H-параметры биполярного транзистора и особенности включений

ВАХ резистора

Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение и смотреть соответствующее значение силы тока тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания, резистор и начинаем делать замеры:

Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.

Вторая точка: U=2.6, I=0.01

Третья точка: U=4.4, I=0.02

Четвертая точка: U=6.2, I=0.03

Пятая точка: U=7.9, I=0.04

Шестая точка: U=9.6, I=0.05

Седьмая точка: U=11.3, I=0.06

Восьмая точка: U=13, I=0.07

Девятая точка: U=14.7, I=0.08

Давайте построим график по этим точкам:

Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной ВАХ.

Назначение и классификация усилителей.

Классификация
усилителей

Усилители служат
для усиления электрического сигнала
по току, напряжению и мощности.

1) Если
RВЫХ<<RНАГР,
то
усилитель U

2) Если
RВЫХ>>RНАГР,
то усилитель I

3) Если
RВЫХRНАГР
, то усилитель P

Усилители
переменного тока (fН ≥16Гц)

Усилители
постоянного тока (fН
15Гц)

Усилители
переменного
тока

1) Усилители низкой
частоты УНЧ (20Гц – 300кГц)

2) Усилители
сверхвысоких частот УСВЧ (300МГц – 300ГГц)

3) Усилители высоких
частот УВЧ (300кГц – 300МГц)

По
форме
сигнала

1) Усилители
гармонических (синусоидальных) колебаний

2) Импульсные
усилители

По
типу
связи
между
каскадами

1) С RC-связью

2) Трансформаторные

 По
назначению различают усилители
напряжения, тока и мощности

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

  • Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
  • Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
  • Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
  • Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
  • Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
  • Рабочая частота, кГц;
  • Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Будет интересно Диод 1n4007: характеристики, маркировка и datasheets

Принцип работы диода

Принцип работы диода

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Силовой выпрямительный диод.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

Управление биполярным транзистором

Биполярный транзистор управляется током: для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), должен протекать
ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для
инверсного режима).

Рис. 8 — Токи биполярного транзистора

Величина тока базы и максимально
возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным
коэффициентом β (коэффициент
передачи тока базы):

Кроме параметра β
используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока
(α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера:

Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице
— тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим
соотношением:

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в зарубежной литературе иногда вместо β можно встретить .
Можно считать, что все эти коэффициенты равны,
а называют их часто просто «коэффициент усиления транзистора».

Рис. 9 — Схемы управления биполярным транзистором

На рисунке 9 изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей.

Рассмотрим левую схему (на правой схеме всё то же самое, только с
транзистором другой проводимости). Представим себе, что ползунок переменного резистора в
верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно
напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток
коллектора тоже равен нулю () — транзистор
закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз — напряжение
на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из
эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в
коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но
не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного
резистора — тем ярче будет гореть лампа.

Если мы начнём
перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт
закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор —
начнут уменьшаться.

Рассмотренный режим
работы транзистора как раз является активным. Коэффициент β может измеряться
десятками и даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток,
протекающий из эмиттера в коллектор, достаточно лишь
немного изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

Биполярный транзистор в схеме с ОБ

1. 
Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа действия,
основных параметров и статических вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного
транзистора в схеме с общей базой (ОБ). В работе снимаются входные, выходные и
передаточные ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. По характеристикам определяется
основные параметры.

1. 
Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трёхэлектродный полупроводниковый
прибор на основе p-n-p или n-p-n структуры, предназначенный для усиления и генерации
электрических сигналов. Процессы в p-n-p и n-p-n структурах протекают аналогично. Например, в р-п-р
структуре n-область, разделяющая p-области,
называется базой, одна из p-областей – эмиттером, а другая – коллектором
(рис. 3.1).

