Ответы на вопросы по электронике:

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБ и UКБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттернуюцепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Транзисторный ключ

Транзисторный ключ — это схема, предназначенная для коммутации цепи нагрузки транзистора при воздействии на него внешних управляющих сигналов. Транзисторный ключ может находиться в двух стационарных состояниях: разомкнутом, когда транзистор заперт и работает в режиме отсечки тока; и замкнутом, когда транзистор открыт и работает либо в режиме насыщения, либо в активном режиме. Обычно (особенно при больших токах нагрузки) используют насыщенный транзисторный ключ, так как в режиме насыщения на биполярном транзисторе рассеивается меньшая мощность, чем в активном режиме. В насыщенном транзисторном ключе активный режим является переходным от одного стационарного состояния ключа в другое и определяет его быстродействие. Временные диаграммы переключения транзистора в схеме ключа (рис. 3.5, а), управляемого от источника с напряжением Еr и внутренним сопротивлением Rr, приведены на рис. 3.5, б. В исходном состоянии при Еr = Еr2 транзистор находится в режиме отсечки. Коллекторный ток в нагрузке Rк определяется начальным током транзистора Iкб0, который настолько мал, что можно принять Iкб0 приблизительно равным нулю. В момент скачкообразного изменения управляющего напряжения от значения Еr2 до Еr1 эмиттерный переход транзистора остается закрытым, так как напряжение на барьерных емкостях переходов Сэ и Ск мгновенно изменяться не может. Для появления базового тока необходимо, чтобы входная емкость Свх = Сэб + Скб перезарядилась до некоторого положительного напряжения, называемого пороговым. Обычно для кремниевых транзисторов Uпор = 0,6...0,8 В. Полагая, что базовый ток возрастает мгновенно до значения Iб1 ≈ (Er – Uпор) / (Rr + Rб), методом заряда можно показать, что ток коллектора изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени

τ = τβ + Ск · Rк · (β + 1), стремясь от нуля к значению Iб1β вследствие возрастания заряда в базе. Коллекторный ток при конечном сопротивлении резистора Rк может возрасти только до значения

Iкн = (Eк – Uкн) / Rк ≈ Eк / Rк. В этот момент транзистор входит в режим насыщения. Коллекторный ток остается постоянным, а заряд в базе продолжает возрастать до значения Iб1τβ ( τβ — среднее время «жизни» носителей в базовом и коллекторном слоях). Происходит накопление неосновных зарядов в базе. При подаче запирающего тока Iб2 ток Iк = Iкн остается постоянным до тех пор, пока заряд в базе не рассосется до граничного значения. В момент времени t4 транзистор выходит из режима насыщения и коллекторный ток уменьшается до нуля. Таким образом, весь процесс переключения транзистора можно разделить на три этапа:

формирование фронта tф (активный режим транзистора);

рассасывание заряда в базе tрас (режим насыщения);

формирование среза коллекторного тока tc (активный режим).

Автоколебательный мультивибратор на транзисторах

Мультивибраторы на биполярных транзисторах наиболее часто выполняют по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (рис. 17.1,а). Как и для триггера, симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов, т. е. RK1=RK2, RБ1=RБ2, СБ1=СБ2, параметры транзисторов одинаковы. Как видно из рисунка, мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого. В схеме мультивибратора использованы транзисторы р-п-р-типа.

При подсоединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные точки (их рабочие точки находятся в активной области 3, см. рис. 3.10, а), поскольку на базы через резисторы RБ1 и RБ2 подается отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи выполняется условие βКу>1 и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации — быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора.

Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток IK1 транзистора VT1. При этом увеличится падение напряжения на резисторе RK1 и коллектор транзистора VT1 получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе СБ1 не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора VT2,

Рис. 17.1. Симметричный мультивибратор на биполярных транзисторах:

a — схема; , — временные диаграммы

подзапирая его. Коллекторный ток IK2 при этом уменьшается, напряжение на коллекторе транзистора VT2 становится более отрицательным и, передаваясь через конденсатор СБ2 на базу транзистора VT1, еще больше открывает его, увеличивая ток IK1. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор VT1 входит в режим насыщения, а транзистор VT2 — в режим отсечки. Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние). При этом открытое состояние транзистора VT1 обеспечивается смещением от источника питания Ек через резистор RБ1, а запертое состояние транзистора VT2 — положительным напряжением на конденсаторе СБ1 ( = UБ2 > 0), который через открытый транзистор VT1 включен в промежуток база — эмиттер транзистора VT2.

Мультивибратор в режиме ожидания

Такое устройство обладает одним устойчивым состоянием и переходит в другое только при подаче входного сигнала. При этом мультивибратор формирует импульс "своей" длительности независимо от длительности входного

Рис. 18. Схема транзисторного ключа (а) и выходная ВАХ транзистора  для схемы включения с общим эмиттером (б)

Нагрузочная прямая, соответствующая выбранному значению сопротивления RН, отсекает на оси абсцисс напряжение Uп, а на оси ординат – ток, равный Uп/Rн. Пересечение Uкб = 0 с нагрузочной прямой дают точку границы режима насыщения (точка Нс). Пересечение кривой iБ = 0 с нагрузочной прямой дают точку границы режима отсечки (точка От рис. 18, б). Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо левее точки Нс (режим насыщения), либо правее точки От (режим отсечки). Нахождение между точками Нс и От допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки, и наоборот. Длительность нахождения транзистора в состоянии в этой области для реального Эк зависит от собственных частотных свойств транзистора. Поэтому это свойство определяет быстродействие и зависит от мощности, выделяющейся в ЭК, которая прямо пропорциональна времени нахождения рабочей точки транзистора в интервале Нс – От. Ток базы в режиме насыщения равен сумме двух токов – току коллектора и току эмиттера прямо смещенных переходов. Iб нас > Iк/h21Э = IБ ГР. Превышение базового тока насыщенного транзистора над его граничным значением характеризуется коэффициентом насыщения: q = Iб нас / IБ ГР. Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения. Значение обычно выбирают в диапазоне 1,5 … 2,0.