Как найти сопротивление нагрузки транзистора

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H_fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V_c. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V_ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V_ce= V_c – 0 = V_c. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки R_L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения R_b: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R_b может быть рассчитано по следующей формуле:

где V₁ является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V₁ = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R_b известно, транзистор “настроен” на работу в качестве переключателя, что также называется “режим насыщения и отсечки “, где “насыщение” – когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а “отсечение” – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

H_FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V_CEsat. Но V_CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший H_FE, крупнейший V_CEsat и V_CEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение V_CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V_CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Оригинал статьи

(на рисунке 1 не показан), т.к. емкостное
сопротивление

.
Следовательно,
по переменному току
резисторы R1,
R2
соединены параллельно.
Эквивалентное сопротивление делителя

.

Расчет активного входного сопротивления усилителя

На
низких
частотах,
несоизмеримых с быстродействием
выбранного транзистора, входное
сопротивление усилителя

является чисто активным
и соответствует параллельному
соединению сопротивлений

и

:

Примечание.
В области высоких частот, соизмеримых
с быстродействием
выбранного транзистора, начинают влиять
межэлектродные
емкости:
входное сопротивление (импеданс)
транзистора является комплексной
величиной

Расчет
емкости разделительного конденсатора
на входе усилителя

Разделительный
конденсатор

отделяет постоянный потенциал базы

от источника информационного сигнала,
подавляет низкие частоты и пропускает
высокие частоты. Величина емкости

рассчитывается на нижней частоте

информационного
сигнала по формуле:

Для
уменьшения ослабления входного сигнала
на низких частотах расчетное значение
емкости

увеличивается в 10-100 раз.

Расчет
коэффициента усиления

Определяется
емкость шунтирующего конденсатора

в цепи эмиттера для заданного значения
модуля коэффициента усиления

Определяется
модуль коэффициента усиления

для расчетного значения емкости

Расчет
амплитуды входного напряжения и тока

Номинальная
амплитуда входного напряжения

Амплитуда
входного тока

.

Расчет
коэффициента усиления по току и по
мощности

Коэффициент
усиления по току

.

Коэффициент
усиления по мощности

.

Расчет
номинальной мощности входного сигнала

Номинальная
входная мощность

определяется из тождества:

2.2
Расчет усилителя с общим коллектором

Исходными
данными для расчета усилителя с общим
коллектором (Рисунок 2) являются следующие
параметры:

активное
сопротивление нагрузки

;
активная
мощность нагрузки

;
напряжение
питания

;
коэффициент
передачи тока базы

транзистора;
рабочая
частота (частотный диапазон) информационного
сигнала

.

Методика
расчета

Расчет
амплитуды выходного напряжения и тока
нагрузки

Амплитуда
выходного напряжения

и ток нагрузки усилителя

определяется
в
соответствии с разделом 2.1, п.1.

Выбор
транзисторов

Выбор
транзисторов осуществляется в соответствии
с разделом 2.1, п.2.

Расчет
емкости разделительного конденсатора
на выходе усилителя

Расчет
емкости разделительного конденсатора
на выходе осуществляется в соответствии
с разделом 2.1, п.3:

Расчет
резистора в цепи эмиттера и его мощности

Для
исключения искажений
информационного
сигнала потенциал эмиттера

и ток эмиттера

в статическом режиме (при отсутствии
входного сигнала) выбираются из условия:

,

Резистор
в цепи эмиттера

.
Мощность

,
рассеиваемая на сопротивлении R3:

.

Расчет
эквивалентного сопротивления эмиттерной
цепи

При
достаточно большой
емкости разделительного конденсатора
С3 эквивалентное сопротивление эмиттерной
цепи

соответствует параллельному
соединению сопротивлений

и

:
.

Расчет
входного сопротивления транзистора

Для
схемы с общим коллектором входное
сопротивление транзистора

определяется без
учета шунтирующего действия
резистивного делителя

со стороны базы:

.

Расчет
тока базы в статическом режиме

При
известном значении параметров

транзистора статический ток базы

.

Расчет
резистивного делителя в цепи базы
транзистора

Резистивный
делитель R1,
R2,
формирует потенциал базы

относительно земли. Элементы делителя
выбираются таким образом, чтобы
минимизировать шунтирование
входного сопротивления

.
По первому закону Кирхгофа в базовом
узле
ток

растекается: по резистору R2
течет ток

,
а по резистору R1
– ток

.
Для уменьшения шунтирующего действия
делителя R1,
R2
величина тока

выбирается из условия:

.

