Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
41
Н
i
. Если входное напряжение повысилось, то это приведет к
росту тока стабилитрона и тока через сопротивление
Б
R
. Паде-
ние напряжения на
Б
R
возрастает, а на нагрузке и стабилитроне
напряжение изменяется весьма незначительно.
а) б)
Рис. 3.4. Параметрический стабилизатор напряжения:
а — схема стабилизатора; б — ВАХ стабилитрона
Основными параметрами стабилитрона являются :
1) номинальное напряжение стабилизации (
CТ ном
U
);
2) максимально допустимая мощность рассеяния стаби-
литрона (
.maxрас
P
), которая определяется как:
.max max
,
СТ СТрас ном
P I U=
(3.2)
где
maxСТ
I
— максимальный ток стабилитрона.
По величине
.maxрас
P
стабилитроны делятся на три группы:
– стабилитроны малой мощности
.max
0,3 5
рас
Вт P Вт
;
– стабилитроны средней мощности
.max
0,3
рас
P Вт
;
– стабилитроны большой мощности
.max
5 10
рас
Вт P Вт
;
RБ VD
RН U
RБ ICT IН
+
-
U
вх
U
cт ном
U
cт min
U
cт max
I
cт max
I
cт ном Icт min
U
I
cт
42
3) минимальный (
minСТ
I
) и максимальный (
maxСТ
I
) токи
стабилизации.
Эти токи ограничивают область вольт-амперной характе-
ристики стабилитрона, в которой он способен выполнять свои
функции при обеспечении заданной надежности работы. У ма-
ломощных стабилитронов
minСТ
I
может быть 1 … 5 мА. Значение
maxСТ
I
для разных типов стабилитронов может находиться в пре-
делах от 10 мА до 2 А;
4) дифференциальное сопротивление стабилитрона (
СТ
r
),
определяемое как:
,
обр
СТ
СТ
U
r
I
=
(3.3)
Для различных типов стабилитронов значение
СТ
r
изме-
няется от долей Ома до десятков Ом. Если
minСТ СТ
II
, то диф-
ференциальное сопротивление резко возрастает, при этом стабилитрон перестает выполнять свою функцию;
5) сопротивление стабилитрона постоянному току (
СТ
R
),
определяемое как:
СТном
СТ
СТном
U
R
I
=
;
(3.4)
6) добротность стабилитрона (
СТ
), определяемая как:
.
.
СТ СТ
СТ
Rr
=
(3.5)
Чем больше
.СТ
, тем лучше стабилизирующее действие
прибора. Как правило,
.50СТ
;
7) температурный коэффициент напряжения стабилизации
(ТКН).
43
ТКН (
()UT
) указывает влияние температуры окружающей
среды на напряжение стабилизации:
()
СТ
UT
I const
U
UT
=
=
.
(3.6)
В схеме параметрического стабилизатора (рис. 3.4, а)
обычно задается необходимое выходное напряжение
ВЫХ
U
, ко-
торое может быть выбрано со значением, равным напряжению
стабилизации стабилитрона
СТ ном
U
. Также должны быть извест-
ны нагрузка
Н
R
и ток, протекающий через нее, —
Н
I
. При та-
ких условиях балластное сопротивление
Б
R
определяется как:
.
ВХ ВЫХ
Б
СТ Н
UU
R
II
−
=
+
(3.7)
В случае высокоомной нагрузки ток, протекающий через
нее, будет мал в сравнении с током стабилитрона (
0
Н
I
), в
этом случае:
.
ВХ ВЫХ
Б
СТ
UU
R
I
−
(3.8)
Задачу стабилизации напряжения питания выполняют
стабилизаторы напряжения. Недостатком параметрического
стабилизатора является то, что он может применяться лишь в
маломощных схемах и не всегда обеспечивает необходимую
степень стабилизации. Лучшими характеристиками обладают
компенсационные стабилизаторы. Это по сути автоматические
регуляторы, в которых фактическое выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением. Получаемый при этом сигнал
рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий
элемент стабилизатора так, чтобы сигнал рассогласования стре-
44
мился к нулю. Но в этих стабилизаторах в качестве источника
опорного напряжения малой мощности используются параметрические стабилизаторы.