В основном рабочем режиме – активном, эмиттерный переход
смещен в прямом направлении, коллекторный – обратном. Полярности внешних напряжений
в схеме с ОБ для p-n-p или n-p-n транзисторов показаны на рис. 3.2. Эмиттер легирован
значительно сильнее, чем база, поэтому при включении его в прямом направлении
ток эмиттера  в p-n-p- транзисторе представляет собой ток инжекции дырок в базу.
Инжектированные дырки диффундируют к коллектору. Так как ширина базы  много меньше диффузионной длины дырок , то большая часть дырок доходит до обратно
смещенного коллектора, захватывается его полем и переносится в коллектор,
образуя коллекторный ток.

Рис. 3.1. Структура биполярного p-n-p транзистора

а)                                                       
б)

Рис.
3.2
. Полярности
на p-n-p (а) и n-p-n (б) транзисторах
для нормального включения

Поскольку коллектор включен в обратном направлении, то его
ток определяется только дырками, дошедшими из эмиттера, и почти не зависят от
напряжения на коллекторе. Коллектор обладает большим выходным сопротивлением и
по отношению к внешней цепи является генератором тока .
Высокое выходное сопротивление коллекторного перехода позволяет включить в его
цепь достаточно большое сопротивление нагрузки, на котором выделяется мощность,
значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Энергия источника
питания с помощью транзистора преобразуется в энергию электрического сигнала.

2.1. Коэффициент передачи тока

При  = 0 через коллекторный переход
идет некоторый начальный обратный ток ,
обусловленный тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Коэффициент передачи тока  показывает
отношение коллекторного тока (без ) к эмиттерному.

,  так как обычно                          (3.1)

Величина  зависит от параметров
базы и эмиттера, она обычно близка к единице и составляет около 0,95…..0,98.

Закон Кирхгофа для токов в транзисторе выражается соотношением

, что позволяет, используя (3.1),
представить ток базы и  в виде:

=                                                    (3.2)

                                                                                         (3.3)

Основную долю базового тока составляет ток рекомбинации,
пропорциональный общему избыточному заряду дырок в базе

,                                                                                  (3.4)

где  – время
жизни дырок в базе.

На рис. 3.3 показано распределение дырок в базе для двух
напряжений на коллекторном переходе. Распределение дырок в базе подчиняется
уравнению непрерывности и граничным условиям Шокли у эмиттерного перехода

,                                                          (3.5)

где      — равновесная концентрация
дырок в n-базе;

– собственная
концентрация;

 –
концентрация доноров в базе.

На коллекторном переходе

Так как в нормальном режиме  и , то , а . Ток дырок в базе имеет
диффузионный характер, поэтому

,                                                                 (3.6)

где  –
площадь эмиттерного перехода.

Так как рекомбинация в тонкой
базе  незначительна, то

            и       

Распределение дырок в базе имеет
почти линейный вид (рис.3.3)

,                                                                      (3.7)

а заряд дырок , проходящих сквозь базу, пропорционален
заштрихованной на рис. 3.3 площади

                                      (3.8)

Рис. 3.3. Распределение дырок в базе p-n-p транзистора

 в активном нормальном режиме

Коэффициент передачи тока  с
учетом (4.3) и (4.4) принимает вид

, поскольку                 (3.9)

Это выражение правильно передаёт зависимость коэффициента передачи
от толщины базы и времени жизни дырок в ней, но не учитывает вкладов электронных
токов эмиттерного и коллекторного переходов.

2.2. Вольтамперные характеристики транзистора

При включении транзистора по схеме с ОБ входным током будет
ток эмиттера , выходным — ток коллектора , входным напряжением — напряжение на
эмиттерном переходе , выходным — напряжение на
коллекторном переходе  (рис. 3.2).

Входные ВАХ показаны на рис. 3.4.а. Они почти повторяют ВАХ
прямосмещенного эмиттерного перехода

где      —
обратный ток эмиттерного перехода.

Выходные характеристики  показаны
на рис. 3.4б.

