1.5.2. Схемы включения и статические характеристики

биполярных транзисторов

Рис. 172

Как известно транзистор имеет три электрода, из которых в схеме включения один – входной, другой выходной, а третий – общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой электрод является общим, возможны три схемы включения транзистора - с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Все схемы включения транзистора содержат две цепи – входную и выходную и соответственно два источника электрической энергии.

На практике наибольшее распространение получила схема включения VT с общим эмиттером ОЭ (рис.172).

Входная цепь в данном случае между эмиттером и базой – является управляющей. В нее последовательно с источником питания Е_б включается источник слабых электрических колебаний U_вх, которые надо усилить. Электрические колебания, подаваемые во входную цепь, называют управляющим, или усиливаемым. сигналом.

Выходная цепь – между коллектором и эмиттером – является главной цепью. В эту цепь последовательно с источником Е_к включается нагрузка, на которой надо получить усиленный сигнал.

Как видно на рис.172, в этой схеме общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер.

Наибольшее значение при применении транзисторов имеют два вида характеристик – входные и выходные.

В схеме с ОЭ входной ток – ток базы I_{б ,} выходной ток – ток коллектора I_к, входное напряжение создается между базой и эмиттером U_бэ, а выходное – между коллектором и эмиттером U_кэ.

Выходной характеристикой (коллекторной) называют зависимость выходного тока I_к от выходного напряжения U_кэ при постоянном входном токе I_к0 (173, б).

I_к = f(U_кэ) при I_б = const.

а б

Рис. 173

Все коллекторные характеристики выходят из начала координат, т.е. при U_кэ = 0 ток I_к = 0, так как цепь коллектор – эмиттер закорочена. Коллекторная характеристика при I_б=0 называется начальной коллекторной характеристикой. При токе базы, равном нулю, начальный коллекторный ток I_к0 тоже маленькая величина, но с повышением температуры I_к0 увеличивается.

Чем больше ток базы I_б, тем выше располагается коллекторная характеристика. Это соответствует большему значению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора.

На коллекторной характеристике видно, что изменение коллекторного напряжения (ΔU_кэ) почти не влияет на величину тока коллектора (т.е. ΔI_к мало), так как рабочий участок характеристики пологий. Следовательно,

выходное сопротивление транзистора R_вых.э = ΔU_кэ/ ΔI_к при I_б = const в схеме с общим эмиттером велико и составляет десятки – сотни килоом.

Входной характеристикой называют зависимость входного тока I_б от входного напряжения U_бэ при постоянном выходном напряжении U_кэ (рис.173, а, где U_кэ1= 0, U_кэ3 > U_кэ2).

I_б = f(U_бэ) при U_кэ = const.

При U_кэ = 0 характеристика имеет вид прямой ветви вольтамперной характеристики диода. С увеличением постоянного напряжения U_кэ она сдвигается вправо.

Входные характеристики начинаются (как и прямая ветвь ВАХ диода) не из начала координат, а при некотором значении напряжения базы, называемом пороговым.

Входное сопротивление транзистора можно определить используя входную и выходную характеристики R_вх.э = h_11э= ΔU_бэ/ ΔI_б при I_кэ = const.

Величина этого сопротивления существенно зависит от мощности транзистора. Например, транзисторы большой и средней мощности имеют малое входное сопротивление, и которое с повышением тока коллектора резко уменьшается.

В этой схеме (ОЭ) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора Iк. Отношение этих токов определяет коэффициент усиления по току h_21Э схемы с ОЭ: h_21Э = Iк/ I_б при U_кэ = const.

Так как ток базы имеет малое значение, то это и обусловило широкое применение подобной схемы, так как в этом случае можно получить большое усиление входного сигнала по току.

Поскольку ток коллектора гораздо больше тока базы, а создаваемое им напряжение на нагрузке R_нв высокоомной выходной цепи значительно превышает напряжение во входной цепи, то, значит, схема с ОЭ усиливает и ток, и напряжение и, следовательно, дает очень большое усиление мощности (Р_к) входного сигнала.

Таким образом, анализ входных и выходных характеристик показывает, что ток эмиттера как прямой ток p-n перехода значительно изменяется (ΔI_бэ) при очень малых изменениях напряжения на эмиттерном переходе (ΔU_бэ) и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора (ΔI_к). На этом основаны усилительные свойства транзистора.

Транзисторы могут работать в линейном и ключевом режимах.

