2.2.2. Режими роботи біполярного транзистора.

В залежності від полярності напруг, що прикладені до емітерного і колекторного переходів транзистора, розрізняють такі режими його роботи:

Активний режим. На емітерний перехід подана пряма напруга, а на колекторний – зворотна. Цей режим є основним режимом роботи транзистора. Внаслідок того, що напруга в колі колектора значно перевищує напругу, підведену до емітерного переходу, а струми в колах емітера і колектора практично рівні, потужність сигналу в колекторному (вихідному) колі може значно перевищувати потужність у емітерному (вхідному) колі. Ця обставина визначає підсилювальні властивості транзистора.

Режим відсікання. До обох переходів підведені зворотні напруги. Тому через них проходить лише незначний струм, зумовлений рухом неосновних носіїв заряду (дрейфовий струм). Практично транзистор в режимі відсічки виявляється закритим.

Режим насичення. Обидва переходи знаходяться під прямою напругою. Струм у вихідному колі транзистора максимальний і практично не регулюється струмом вхідного кола. В цьому режимі транзистор повністю відкритий.

Інверсний режим. До емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного – пряма. Отже емітер виконує функції колектора, а колектор – емітера. Цей режим, як правило, не відповідає нормальним умовам експлуатації транзистора.

Транзистор в режимі ключа. Важливими елементами сучасних схем автоматики і обчислювальної техніки є пристрої, які мають можливість знаходитись в одному з двох стійких станів (режимів) і під дією вхідного сигналу стрімко змінювати свій стан (режим). Це дозволяє здійснювати перемикання (комутацію) різних електричних кіл схеми.

Таким елементом є тунельний діод, і його робота в перемикаючій схемі була розглянута в ч. 2, п. 2.1.4.

Транзистор також є одним із розповсюджених елементом безконтактних перемикаючих пристроїв. Режим роботи транзистора в перемикаючій схемі називають ключовим режимом. В цьому режимі транзистор в процесі роботи схеми періодично переходить з відкритого стану (режиму насичення) в закритий (режим відсікання) і навпаки, що відповідає двом стійким станам перемикаючого пристрою.

2.2.3. Схеми включення транзисторів.

В практичних схемах транзистор використовують як чотириполюсник, тобто прилад з двома вхідними і двома вихідними клемами, тому один з виводів транзистора є спільним для вхідного і вихідного кола. Розрізняють схеми включення із спільною базою, спільним емітером і спільним колектором.

На рис. 2.17-а показана схема із спільною базою, яка відмінна від схеми, розглянутої в ч. 2, п. 2.2.1 (рис. 2.16-а) тим, що у вхідному (емітерному) колі послідовно з джерелом живлення U₁ (на рис. 2.16-а – U_БЕ) включено джерело вхідного сигналу, яке виробляє деяку змінну напругу U_дж. Отже, вхідним сигналом в цьому випадку U_вх буде сумарний сигнал (U₁ + U_дж) а у вихідне (колекторне) коло послідовно з джерелом живлення U₂ (на рис. 2.16-а – U_КБ) включений опір навантаження R_н, на якому при проходженні колекторного струму І_К утворюється падіння напруги U_н. Решта напруги – напруга між колектором і базою U_вих = U₂ – U_н розглядається як вихідний сигнал. Через джерело вхідного сигналу проходить струм емітера І_Е. Струм, що проходить через джерело вхідного сигналу, називають вхідним струмом. Отже для схеми із спільною базою І_вх = І_Е. Вихідний струм в цій схемі є струм колектора (І_вих = І_К).

Якщо під дією U_вх струм емітера збільшиться на деяку величину І_Е, то відповідно збільшується і інші струми транзистора:

І_Е + І_Е = І_К + І_К + І_Б + І_Б

Незалежно від схеми включення транзистори характеризуються диференціальним коефіцієнтом прямої передачі струму, який уявляє собою відношення зміни вихідного струму до приросту вхідного струму, що цю зміну викликав при постійній напрузі у вихідному колі. Для схеми із спільною базою таким коефіцієнтом може слугувати коефіцієнт передачі струму емітера:

 = І_вих / І_вх = І_К / І_Е при U₂ = const.

а) – із спільною базою б) – із спільним емітером в) – із спільним колектором

Рис. 2.17.