Основными параметрами, определяющими качество работы параметрического стабилизатора напряжения, являются следующие:
1) коэффициент стабилизации (
СТ
K
).
Коэффициент стабилизации равен отношению относительного приращения напряжения на входе к относительному
приращению напряжения на выходе при неизменной нагрузке:
ВХ
ВЫХ
ВЫХ
ВХ
ВЫХ
ВЫХ
ВХ
ВХ
СТ
U
U
U
U
U
U
U
U
K
=
=
;
(3.9)
2) выходное сопротивление стабилизатора (
ВЫХ
R
).
Выходное сопротивление характеризует изменение выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки, но при
ВХ
U const=
:
ВЫХ
ВЫХ
Н
U
R
I
=
;
(3.10)
3) дрейф выходного напряжения (
).
Дрейф выходного напряжения обусловлен колебаниями
температуры и старением элементов схемы. Дрейф измеряется
приращением выходного напряжения на единичное изменение
соответствующего параметра — температуры и времени:
T ВЫХ
UT
=
,
(3.11)
ВЫХ
U
=
,
(3.12)
45
где
T
— изменение температуры,
— промежуток времени
работы источника от начала его эксплуатации;
4) коэффициент полезного действия (КПД).
КПД равен отношению мощности, выделенной в номинальном режиме на нагрузке, к мощности, потребляемой от источника питания стабилизатора:
Н
ВХ
PP=
;
(3.13)
5) диапазон допустимого изменения выходных и входных
напряжений и токов нагрузки, в пределах которого сохраняется
заданная степень стабилизации выходного напряжения.
46
4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
4.1. Принцип действия и режимы работы,
схемы включения транзистора
Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор
(рис. 4.1) с двумя взаимодействующими выпрямляющими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства
которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Роль выпрямляющего электрического
перехода выполняет p-n-переход. В биполярном транзисторе
используются одновременно два типа носителей зарядов электроны и дырки (отсюда и название биполярный). Переходы
транзистора образованы тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования
этих областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа. Работа
биполярного транзистора основана на взаимодействии двух p-n-
переходов; это обеспечивается тем, что толщина средней области транзистора (базы) выбирается меньше длины свободного
пробега носителей заряда в этой области.
а) б)
Рис. 4.1. Биполярный транзистор:
а — условное обозначение; б — структура
Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на
примере транзистора n-p-n типа, для которого концентрация ос-
n-p-n
p-n-p
К
n
+
p n Э
Б
47
новных носителей в n-области существенно выше, чем в
p-области, то есть справедливо неравенство
np
np
.
Для данной структуры, представленной на рис. 4.1, б,
n-область, которая в нашем примере будет инжектировать электроны в соседнюю p-область, называют эмиттером, крайняя
n-область, которая в дальнейшем должна экстрактировать находящиеся в соседней p-области электроны, называют коллектором, а среднюю область — базой.
Соответственно, примыкающий к эмиттеру p-n-переход
(П1) называют эмиттерным, а примыкающий к коллектору
(П2) — коллекторным (рис. 4.2). Приложим к эмиттерному пе-
реходу прямое (
БЭ
U
), а к коллекторному обратное (
КБ
U
) напря-
жения. В результате этого через эмиттерный переход П1 в область базы будут инжектироваться электроны, образуя эмиттерный ток транзистора
Э
I
. Поток электронов, обеспечивающих
ток
Э
I
через переход П1, показан на рис. 4.2 широкой стрелкой.