Простейшая схема транзисторного ключа с общим эмиттером (отличающейся наибольшим усилением по мощности по сравнению с другими возможными схемами) изображена на рис.174, а. Работу схемы можно пояснить,

а б

Рис. 174

пользуясь коллекторными характеристиками транзистора (рис. 174, б) и нагрузочной прямой, построенной при заданных значениях сопротивления R_к и источника питания Е_к.

Работа транзистора в режиме переключения (ключа) характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область насыщения, т.е. из точки А в точку Б.

В области отсечки 1 оба перехода транзистора закрыты, что соответствует выключенному состоянию транзистора, так как на базу в этом случае подается запирающее напряжение При этом (коллекторный переход смещен в обратном направлении) через коллектор транзистора протекает незначительный ток и он близок к обратному току коллектора I_к0 ( i_к =I_к0).

В области насыщения 3 транзистор находится во включенном состоянии (эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении). Для осуществления режима насыщения необходимо, чтобы входной ток базы i_б был равен или превышал некоторую величину тока базы насыщения I_бн при которой коллекторный ток I_к достигает максимального значения насыщения

I_кн = Е_к / R_к.

При этом напряжение на коллекторном переходе уменьшается до минимального остаточного напряжения U_кмин, которое часто называют напряжением насыщения транзистора U_{к нас} (его величина составляет примерно 1 В). При токе I_б = I_бн напряжение коллектор – база становится равным нулю U_к.б = 0. Величину I_бн можно определить из следующего выражения I_бн = I_кн/ h_21Э.

При обеспечении обоих режимов амплитуда перепада коллекторного напряжения при переключении получается равной

ΔU = Е_к ─ I_к0R_к─U_{к нас} .

Поскольку последние два слагаемых невелики, то практически можно считать ΔU ≈ Е_{к .}

Величина перепада коллекторного тока также оказывается значительной и определяется внешними элементами – источником Е_к и сопротивлением R_к

∆ I_к = (Е_к / R_к) ─ I_к0 ≈ Е_к / R_{к .}

При фазовом регулировании транзистор работает в так называемом ключевом режиме: при включении переходит из области отсечки в область насыщения, при выключении – наоборот.

Так как и режиме насыщения, и в режиме отсечки потери на транзисторе малы, то транзистор в схеме переключателя обладает хорошими ключевыми свойствами.

Время переключения транзистора зависит как от формы управляющего тока, так и от его частотных свойств.

Область 2 (между точками А и Б на рис. 174, б) называется активной или линейной и транзистор ведет себя как активный элемент.

При увеличении (или уменьшении) напряжения эмиттер - база ΔU_эб (рис.174, а, б) приводит к соответствующему увеличению (уменьшению) тока базы ∆ I_б , а следовательно, к увеличению (уменьшению) тока эмиттера ∆ I_э и тока коллектора ∆ I_к транзистора:

∆ I_к = h_21Э ∆ I_б; ∆ I_э = (h_21Э + 1)∆ I_б.

Изменение тока коллектора вызывает пропорциональное изменение напряжения на нагрузке и напряжения коллектор – эмиттер транзистор

ΔU_кэ = ∆ I_к R_н.

Определив значения произведений ∆ I_к ΔU_кэ и ∆ I_б ΔU_эб и вычислив их отношение, нетрудно получить коэффициент усиления транзисторного каскада по мощности ( и использовав при этом подстановку ΔU_кэ = ∆ I_к R_н)

К_У = (∆ I_к ΔU_кэ)/(∆ I_б ΔU_эб) = (∆ I_к /∆ I_б)×(∆ I_к R_н)/(∆ I_б h_11Э) = h²_21Э(R_н /h_11Э ), где h_11Э = ΔU_эб /∆ I_б – входное сопротивление транзистора.

Для мощных транзисторов при токах эмиттера, превышающих десятки-сотни миллиампер, h_11Э составляет единицы – десятки Ом, для маломощных транзисторов увеличивается до сотен Ом.

При достаточно большом напряжении Е_к ( Е_к » U_эб) сопротивление нагрузки R_н может быть выбрано много большим h_11Э, что при h_21Э »1 обуславливает сравнительно большое усиление сигнала по мощности даже в рассматриваемом случае простейшего транзисторного каскада.

Пример. Пусть h_21Э =10, h_11Э =10 Ом. При R_н = 100 Ом коэффициент усиления рассматриваемого каскада (на одном транзисторе) по мощности составит К_у = 10² (100/10) = 1000.

Как уже было сказано ранее, транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером обладает наибольшим усилением по мощности, поскольку в нем происходит усиление входного сигнала как по напряжению, так и по току.