Биполярни схеми за комутация на транзистори

Транзисторът е полупроводниково устройство, което може да усилва, преобразува и генерира електрически сигнали. Първият оперативен биполярен транзистор е изобретен през 1947 година. Материалът за производството му е германий. И вече през 1956 г. се роди силиконов транзистор.

Биполярният транзистор използва два вида носители на заряд - електрони и дупки, поради което такива транзистори се наричат ​​биполярни. В допълнение към биполярните съществуват еднополярни (полеви) транзистори, в които се използва само един тип носител - електрони или дупки. Тази статия ще обхване биполярни транзистори.

Дълго време транзистори те са били основно германий и са имали p-n-p структура, което се обяснява с възможностите на технологиите от онова време. Но параметрите на германиевите транзистори бяха нестабилни, най-големият им недостатък е ниската работна температура - не повече от 60..70 градуса по Целзий. При по-високи температури транзисторите стават неконтролируеми и след това напълно се провалят.

С течение на времето силициевите транзистори започнаха да изместват колегите от германий. В момента те са основно силиций и се използват и това не е изненадващо. В крайна сметка силициевите транзистори и диоди (почти всички видове) остават в експлоатация до 150 ... 170 градуса. Силиконовите транзистори също са "пълнежът" на всички интегрални схеми.

Транзисторите с право се считат за едно от големите открития на човечеството. Заменили електронните лампи, те не само ги замениха, но направиха революция в електрониката, изненадаха и шокираха света. Ако нямаше транзистори, тогава много съвременни устройства и устройства, толкова познати и близки, просто не биха се родили: представете си например мобилен телефон с електронни лампи! За повече информация относно историята на транзисторите вижте тук.

Повечето силициеви транзистори имат n-p-n структура, което се обяснява и с технологията на производство, въпреки че има силициеви транзистори от p-n-p тип, но те са малко по-малки от n-p-n структурите. Такива транзистори се използват като част от допълнителни двойки (транзистори с различна проводимост с еднакви електрически параметри). Например, KT315 и KT361, KT815 и KT814, а в изходните етапи на транзистор UMZCH KT819 и KT818. В внесените усилватели често се използва мощна допълваща двойка 2SA1943 и 2SC5200.

Често транзисторите на p-n-p структура се наричат ​​транзистори с права проводимост, а n-p-n структурите са обратни транзистори. По някаква причина подобно име почти не се среща в литературата, но в кръга на радиоинженерите и радио ентусиастите то се използва навсякъде, всеки веднага разбира какво е заложено. Фигура 1 показва схематична структура на транзисторите и техните графични символи.

Фигура 1

В допълнение към разликите във вида и материала на проводимостта, биполярните транзистори се класифицират по мощност и работна честота. Ако мощността на разсейване на транзистора не надвишава 0,3 W, такъв транзистор се счита за ниска мощност. С мощност 0,3 ... 3 W, транзисторът се нарича транзистор със средна мощност, а с мощност над 3 W, мощността се счита за голяма. Съвременните транзистори са в състояние да разсеят мощността от няколко десетки или дори стотици вата.

Транзисторите усилват електрическите сигнали не еднакво добре: с увеличаване на честотата, усилването на степента на транзистора спада и при определена честота спира напълно. Следователно, за да работят в широк диапазон от честоти, се предлагат транзистори с различни честотни свойства.

Според работната честота транзисторите се делят на нискочестотни, - работната честота е не повече от 3 MHz, средната честота - 3 ... 30 MHz, високочестотната - повече от 30 MHz.Ако работната честота надвишава 300 MHz, това са микровълнови транзистори.

Като цяло в сериозните дебели справочници има повече от 100 различни параметри транзистори, което също показва огромен брой модели. А броят на съвременните транзистори е такъв, че в пълен размер те вече не могат да бъдат поставени в нито една директория. И съставът непрекъснато нараства, което ни позволява да решаваме почти всички задачи, зададени от разработчиците.

Има много транзисторни вериги (само не забравяйте броя на поне домакинското оборудване) за усилване и преобразуване на електрически сигнали, но при цялото разнообразие тези вериги се състоят от отделни етапи, в основата на които са транзистори. За да се постигне необходимото усилване на сигнала, е необходимо да се използват няколко етапа на усилване, свързани последователно. За да разберете как работят етапите на усилвателя, трябва да се запознаете по-добре с веригите за превключване на транзистора.

