изменение тока базы, возникает переменная составляющая тока базы

.

(4.16)

Изменение тока базы приводит к изменению значения тока коллектора, т.к. i_к = i_б, а значит, к изменению значений напряжений на сопротивлении R_к и коллекторном переходе u_кэ. Однако, в соответствии со 2-м законом Кирхгофа сумма этих напряжений всегда будет равна постоянной величине – э.д.с. источника питания Е_к

.

(4.17)

На резисторе R_к падает выходное напряжение u_вых за счет протекания по нему тока i_к, управляемого по цепи базы. Выходное напряжение можно снимать как с резистора R_к, так и с перехода коллектор-эмиттер транзистора VT – принципиальной разницы нет.

Усилительные способности обусловлены тем, что изменение значений тока коллектора в  раз больше, чем тока базы.

Процесс усиления основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е_к в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.