а) Оскільки струм емітера – найбільший із всіх струмів транзистора, то схема із спільною базою має малий вхідний опір для змінної складової вхідного сигналу. Фактично цей опір дорівнює опору емітерного переходу r_Е, включеного в прямому напрямку, тобто

R_вх = U_вх / І_вх = U_вх / І_Е  r_Е.

Низький вхідний опір схеми із спільною базою (кілька ом) є її суттєвим недоліком, оскільки шунтує вихідне коло попередньої схеми.

Отже:

Коефіцієнт підсилення транзистора в схемі із спільною базою за струмом для активного навантаження приблизно збігається з коефіцієнтом передачі струму

К_І  І_К / І_Е   = 0,95  0,99 (U_КБ = const).

Коефіцієнт підсилення за напругою визначається за формулою

К_U = U_вих / U_вх  (І_К R_н) / (І_Е R_вх) = (І_Е /І_Е)(R_н / r_Е) = R_н / r_Е

Наприклад, r_Е = 100 Ом, R_н = 10³ Ом,  = 0,95, то К_U =0,9510³/100 = 9,5.

Коефіцієнт підсилення за потужністю:

К_Р = Р_вих / Р_вх = (І_К² R_н) /(І_Е² R_вх) = К_І К_U = ²R_н / r_Е  0,910  9.

В схемі із спільним емітером (рис. 2.17-б) вхідний сигнал також прикладається до емітера і бази. Джерело живлення колектора Е₂ включене між емітером і колектором. Емітер є спільним для вхідного і вихідного кіл.

б) Особливістю схеми із спільним емітером є те, що вхідним струмом є незначний по відношенню до інших струм бази. Вихідним струмом в цій схемі, як і в схемі із спільною базою, є струм колектора. Отже, коефіцієнт прямої передачі струму для схеми із спільним емітером –  = І_вих / І_вх = І_К / І_Б, тобто в схемі із спільним емітером можна отримати коефіцієнт прямої передачі струму в кілька десятків.

Вхідний опір транзистора в схемі із спільним емітером значно більший, ніж в схемі із спільною базою, оскільки:

R_вх = U_вх / І_вх = U_вх / І_Б >> U_вх / І_Е.

Коефіцієнту підсилення транзистора із спільним емітером за струмом для активного навантаження відповідає коефіцієнт передачі струму бази:

К_І  І_К / І_Б = І_К / (І_Е – І_К)   / (1 – )   >> 1

і на відміну від схеми із спільною базою транзистор в схемі із спільним емітером забезпечує підсилення по струму.

Коефіцієнт підсилення за напругою:

К_U = U_вих / U_вх = U_КЕ / | U_ЕБ |  R_н / r_Е,

тобто як і в схемі із спільною базою, транзистор в схемі із спільним емітером підсилює сигнал і за напругою.

Коефіцієнт підсилення за потужністю дорівнює добутку коефіцієнтів:

К_Р = К_І К_U = ²R_н / r_Е.

Вхідний опір визначається формулою

R_вх = U_ЕБ / І_Б = І_Е r_Е / І_Б   r_Е.

в) Схема із спільним колектором (рис. 2.17-в) ще називається емітерним повторювачем. Вхідним є коло база–колектор, вихідним – коло колектор–емітер; спільним електродом є колектор, безпосередньо до нього під’єднаний позитивна клемам джерела Е₂. Навантаження під’єднано до емітера. По колектору проходить струм І_К = І_Е – І_Б.

Коефіцієнт прямої передачі струму майже такий як і в схемі із спільним емітером:

К_І  І_Е / І_Б = І_Е / (І_Е – І_К) = І_Е / (І_Е –  І_Е) = =  / (1 – ) =  + 1  .

Особливість схеми із спільним колектором полягає в тому, що коефіцієнт підсилення по напрузі К_U завжди менший одиниці, так вихідна напруга U_вих в цій схемі практично складає частину вхідної.

Інша особливість полягає в тому, що вихідний сигнал співпадає за фазою з вхідним (звідси назва схеми – емітерний повторювач).

Транзистор в схемі включення із спільним колектором зручно застосовувати як узгоджуючий елемент, що вводиться в пристроях між високоомним попереднім колом і низькоомним навантаженням.

Відмінними властивостями схеми з СК вважається високий вхідний опір (до 100 кОм) і невеликий вихідний опір (менше 100 Ом), а також однакова фаза вихідного сигналу по відношенню до вхідного.