Расчет
сопротивлений делителя R1,
R2:

расчет потенциала
базы в статическом режиме:

.
расчет
сопротивления R2
делителя:
.
расчет
сопротивления R1
делителя:

.
расчет
мощностей

резисторов делителя:

,

.

Примечание.
Для германиевых транзисторов

;
для кремневых транзисторов

.
В среде «CIRCUITMAKER» принимается

Расчет
эквивалентного сопротивления делителя
в цепи базы

При
достаточно большой емкости фильтра

эквивалентное сопротивление

базового делителя на
переменном токе
соответствует параллельному соединению
его элементов:

.

Расчет
активного входного
сопротивления усилителя

является чисто активным
и соответствует параллельному
соединению сопротивлений

Расчет
емкости разделительного конденсатора
на входе усилителя

Расчет
емкости разделительного конденсатора
на входе осуществляется в соответствии
с разделом 2.1, п.12:

.

Расчет
коэффициента усиления по напряжению

Модуль
коэффициента усиления по напряжению

зависит от коэффициента

транзистора, а также от соотношения
эквивалентных сопротивлений участка
коллектор-эмиттер

и
цепи эмиттера

:
.

Входной
и выходной сигналы ЭП формируются
относительно коллектора,
имеющего на переменном
токе нулевой
потенциал. Следовательно, эквивалентное
сопротивление эмиттерной цепи

подключено параллельно динамическому
сопротивлению участка коллектор –
эмиттер транзистора

:

;

Расчет
амплитуды входного напряжения и тока

Номинальная
амплитуда входного напряжения

Амплитуда
входного тока

.

Расчет
коэффициента усиления по току и по
мощности

Коэффициент
усиления по току

.

Коэффициент
усиления по мощности

.

Расчет
номинальной мощности входного сигнала

Номинальная
мощность информационного сигнала на
входе усилителя

определяется
из тождества:

.

Расчет
транзисторного ключа

Исходными
данными для расчета транзисторного
ключа (Рисунок 3, 4) являются следующие
параметры:

напряжение
питания

;
абсолютная
температура
окружающей среды

;
коэффициент
передачи тока базы транзистора

;
ток
эмиттера транзистора

;
активное
сопротивление коллекторной нагрузки

;
остаточное
напряжение на коллекторе транзистора

Методика
расчета

Выбор транзистора:
(см. раздел 2.1, п. 2) .
Расчет тока коллектора
(тока нагрузки):

.
Расчет тока эмиттера:

.
Расчет тока базы
(тока управления):

..
Расчет температурного
потенциала:

.
Расчет активного
сопротивления эмиттерного вывода:

.
Расчет ограничивающего
резистора в цепи базы:

.
Расчет мощности
ограничивающего резистора в цепи базы:

.
Расчет входного
сопротивления транзисторного ключа:

.

Примечание. Уровень входного
напряжения

должен обеспечить насыщение транзистора:

,
где

максимальное
напряжение между базой и эмиттером
транзистора. У биполярных транзисторов:

– германий,

– кремний,

[9, 11].

В среде «CIRCUITMAKER» принимается

.
При расчете ТК обычно выбирают напряжение

.

2.4
Расчет инвертирующего усилителя

Исходными
данными для расчета инвертирующего
операционного усилителя (Рисунок 8, а)
являются следующие параметры:

активное
сопротивление нагрузки усилителя

;
амплитуда
напряжения на нагрузке усилителя
активное
входное сопротивление усилителя

;
коэффициент
усиления по напряжению

.

Методика
расчета

Расчет
амплитуды тока нагрузки

Амплитуда
тока нагрузки

.

Расчет
сопротивления отрицательной обратной
связи

Входное
сопротивление инвертирующего усилителя

.
При заданных значениях параметров

сопротивление отрицательной обратной
связи

определяется из выражения для модуля
коэффициента усиления по напряжению

,

.

Расчет
амплитуды входного напряжения

Амплитуда
входного сигнала

.

Расчет
амплитуды входного тока

Амплитуда
входного тока

.