Самият транзистор не може да усилва нищо. Усилвателните му свойства са, че малките промени във входния сигнал (ток или напрежение) водят до значителни промени в напрежението или тока на изхода на каскадата поради разхода на енергия от външен източник. Именно това свойство се използва широко в аналогови схеми - усилватели, телевизия, радио, комуникация и др.

За да опрости представянето, тук ще разгледаме схеми на транзисторите на n-p-n структурата. Всичко, което ще се каже за тези транзистори, важи еднакво за p-n-p транзисторите. Просто променете полярността на източниците на енергия, електролитни кондензатори и диодиако има такъв, за да получите работна верига.

Транзисторни комутационни схеми

Общо има три такива схеми: верига с общ емитер (OE), схема с общ колектор (ОК) и схема с обща основа (OB). Всички тези схеми са показани на фигура 2.

Фигура 2

Но преди да преминете към разглеждане на тези схеми, трябва да се запознаете с това как транзисторът работи в ключов режим. Това познанство трябва да улесни разбирането. работа на транзистора в режим на усилване В определен смисъл ключова схема може да се разглежда като вид схема с УО.

Работа на транзистора в режим на клавиш

Преди да изучите работата на транзистор в режим на усилване на сигнала, струва си да запомните, че транзисторите често се използват в режим на ключ.

Този режим на работа на транзистора се обмисля отдавна. В броя на списание „Радио“ за август 1959 г. е публикувана статия на Г. Лавров „Полупроводников триод в ключов режим“. Авторът на статията предложи регулирайте скоростта на колекторния мотор промяна в продължителността на импулсите в контролната намотка (ОС). Сега този метод на регулиране се нарича PWM и се използва доста често. Диаграмата от дневника за онова време е показана на фигура 3.

Фигура 3

Но ключовият режим се използва не само в PWM системите. Често транзисторът просто включва и изключва нещо.

В този случай можете да използвате реле като товар: те дадоха входен сигнал - релето е включено, не - релейният сигнал е изключен. Вместо релета в ключов режим често се използват електрически крушки. Обикновено това се прави, за да се посочи: светлината е или изключена. Диаграма на такъв ключов етап е показана на фигура 4. Ключовите етапи се използват и за работа със светодиоди или оптрони.

Фигура 4

На фигурата каскадата се контролира от нормален контакт, въпреки че може да има цифров чип или микроконтролер, Автомобилна крушка, тази се използва за осветяване на таблото в "Лада". Трябва да се отбележи, че 5V се използва за управление, а комутираното напрежение на колектора е 12V.

В това няма нищо странно, тъй като напреженията не играят никаква роля в тази схема, от значение са само токовете.Следователно крушката може да бъде поне 220V, ако транзисторът е проектиран да работи при такива напрежения. Напрежението на източника на колектора също трябва да съответства на работното напрежение на товара. С помощта на такива каскади натоварването е свързано с цифрови микросхеми или микроконтролери.

В тази схема базовият ток управлява тока на колектора, който поради енергията на захранването е няколко десетки или дори стотици пъти (в зависимост от натоварването на колектора) от базовия ток. Лесно е да се види, че се получава усилване на тока. Когато транзисторът работи в ключов режим, стойността, използвана при изчисляването на каскадата, обикновено се нарича "текущата печалба в режим на голям сигнал" в справочните книги, обозначена с буквата β в справочните книги. Това е съотношението на тока на колектора, определено от натоварването, към минималния възможен основен ток. Под формата на математическа формула изглежда така: β = Iк / Iб.

За повечето съвременни транзистори коефициентът β тя е доста голяма, като правило, от 50 и по-висока, следователно при изчисляване на ключовия етап може да се приеме като само 10. Дори ако базовият ток се окаже по-голям от изчисления, транзисторът няма да се отвори повече от това, тогава това е и ключов режим.

За да запалите крушката, показана на фигура 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, това е поне. С управляващо напрежение 5V на базовия резистор Rb, минус спада на напрежението в секцията BE, 5V - 0.6V = 4.4V. Съпротивлението на базовия резистор е: 4.4V / 10mA = 440 Ohm. Резистор със съпротивление 430 ома е избран от стандартната серия. Напрежение 0,6 V е напрежението на кръстовището B - E и не трябва да се забравя при изчисляването му!