Рис. 4.2. Схема распределения
токов в биполярном транзисторе
Часть инжектированных в область базы электронов ре-
комбинируют с основными для этой области носителями заряда — дырками, образуя ток базы
'
Б
I
. Другая часть инжектиро-
ванных электронов, которая достигает коллекторного перехода
(П2), с помощью электрического поля, создаваемого напряже-
П1
I
Э
I
Б
I
К
R
1
R
Н
U
БЭ
U
КБ
Э К Б p n
П2
+
+
n
-
-
48
нием
КБ
U
, подвергается экстракции во вторую n-область транзи-
стора — коллектор, образуя через переход П2 коллекторный ток
'
К
I
. Уменьшение потока электронов через коллекторный пере-
ход (а, следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с
потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:
'
КЭ
II
=
, (4.1)
где
0,95 0,99
=
— коэффициент передачи тока эмиттера.
Через запертый коллекторный переход будет создаваться
обратный ток
К обр
I
, образованный потоком из n- в p-область не-
основных для коллекторной области носителей заряда — дырок
n
p
, который совместно с током
'
К
I
образует выходной ток тран-
зистора:
'
К К К обр Э К обр
I I I I I
= + = +
. (4.2)
Учитывая, что
Э Кобр
II
, на практике можно использо-
вать соотношение
КЭ
II
. Разность между эмиттерным и кол-
лекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа
представляет собой базовой ток:
Б Э К
I I I=−
. (4.3)
Коллекторный ток при этом связан с базовым:
КБ
II
=
, (4.4)
где
/(1 )
=−
— коэффициент передачи тока базы, при этом
1
. Из последних выражений следует, что транзистор пред-
ставляет собой управляемый элемент, поскольку значение его
49
коллекторного тока
К
I
зависит от значений токов эмиттера
Э
I
и базы
Б
I
. При этом значение тока
К
I
существенно зависит
от эффективности взаимодействия двух p-n-переходов, которая,
в свою очередь, обеспечивается малой толщиной базового слоя,
позволяющей уменьшить рекомбинацию инжектированных в
область базы неосновных носителей заряда. Уменьшению рекомбинации инжектированных в область базы носителей заряда
способствует также значительно меньшая концентрация основных носителей заряда в области базы по сравнению с концентрацией их в эмиттерной области.
Основные свойства транзистора определяются процессами
в базе. Если концентрация примесей по всему объему базового
слоя одинакова, то есть база однородна, то движение носителей
заряда в ней носит диффузионный характер. Если же база неоднородна, то за счет образовавшегося в ней внутреннего электрического поля движение носителей будет комбинированным:
диффузия сочетается с дрейфом носителей заряда в этом поле.
Транзисторы с однородной базой называются диффузионными,
с неоднородной — дрейфовыми. Последние обладают лучшими
частотными свойствами и получили широкое распространение.
Поскольку сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода велико (порядка нескольких МОм), в цепь
коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма
большими сопротивлениями, не изменяя коллекторного тока.
Соответственно, в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного
перехода, наоборот, мало (около десятков Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного тока
мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это
указывает на то, что транзистор является полупроводниковым
прибором, усиливающим мощность.
Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора:
1. Нормальный (активный) режим — на эмиттерный пе-
реход подают прямое напряжение, а на коллекторный — обрат-
50
ное; данный режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальные искажения усиливаемого сигнала.
2. Инверсный режим — к коллекторному переходу пода-
ют прямое напряжение, а к эмиттерному — обратное; инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в нормальном режиме и поэтому на практике применяется
редко.
3. Режим насыщения — к обоим переходам (эмиттерный
и коллекторный) подают прямое напряжение, выходной ток в
этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки; из-за малого напряжения между выводами
коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.
4. Режим отсечки — к обоим переходам подают обрат-
ные напряжения, выходной ток транзистора практически равен
нулю; данный режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.
Основным режимом работы биполярного транзистора в
аналоговых электронных устройствах является нормальный режим. Режимы насыщения и отсечки обычно применяются совместно для осуществления коммутации как силовых, так и информационных цепей, например, в импульсных источниках
электропитания.
Схемы включения транзистора
Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде «четырехполюсника». В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим
для входа и выхода «четырехполюсника», различают схемы
включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером
(ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 4.3).
Для анализа работы транзистора используется два вида
вольт-амперных характеристик (ВАХ): входные и выходные.
Первая из них представляет собой зависимость входного тока
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]