Расчет
коэффициента усиления по току

Модуль
коэффициента усиления по току

.

Расчет
коэффициента усиления по мощности

Модуль
коэффициента усиления по мощности

.

2.5
расчет неинвертирующего усилителя

Исходными
данными для расчета неинвертирующего
операционного усилителя (Рисунок 8, б)
являются следующие параметры:

активное
сопротивление нагрузки усилителя

;
амплитуда
напряжения на нагрузке усилителя
активное
входное сопротивление усилителя

;
коэффициент
усиления по напряжению

.

Методика
расчета

Если
заданный коэффициент усиления по
напряжению

,
то при фиксированном значении параметра

сопротивление обратной связи

определяется из выражений:

,

.

Если
параметр

,
то неинвертирующий ОУ вырождается в
повторитель
напряжения
(ПН): сопротивление R1
в схеме отсутствует

,
сопротивление

– короткое замыкание между выходом ОУ
и его инвертирующим входом (Рисунок 8,
в).

Входное
сопротивление ПН соответствует
сопротивлению утечки интегральной
микросхемы ОУ по неинвертирующему входу

[1, 4, 6, 11].

Примечание.
Для компенсации
напряжения смещения
на выходе ПН при отсутствии входного
сигнала между выходом и инвертирующим
входом ОУ включают резистор
обратной связи

,
где

внутреннее сопротивление источника
информационного сигнала.

Дальнейший
расчет неинвертирующего ОУ осуществляется
в соответствии с методикой, изложенной
в разделе 2.4, п.п. 1, 3…6.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления,
генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный,
поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки.
Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток,
только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока —
основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.
У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля.
В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов.
Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей.
Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base).
Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter).
Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В
дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора
несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще,
чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного
транзистора. Для примера возьмем
модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только
полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет
противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках,
в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы —
дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В
транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает
концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE).
Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора.
Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера.
Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE
(для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE
— 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения
подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до
N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе.
Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).
Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация
дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами.
Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше.
Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая,
все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE,
и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще
больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и
значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом
изменении тока базы I_B,
сильно меняется ток коллектора I_С.
Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.
Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току.
Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы.
Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного
напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для
понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов
в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200).
Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V,
за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора
подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного
напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.
Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала,
обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I_b

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением,
нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min).
Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается
один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение,
при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности
вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель,
согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между
базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0),
то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I_С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200),
можно с легкостью посчитать максимальное и
минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения V_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out.
В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того,
что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве
случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда,
которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же,
соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя,
однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе.
Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие.
Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся».
Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация).
Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β.
В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний,
но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор
берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно,
транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

Режим отсечки (cut off mode).
Активный режим (active mode).
Режим насыщения (saturation mode).
Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт.
В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет,
поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе.
Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся.
В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы,
умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора,
который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора,
которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным,
который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал,
поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен».
Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном.
В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру,
и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме.
Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме.
Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B.
Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора.
Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа,
даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного
транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах,
то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх).
Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться
источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока.
Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом).
Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору,
где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером.
Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер
сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления)
увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных
потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью
усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ,
он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления,
но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше.
Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность
(или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала.
С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает.
Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.
На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно,
а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей.
Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Источник

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1.Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2.Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1.Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база < 0 – для n-p-n транзисторов),

2.Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3.Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

4.Отсечка (напряжение коллектор-база < 0, на эмиттере напряжение менее порогового),

5.Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Таблица

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе (U_E,V_B,U_C)	Смещение перехода база-эмиттер для типа n-р-n	Смещение перехода база-коллектор для типа n-р-n	Режим для типа n-р-n
U_E<U_B<U_C	прямое	обратное	нормальный активный режим
U_E<U_B>U_C	прямое	прямое	режим насыщения
U_E>U_B<U_C	обратное	обратное	режим отсечки
U_E>U_B>U_C	обратное	прямое	инверсный активный режим
Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе (U_E ,V_B , U_C )	Смещение перехода база-эмиттер для типа р-n-р	Смещение перехода база-коллектор для типа р-n-р	Режим для типа р-n-р
U_E<U_B<U_C	обратное	прямое	инверсный активный режим
U_E<U_B>U_C	обратное	обратное	режим отсечки
U_E>U_B<U_C	прямое	прямое	режим насыщения
U_E>U_B>U_C	прямое	обратное	нормальный активный режим

Различные режимы работы используются для разных целей.