За да се предотврати "транзисторната основа да" виси във въздуха "при отваряне на контролния контакт, B-E преходът обикновено се изключва от резистора Rbe, който надеждно затваря транзистора. Този резистор не трябва да се забравя, въпреки че по някаква причина не е по някаква причина, което може да доведе до фалшива работа на каскадата от смущения. Всъщност всички знаеха за този резистор, но по някаква причина забравиха и отново стъпиха на „рейката“.

Стойността на този резистор трябва да бъде такава, че когато контактът се отвори, напрежението в основата не се окаже по-малко от 0,6 V, в противен случай каскадата ще бъде неконтролируема, сякаш секция B - E е просто късо съединение. На практика RBe резисторът е зададен на стойност около десет пъти повече от RB. Но дори ако стойността на Rb е 10K, веригата ще работи доста надеждно: потенциалите на основата и емитера ще бъдат равни, което ще доведе до затваряне на транзистора.

Такава ключова каскада, ако работи, може да включи крушката в пълна топлина или да я изключи напълно. В този случай транзисторът може да бъде напълно отворен (състояние на насищане) или напълно затворен (състояние на прекъсване). Веднага, разбира се, заключението подсказва, че между тези "гранични" състояния има такова нещо, когато крушката свети напълно. В този случай транзисторът е наполовина отворен или наполовина затворен? Това е като при проблема с напълването на чашата: оптимистът вижда чашата наполовина пълна, докато песимистът я смята за наполовина празна. Този режим на работа на транзистора се нарича усилващ или линеен.

Работа на транзистора в режим на усилване на сигнала

Почти цялото съвременно електронно оборудване се състои от микросхеми, в които транзисторите са „скрити“. Просто изберете режима на работа на операционния усилвател, за да получите желаното усилване или честотна лента. Но, въпреки това, каскадите често се използват на дискретни („разхлабени“) транзистори и затова разбирането на работата на степента на усилвателя е просто необходимо.

Най-честото включване на транзистор в сравнение с ОК и ОВ е обща схема на емитер (OE). Причината за това разпространение е на първо място високо усилване на напрежение и ток.Най-голямото усилване на OE каскадата се постига, когато половината напрежение на захранващото устройство Epit / 2 падне при натоварване на колектора. Съответно втората половина пада върху K-E секцията на транзистора. Това се постига чрез настройване на каскадата, която ще бъде описана по-долу. Този режим на усилване се нарича клас А.

Когато включите транзистора с OE, изходният сигнал на колектора е в антифаза с входа. Като недостатъци може да се отбележи, че входният импеданс на OE е малък (не повече от няколкостотин ома), а изходният импеданс е в обхвата на десетки KOhms.

Ако в режим на ключ транзисторът се характеризира с усилване на тока в режим на голям сигнал  β, тогава в режим на усилване се използва "текущата печалба в режим на малък сигнал", обозначена в справочниците на h21e. Това обозначение идва от представянето на транзистор под формата на четири-терминално устройство. Буквата "е" показва, че измерванията са направени, когато транзисторът с общ емитер е бил включен.

Коефициентът h21e, като правило, е малко по-голям от β, въпреки че при изчисленията като първо приближение можете да го използвате. Както и да е, разсейването на параметрите β и h21e е толкова голямо дори за един тип транзистор, че изчисленията са само приблизителни. След такива изчисления по правило се изисква конфигурацията на веригата.

Коефициентът на усилване на транзистора зависи от дебелината на основата, така че не можете да го промените. Оттук и голямото разпространение на печалбата на транзисторите, взети дори от една кутия (прочетете една партида). При транзисторите с ниска мощност този коефициент варира между 100 ... 1000, а при мощните 5 ... 200. Колкото по-тънка е основата, толкова по-високо е съотношението.

Най-простата схема за включване на OE транзистор е показана на фигура 5. Това е само малко парче от фигура 2, показано във втората част на статията. Тази верига се нарича фиксирана базова токова верига.

Фигура 5

Схемата е изключително проста. Входният сигнал се подава към основата на транзистора чрез изолационен кондензатор С1 и, като се усилва, се отстранява от колектора на транзистора чрез кондензатор С2. Целта на кондензаторите е да защитят входните вериги от постоянния компонент на входния сигнал (просто помнете въглеродния или електретен микрофон) и осигуряват необходимата ширина на честотната лента на каскадата.

Резистор R2 е колекторното натоварване на каскадата и R1 доставя постоянно отклонение към основата. Използвайки този резистор, те се опитват да направят напрежението на колектора да бъде Epit / 2. Това условие се нарича работна точка на транзистора, в този случай печалбата на каскадата е максимална.