                        
а)                                                             б)

Рис. 3.4.  Вольтамперные характеристики
транзистора в схеме с ОБ:

 а) – входные;  б) — выходные

При  выходная ВАХ представляет собой
перевернутую характеристику коллекторного перехода с током насыщения . При  к нему прибавляется ток
. Полный ток коллектора составляет

                                                                                                                                           (3.10)

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два р-n-перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.

Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы.

В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р (рис. 1, а) и n-р-n (рис. 1, б) (иногда их еще называют прямой и обратный).

Условные графические обозначения транзисторов p-n-р и n-p-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер. Принцип работы транзисторов p-n-р и n-p-n одинаков.

Рис. 1 — Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов типа р-n-р (а) и n-р-n (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало; у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров, а у низкочастотных не превышает 50 мкм (1 мкм=0,001 мм).

Основная функция транзистора — это усиление сигнала. Если на базу транзистора подать напряжение, то транзистор начнет открываться. В транзисторе переход коллектор-эмитер открывается плавно: от полностью закрытого состояния (= 0 В) до полностью открытого (этот момент называют напряжение насыщения).

Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается . У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Коэффициент усиления по току — это отношение коллекторного тока к току базы:

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

Пример: Возмем источник питания, транзистор, резистор и лампочку. Если подключить всё это согласно схеме (рис. 2), то: через резистор, подключенный между источником питания и базой транзистора потечет ток базы .

Рис. 2 — Принцип работы биполярных транзисторов

Транзистор откроется и лампочка загориться. Причем яркость свечения лампочки будет зависить от сопротивления резистора и коэффициента усиления транзистора.

Напряжение, прилагаемое к базе и необходимое для открытия транзистора, называют напряжением смещения. Если вместо постоянного резистора поставить переменный резистор, то получим возможность регулировать яркость свечения лампочки.

Таким же образом можно усиливать и сигналы: подавая на базу транзистора определенный сигнал (к примеру звук), в коллекторной цепи получим тот же сигнал, но уже усиленный в раз.

Если базовое смещение транзистора застабилизировать при помощи стабилитрона (рис. 3), то мы получим простейший стабилизатор напряжения, т.у. схему, которая будет поддерживать постоянное напряжение на выходе, даже если входное напряжение будет изменяться.

Рис. 3 — Пример простого стабилизатора напряжения

Для получения повышенной мощности используются схемы последовательного включения наскольких транзисторов, так называемые схемы Дарлингтона (или составные транзисторы)

Рис. 4 — Схема Дарлингтона

Режимы работы биполярного транзистора.

Итак, мы рассмотрели активный режим работы транзистора (переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт), не обойдем вниманием и другие

Режим отсечки. Оба p-n перехода закрыты

Причем важно отметить, что переход эмиттер-база открывается начиная с некоторого значения приложенного прямого напряжения (не с нуля). Это напряжение обычно составляет около 0.6 В

То есть в режиме отсечки либо оба перехода смещены в обратном направлении, либо коллекторный переход – в обратном, а эмиттерный – в прямом, но величина напряжения не превышает 0.6 В.

В данном режиме переходы сильно обеднены свободными носителями заряда и протекание тока практически полностью прекращается. Исключение составляют только малые побочные токи переходов. В идеальном случае (без токов утечки) транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.

Режим насыщения. Оба перехода открыты, и в результате основные носители заряда активно перемещаются из коллектора и эмиттера в базу. В базе возникает избыток носителей заряда, ее сопротивление и сопротивление p-n переходов уменьшается и между эмиттером и коллектором начинает течь ток. В идеальном случае транзистор в таком режиме эквивалентен замыканию цепи.

Барьерный режим. Его мы обязательно еще разберем подробнее, вкратце, идея заключается в том, что база напрямую или через небольшое сопротивление соединена с коллектором. Это эквивалентно использованию диода с последовательно подключенным сопротивлением.