Наиболее частым способом включения биполярных транзисторов является схема с общим эмиттером (“ключевой режим”, входной сигнал на базе, выходной на коллекторе), ее и рассмотрим ниже.

Рис. 1. Схема с общим эмиттером

Расчет тока базы биполярного транзистора в ключевом режиме

Схема включения обозначена выше. Для расчетов необходимо иметь значения:

1.V₊ – напряжение питания;

2.R_c – сопротивление нагрузки;

3.U_ce – напряжение насыщения коллектор-эмиттер (указывается в технических параметрах транзистора);

4.H₂₁ (или β, или H_FE)- коэффициент усиления транзистора по току (тоже должен быть в тех. параметрах).

Процедура расчета будет выглядеть следующим образом:

1.Рассчитывается ток коллектора,

2.Рассчитывается ток базы, который требуется для создания заданного тока коллектора.

В первом случае работает формула:

I_k = (V₊ – U_ce) / R_c

При типовых значениях для транзистора KT815 и абстрактной нагрузке в качестве примера получаем:

I_k = (12В-0,4В)/100 Ом = 0,116 А (116 мА)

Теперь ток базы рассчитывается на основе соотношения:

I_k = I_b · h₂₁

То есть

I_b = I_k / h₂₁

Для KT815 коэффициент равен 60. Таким образом:

I_b = 0,116/ 60 = 0,00193 А (1,93 мА)

В других режимах работы расчеты будут отличаться.

Например, в режиме насыщения ток коллектора и базы не зависят друг от друга. А в режиме отсечки ток базы равен нулю.

Источник

Расчёт транзисторного усилительного каскада по схеме с общим
эмиттером (ОЭ).

Онлайн калькулятор номиналов элементов различных модификаций схем ОЭ,
выполненных на биполярных транзисторах.

Вооружившись знаниями, полученными на предыдущей странице, давайте перейдём к конкретным схемам. А начнём мы со схемы наиболее
распространённого усилительного каскада, использующего включение биполярного транзистора
по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Название схемы “с общим эмиттером” означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи.
При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера,
а выходными величинами являются коллекторный ток и напряжение на коллекторе относительно эмиттера.
При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Основным плюсом включения транзистора по схеме усилителя с общим эмиттером (ОЭ) является способность получать наибольшее
усиление по мощности, в связи со свойством такого каскада усиливать как ток, так и напряжение.

Начнём с простейшей схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на Рис.1. Данный каскад содержит минимальное
количество элементов, однако обладает существенным недостатком в виде малой эффективности термостабилизации.

Рис.1

Собственно говоря, и характеристики у данной схемы очень схожи с теми, что мы рассматривали на предыдущей странице:

R_вх = [r_э x (1 + β)] ll R_б1 ;
I_б = (Е_к – U_бэ)/R_б1 , где
Uбэ = 0,6…0,7В для кремниевого транзистора и 0,3…0,4 – для германиевого;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к – I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)]
;
K_u ≈ R_к / r_э .

Более высокую термостабильность имеет каскад с ОЭ, схема которого приведена на Рис.2.
Термостабилизация в этой схеме осуществляется
за счёт отрицательной обратной связи, введённой в каскад посредством включения Rб1 между базой и коллектором транзистора.
По большому счёту наличие ООС существенно влияет практически на все характеристики каскада, причём тем сильнее, чем выше глубина этой ОС.
Глубина же этой ОС напрямую зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала.

Рис.2

Ну а поскольку мы здесь рассматриваем упрощённый и сугубо частный случай, когда Rист << Rвх, а
Rн >> Rвых, то и мудрить особо не будем:

R_вх ≈ [r_э x (1 + β)] ll (R_б1 + R_к)
;
I_б = (U_к – U_бэ)/R_б1 ;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к – I_к x R_к ;
R_вых ≈ R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)]
;
K_u ≈ R_к / r_э .

В большинстве случаев наилучшими свойствами среди базовых схем ОЭ обладает эмиттерная схема термостабилизации, приведённая
на Рис.3.