Приблизително съпротивлението на резистора R1 може да се определи по простата формула R1 ≈ R2 * h21e / 1.5 ... 1.8. Коефициентът 1,5 ... 1,8 се замества в зависимост от захранващото напрежение: при ниско напрежение (не повече от 9 V), стойността на коефициента е не повече от 1,5, а като се започне от 50 V, се приближава до 1,8 ... 2,0. Но наистина формулата е толкова приблизителна, че най-често трябва да бъде избран резисторът R1, в противен случай нужната стойност на Epit / 2 върху колектора няма да бъде получена.

Колекторният резистор R2 е зададен като условие на проблема, тъй като токът на колектора и усилването на каскадата като цяло зависят от неговата величина: колкото по-голямо е съпротивлението на резистора R2, толкова по-голямо е усилването. Но трябва да бъдете внимателни с този резистор, токът на колектора трябва да бъде по-малък от максимално допустимия за този тип транзистор.

Схемата е много проста, но тази простота му придава отрицателни свойства и трябва да платите за тази простота. Първо, усилването на каскадата зависи от конкретния екземпляр на транзистора: той замени транзистора по време на ремонта, - изберете отново изместване, изведете го в работната точка.

Второ, от околната температура, - с повишаване на температурата, обратният ток на колектора Ico се увеличава, което води до увеличаване на тока на колектора. И къде тогава е половината захранващо напрежение на колектора Epit / 2, същата работна точка? В резултат транзисторът се загрява още повече, след което се проваля.За да се отървете от тази зависимост или поне да я сведете до минимум, в каскадата на транзистора се въвеждат допълнителни елементи на отрицателна обратна връзка - OOS.

Фигура 6 показва схема с фиксирано напрежение на отклонение.

Фигура 6

Изглежда, че разделителят на напрежението Rb-k, Rb-e ще осигури необходимото първоначално изместване на каскадата, но всъщност такава каскада има всички недостатъци на верига с фиксиран ток. По този начин показаната схема е просто изменение на веригата с фиксиран ток, показана на фигура 5.

Схеми с термична стабилизация

Ситуацията е малко по-добра в случай на прилагане на схемите, показани на фигура 7.

Фигура 7

В стабилизационната верига на колектора, отклоняващият резистор R1 е свързан не към източника на захранване, а към колектора на транзистора. В този случай, ако температурата се повиши, обратният ток се увеличава, транзисторът се отваря по-силно, напрежението на колектора намалява. Това намаление води до намаляване на напрежението на отклонение, подавано към основата през R1. Транзисторът започва да се затваря, токът на колектора намалява до приемлива стойност, положението на работната точка се възстановява.

Очевидно е, че подобна стабилизационна мярка води до известно намаляване на усилването на каскадата, но това няма значение. Липсващата печалба обикновено се добавя чрез увеличаване на броя на етапите на усилване. Но такава система за опазване на околната среда може значително да разшири обхвата на работните температури на каскадата.

Схемата на каскадата със стабилизация на емитер е малко по-сложна. Усилвателните свойства на такива каскади остават непроменени в още по-широк температурен диапазон, отколкото в стабилизираната в колектора верига. И още едно неоспоримо предимство - при подмяна на транзистор не е необходимо да избирате отново каскадните режими на работа.

Излъчващият резистор R4, осигуряващ стабилизиране на температурата, също намалява усилването на каскадата. Това е за постоянен ток. За да се изключи влиянието на резистор R4 върху усилването на променлив ток, резистор R4 се мостира от кондензатор Ce, което е незначително съпротивление на променлив ток. Стойността му се определя от честотния обхват на усилвателя. Ако тези честоти лежат в обхвата на звука, тогава капацитетът на кондензатора може да бъде от единици до десетки или дори стотици микрофаради. За радиочестотите това е вече стотни или хилядни, но в някои случаи веригата работи добре дори и без този кондензатор.

За да разберете по-добре как работи стабилизацията на емитер, трябва да помислите за веригата за включване на транзистор с общ OK колектор.

Общата верига на колектора (ОК) е показана на фигура 8. Тази верига представлява отрязък от фигура 2 от втората част на изделието, където са показани и трите превключвателни вериги на транзистора.