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

Еще очень многое нам предстоит обсудить в рамках изучения транзисторов, а на сегодня, заканчиваем статью! Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!

Частотные свойства биполярного транзистора.

Частотные свойства
транзистора

Биполярный
транзистор
— инерционный элемент. Инерционность
заложена в кон­струкции и принципе
действия, она связана с тем, что требуется
время, чтобы носитель заряда перешел
от Э к К. Это время не равно нулю, т. к.
база имеет длину. Скорость носи­телей
в базе не одинакова, поэтому они не могут
одновременно прийти к коллектору.

Если скачком
изменить ток эмиттера то ток коллектора
изменится по экспонен­циальному
закону:

t3
— время полета носителей заряда через
базу


— постоянная времени нарастания
коллекторно­го тока

Инерционность
ограничивает частотные свойства — чем
выше частота, тем больше бу­дут 
и .

Барьерная емкость
Ск (С*к).
Проводимость емкости Ск растет с
повышением часто­ты и на высоких
частотах в цепи с емкостью Ск (С*к)
ответвляется заметная доля тока Ikв выходной
цепи (ток Ikстановится
меньше тока Iэили Iб),
что эквивалентно уменьше­нию
коэффициента усиления тока на высоких
частотах.

Принцип работы биполярного транзистора.

Итак, транзистор содержит два p-n перехода (эмиттер-база и база-коллектор). Если не прикладывать к выводам транзистора никаких внешних напряжений, то на каждом из p-n переходов формируются области, обедненные свободными носителями заряда. Все в точности так же как

В активном же режиме переход эмиттер-база (эмиттерный переход) имеет прямое смещение, а коллекторный переход – обратное.

Так как переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то внешнее электрическое поле будет перемещать электроны из области эмиттера в область базы. Там они частично будут вступать во взаимодействие с дырками и рекомбинировать.

Но большая часть электронов доберется до перехода база-коллектор (это связано с тем, что область базы конструктивно выполняется очень тонкой и содержит небольшой количество примесей), который смещен уже в обратном направлении. И в этом случае внешнее электрическое поле снова будет содействовать электронам, а именно помогать им проскочить в область коллектора.

В результате получается, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера:

I_к = \alpha I_э

Коэффициент \alpha численно равен 0.9…0.99. В то же время:

I_э = I_б + I_к

А что произойдет, если мы увеличим ток базы? Это приведет к тому, что переход эмиттер-база откроется еще сильнее, и большее количество электронов смогут попасть в область коллектора (все по тому же маршруту, который мы обсудили ). Давайте выразим ток эмиттера из первой формулы, подставим во вторую и получим:

I_э = \frac{I_к}{\alpha}
\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

I_к = \frac{\alpha}{1 – \alpha} I_б = \beta I_б

Коэффициент \beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Коэффициент, связывающий величину тока коллектора с величиной тока базы называют коэффициентом увеличения по току и обозначают h_{21}. Этот коэффициент является одной из основных характеристик биполярного транзистора. В следующих статьях мы будем рассматривать схемы включения транзисторов и подробнее разберем этот параметр и его зависимость от условий эксплуатации.

Входные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ

Схема измерения статических характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 1.

Для снятия входных характеристик биполярного транзистора зафиксируем напряжение на коллекторе. Зависимость тока базы от
напряжения на базе и будет входной характеристикой транзистора. Входные характеристики n-p-n транзистора
при нулевом напряжении на коллекторе и при напряжении на коллекторе, равным 5 В, приведены на рисунке 2.

Входная характеристика биполярного транзистора, снятая при нулевом коллекторном напряжении не отличается от вольтамперной
характеристики полупроводникового диода, что собственно говоря и не удивительно. Характеристика определяется в основном
эмиттерным переходом, так как уровень легирования области коллектора значительно меньше уровня легирования эмиттера.