Эффект термостабилизации достигается фиксацией напряжения на базе посредством резистивного делителя (Rб1 и Rб2) и
введением ООС по постоянному току посредством включения резистора Rэ1.

На переменном токе эта ООС нейтрализуется шунтированием резистора Rэ1 конденсатором Сэ.

Рис.3

R_вх = [r_э x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2
(по перем. току);
I_б = (U_б – U_бэ)/[(R_э1 + r_э) x (1 + β)]
, где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 ,
I_делит = (3…10)I_б ;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к – I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)]
;
K_u ≈ R_к / r_э ;
Rэ1 следует выбрать такого номинала, чтобы получить –
U_э = (0,1…0,2)E_к .

Если исключить из схемы блокировочный конденсатор Сэ (Рис.4), то помимо увеличения входного сопротивления, появляется дополнительная
возможность регулировки усиления каскада.

Рис.4

Для наглядной иллюстрации данного утверждения приведём формулы:

R_вх = [(r_э + R_э1) x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2
;
I_б = (U_б – U_бэ)/[(R_э1 + r_э) x (1 + β)]
, где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 ,
I_делит = (3…10)I_б ;
U_к = E_к – I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)]
;
K_u ≈ R_к / (r_э + R_э1) .

Последним изобразим (Рис.5) наиболее универсальный вариант включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером.

Рис.5

Данное схемотехническое решение позволяет производить регулировку усиления каскада в широких пределах, не меняя при этом режим транзистора
по постоянному току.

R_вх = [(r_э + R_э2) x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2
;
I_б = (U_б – U_бэ)/[(R_э1 + R_э2+ r_э)
x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 ,
I_делит = (3…10)I_б ;
U_к = E_к – I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)]
;
K_u ≈ R_к / (r_э + R_э1) .

Ну и под занавес, уважаемые дамы и рыцари, приведу калькулятор, который позволит рассчитать резистивные элементы различных
схемотехнических конфигураций транзисторных каскадов с ОЭ.
При расчётах принято допущение, что сопротивление нагрузки Rн >> Rвых каскада, а выходное сопротивление источника сигнала
Rи << Rвх.

РАСЧЁТ КАСКАДОВ ОЭ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Вариант схемы ОЭ
Тип транзистора
Напряжение питания Ек (В)
Начальный ток коллектора Iк (мА)
Выбор Ku каскада (только для Рис.4 и Рис.5)
β (h21э) транзистора (по умолчанию 100)

Ток базы Iб (мА)
Напряжение на коллекторе Uк (В)
Напряжение на базе Uб (В)
Напряжение на эмиттере Uэ (В)
Входное сопротивление Rвх (Ом)
Выходное сопротивление Rвых (Ом)
Коэффициент усиления каскада Ku
Сопротивление Rк
Сопротивление Rб1
Сопротивление Rб2
Сопротивление Rэ1
Сопротивление Rэ2

Коэффициент передачи тока h21э не постоянен и имеет сложную зависимость от частоты и тока коллектора.
В зависимости от типа транзистора максимум коэффициента передачи может наступать при токах коллектора: от 1-2 мА для маломощных
транзисторов, до нескольких сотен миллиампер – для мощных.

Теперь несколько слов о расчёте разделительных ёмкостей Сp1 и Сp2, а также блокирующей емкости Сэ.

В данном случае следует задаться величинами их реактивных сопротивлений Xс = 1/2πƒС (на минимальной рабочей частоте), как минимум, в
10 раз (а лучше в 100) меньшими, чем значения импедансов соответствующих им цепей.
То есть:
X_Cp1 < (0,01…0,1)R_вх , где Rвх – входное
сопротивление каскада, посчитанное в калькуляторе,

X_Cp2 < (0,01…0,1)R_{вх посл} , где Rвх посл – входное
сопротивление последующего каскада,

X_Cэ < (0,01…0,1)R_э1 (Рис.3), либо
X_Cэ < (0,01…0,1)R_э2 (Рис.5).

Перенесу сюда калькулятор для расчёта характеристического сопротивления конденсатора.

Ёмкость конденсатора С
Подаваемая частота f

Реактивное сопротивление Xc

Источник

Теги:

Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы

Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора

Расчет эквивалентного сопротивления базового делителя

Расчет активного входного сопротивления усилителя

Биполярный транзистор.

Устройство биполярного транзистора.

Работа биполярного транзистора.