Фигура 8

Каскадното натоварване е емитерно резистор R2, входният сигнал се подава през кондензатор С1, а изходният сигнал се отстранява през кондензатор С2. Тук можете да попитате, защо тази схема се нарича ОК? Всъщност, ако си припомним OE веригата, там е ясно видимо, че излъчвателят е свързан към проводник с обща верига, по отношение на който се подава входния сигнал и се приема изходният сигнал.

В ОК веригата колекторът е просто свързан към източник на захранване и на пръв поглед изглежда, че няма нищо общо с входния и изходния сигнал. Но всъщност източникът на ЕМП (захранваща батерия) има много малко вътрешно съпротивление, за сигнал това е почти една точка, същия контакт.

По-подробно работата на веригата ОК може да се види на фигура 9.

Фигура 9

Известно е, че за силициевите транзистори напрежението на bi-e прехода е в границите 0,5 ... 0,7 V, така че можете да го вземете средно 0,6 V, ако не си поставите за цел да извършите изчисления с точност десети от процента. Следователно, както може да се види на фигура 9, изходното напрежение винаги ще бъде по-малко от входното напрежение чрез стойността на Ub-e, а именно същите тези 0.6V.За разлика от OE веригата, тази схема не инвертира входния сигнал, а просто го повтаря и дори го намалява с 0,6 V. Тази схема също се нарича последовател на емитер. Защо е необходима такава схема, каква е нейната употреба?

OK веригата усилва текущия сигнал h21e пъти, което означава, че входният импеданс на веригата е h21e пъти по-голям от съпротивлението в емитерната верига. С други думи, без страх да изгорите транзистора, можете да приложите напрежение директно към основата (без ограничаващ резистор). Просто вземете основния щифт и го свържете към захранващата шина + U.

Високият входен импеданс ви позволява да свържете входен източник с висок импеданс (сложен импеданс), като например пиезоелектричен пикап. Ако такъв пикап е свързан към каскадата по схемата на ОЕ, тогава ниският входен импеданс на тази каскада просто "приземява" сигнала за пикап - "радиото няма да възпроизвежда".

Отличителна черта на ОК веригата е, че нейният ток на колектора Ik зависи само от съпротивлението на натоварването и напрежението на източника на входния сигнал. В същото време параметрите на транзистора изобщо не играят никаква роля. Те казват за такива вериги, че те са обхванати от стопроцентова обратна връзка.

Както е показано на фигура 9, токът в натоварването на емитера (това е емитерният ток) In = Ik + Ib. Като се вземе предвид, че базовият ток Ib е пренебрежимо малък в сравнение с тока на колектора Ik, можем да приемем, че токът на натоварване е равен на тока на колектора Iн = Iк. Токът в натоварването ще бъде (Uin - Ube) / Rn. В този случай приемаме, че Ube е известен и винаги е равен на 0.6V.

От това следва, че токът на колектора Ik = (Uin - Ube) / Rn зависи само от входното напрежение и съпротивлението на товара. Съпротивлението на натоварването може да се променя в широки граници, но не е необходимо да се проявява особено ревност. Всъщност, ако вместо Rн сложим пирон - стотен, тогава никой транзистор не може да го издържи!

OK веригата прави доста лесно да се измери коефициентът на пренос на статичен ток h21e. Как да направите това е показано на фигура 10.

Фигура 10

Първо измерете тока на натоварване, както е показано на фигура 10a. В този случай основата на транзистора не е необходимо да бъде свързана никъде, както е показано на фигурата. След това се измерва основният ток в съответствие с фигура 10б. И в двата случая измерванията трябва да се извършват в еднакви количества: или в ампери, или в милиампери. Напрежението и натоварването на захранването трябва да останат непроменени и при двете измервания. За да разберете статичния коефициент на токов пренос, достатъчно е да разделите натоварващия ток на базовия ток: h21e ≈ In / IB.

Трябва да се отбележи, че с увеличаване на тока на натоварване, h21e намалява леко, а с увеличаване на захранващото напрежение се увеличава. Повторителите на емитер често са изградени върху верига за издърпване с помощта на допълнителни двойки транзистори, което позволява да се увеличи изходната мощност на устройството. Такъв последовател на емитер е показан на фигура 11.

Фигура 11.

Фигура 12.

Включване на транзисторите по схема с обща база на ОВ

Такава схема осигурява само усилване на напрежението, но има по-добри честотни свойства в сравнение с веригата OE: същите транзистори могат да работят на по-високи честоти. Основното приложение на схемата на OB е UHF антенните усилватели. Диаграма на антенния усилвател е показана на фигура 12.