При подаче на коллектор напряжения, к току эмиттерного перехода добавляется ток коллекторного перехода и входная характеристика
несколько изменяется. В основном при малых значениях напряжения Uбэ. При нулевом значении напряжения
Uбэ ток Iб0 будет определяться обратным током коллектора при напряжении Uкб
= UкUбэ, и, соответственно, вытекать из базы n-p-n
транзистора. При возрастании напряжения Uбэ к обратному току коллектора добавляется ток эмиттерного перехода,
и начиная с напряжения Uбэ0 ток будет втекать в базу n-p-n транзистора.

При увеличении напряжения на коллекторе кроме смещения входной характеристики биполярного транзистора вправо, она становится
более пологой. Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора увеличивается. Возрастание входного сопротивления
вызвано расширением коллекторного перехода под воздействием запирающего напряжения Uкб, что в свою очередь
приводит к уменьшению ширины базовой области транзистора.

ВАХ стабилитрона

Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они также, как и диоды.

Мы подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод – плюс. В результате, напряжение на стабилитроне остается почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от подключаемой нагрузки на стабилитроне. Как говорят электронщики, мы используем в стабилитроне обратную ветвь ВАХ.

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p — n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ 0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0, то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока ID от выходного напряжения VDS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе VGS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Схема полевого транзистора.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для VGS= 0. При уве­личении напряжения VDS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока IDв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P1, P2 и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R1 отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R3 обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R2 – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С2 в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R3. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С1 может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток IDполевого транзистора. Увеличение ID приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Чем MOSFET лучше БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Чем MOSFET лучше БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Изолированное управление затвором для мостовых преобразователей

Мостовые и полумостовые преобразователи это устройства, в которых требуется очень надежная изолированная схема управления. В то время как один из ключей закрыт, ключ на другой стороне моста будет открыт. В результате на выключенном устройстве будет присутствовать большое синфазное напряжение.

На рис. 7 показана схема, рекомендуемая для полумостового преобразователя. В ней управлять затворами должны два трансформатора. Не пытайтесь использовать только один трансформатор и схему с тремя состояниями, как советуют в некоторых руководствах по применению!

Рис. 7. Для управления затворами в полумостовых преобразователях рекомендуются два отдельных трансформатора

В мостовом преобразователе, показанном на рис. 8, также требуются два трансформатора для управления затворами. Двойные вторичные обмотки в каждом трансформаторе используются для управления парами ПТ в диагонально противоположных плечах моста. Для обоих типов мостов схемы управления затворами должны тщательно тестироваться во время переходного процесса при включении, когда возникают большие пиковые токи, и отрицательные напряжения на затворах невелики.

Рис. 8. Схема мостового преобразователя с двумя трансформаторами для повышения надежности

В схеме моста с фазовым сдвигом (рис. 9) для управления затворами также используются два трансформатора

Но обратите внимание на отличие: каждая сторона моста работает с фиксированной относительной длительностью 50%, что позволяет использовать один трансформатор с двумя вторичными обмотками противоположной полярности. Это одна из немногих схем, где можно применять биполярную схему управления затвором без снижения надежности

Но выбросы, возникающие во время переходных процессов при выключении, не должны приводить к открытию транзисторов. Обратите внимание на полярность вторичных обмоток.

Рис. 9. Мост с фазовым сдвигом с двунаправленными трансформаторами в каждом плече

Заключение

Схема управления затвором критически важная часть проекта преобразователя. Убедитесь в том, что вы используете правильную схему, и не копируйте вслепую схемы из руководства по применению. Трансформаторы в цепях управления затворами придают вашему проекту такую степень надежности, которую невозможно получить при использовании полупроводниковых решений. Если вы разрабатываете очень мощное устройство, то это важнейшая составляющая. Добавление активных элементов для того, чтобы, согласно общепринятому мнению, увеличить скорость переключения, обычно не дает улучшения общей производительности, но вносит новые возможности для потенциальных отказов. Делайте вашу схему управления затвором как можно более простой.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий