Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Общая электротехника и электроника”, страница 10
Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Общая электротехника и электроника” , страница 10
— коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении;
Uэб , Uкб – напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах соответственно;
— температурный потенциал.
Чаще всего используются токи и Iэб0 – обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеряемые соответственно при обрыве эмиттера и коллектора. Они связаны с тепловыми токами переходов соотношениями:
Из формул Эберса – Молла можно получить выражения для входных и выходных ВАХ транзистора. Входная характеристика Uэб = f (Iэ) имеет вид:
51. Изобразите схемы включения биполярного транзистора типов p-n-p и n-p-n. Покажите полярности напряжений при работе транзистора в режимах:
Покажите также направления токов Iэ, Iб, Iк для каждого из режимов.
52. Транзистор типа p-n-p включен по схеме с общим эмиттером. Пояснить, в каком режиме работает транзистор, если:
Для того, чтобы определить, в каком режиме работает транзистор, надо определить, в каком направлении смещены эмиттерный и коллекторный переходы. Поскольку напряжение Uкэ распределяется между двумя переходами, то воспользуемся соотношениями:
откуда
1. Uбэ < 0, что соответствует прямому смещению эмиттерного перехода, , что также соответствует прямому смещению коллекторного перехода. Оба перехода смещены в прямом направлении, это соответствует режиму насыщения.
2. Uбэ < 0, то есть эмиттерный переход смещен в прямом направлении
то есть коллекторный переход смещен в обратном направлении, что соответствует активному режиму работы.
3. Uбэ > 0, это соответствует обратному смещению эмиттерного перехода, что соответствует обратному смещению коллекторного перехода. Оба перехода смещены в обратном направлении, а это режим отсечки.
53. Транзистор n-p-n типа включен по схеме ОБ. Напряжение Uэб = — 0,5 В, Uкб = 12 В. Определить Uкэ. Какой режим работы БТ?
Активный режим работы.
54. Транзистор p-n-p типа включен по схеме ОЭ. Напряжение Uбэ = — 0,8 В, Uкэ = — 10 В. Определить Uкб и режим работы транзистора.
отсюда .
55. Выводы электродов транзистора маркированы А, В, С. Токи, протекающие через эти выводы в в активном режиме работы транзистора, равны IА = 1 мА, IВ = 20 мкА, IС= 1,02 мА. Определить с какими выводами транзистора соединены выводы А, В, С и каков коэффициент передачи постоянного тока базы транзистора.
Токи в транзисторе связаны соотношением Iэ = Iк + Iб, то есть ток эмиттера самый большой Iэ = IС =1,02 мА. Токи , значит Iк = IА = 1 мА, и Iб = IВ = 20 мкА.
.
56. Нарисуйте энергетические диаграммы p-n-p и n-p-n транзистора при отсутствии напряжений между выводами, а также работающего в активном режиме.
57. Транзистор n-p-n типа, имеющий параметры
включен по схеме:
Uкб = +5 В, Uбэ = +0,62 В. Определить Uкэ, режим работы, токи Iэ, Iк, Iб, коэффициент передачи тока базы b.
.
Режим: Uбэ = +0,62 В – прямое смещение, Uбк = — Uкб =- 5 В – обратное смещение, то есть активный режим.
Iб = Iэ – Iк = (5,89 – 5,86)*10 -4 = 0,03*10 -4 = 3*10 -6 А.
58. При достаточно большом напряжении на коллекторном p-n переходе его обедненный слой проникает сквозь базу и коллектор сливается с эмиттером. Это явление, называемое проколом базы, произошло в Ge транзисторе при обратном напряжении на коллекторном переходе 30 В. Определить ширину базы при отсутствии напряжения на переходе, если концентрация примесей в базе Nд = 20 21 м -3 , для Ge e = 16.
Биполярный транзистор. Что он собой представляет, как устроен и как
работает?
Сначала хотел приписать в названии темы: «для начинающих» или «для чайников», но, поразмыслив, пришёл к выводу: «А ведь далеко не каждый электронщик, считающий себя продвинутыми, понимает: как технологически устроен биполярный транзистор, за счёт чего он обладает усилительными свойствами, что влияет на характеристики транзистора и откуда появился этот загадочный зверь — «дырка»«.
Начнём с определения: Биполярный транзистор — это полупроводниковый электронный прибор, работающий по принципу взаимодействия двух, вплотную расположенных на кристалле p-n переходов. А коли прибор полупроводниковый, то это значит, что, как ни крути, а изготовлен транзистор из полупроводниковых материалов таких как: кремний, германий, индий и т.д. А что это такое — полупроводниковый материал или по-простому полупроводник?
Полупроводники по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При температурах, не сильно отличающихся от абсолютного нуля (-273,15°C), полупроводники обладают свойствами диэлектриков. Однако даже при незначительном повышении температуры, сопротивление полупроводника быстро уменьшается, и он начинает проводить электрический ток — т.е. становится проводящим. За счёт чего это происходит?
С ростом температуры кристалл полупроводника получает некоторую долю энергии в виде тепла, достаточную для того, чтобы часть отрицательно заряженных электронов покинуло свои атомы и перешло в межатомное пространство. Такие электроны называются свободными, а атомы кристаллической решётки, от которых отпочковались электроны, приобретают несбалансирован- ный положительный заряд и получают условное название — «дырка».
Таким образом, при температурах выше -273,15°C в кристалле чистого полупроводника содержится некоторое количество зарядов обоих знаков — свободные электроны и дырки. Если кристалл не содержит примесей, то в любой момент времени количество свободных электронов равно числу имеющихся в кристалле дырок.
Другое дело, если к чистому полупроводнику подмешать некое вещество! В зависимости от свойств этой примеси мы можем получить: либо концентрацию дырок, намного превышающую концентрацию электронов (полупроводник p-типа), либо наоборот — превышение концентрации электронов над концентрацией дырок (полупроводник n-типа).
Итак, p-полупроводник (от англ. positive) — это полупроводник с положительным дырочным типом проводимости, а n-полупроводник (от англ. negative) — с отрицательным электронным типом проводимости.
Ну вот, а теперь можно переходить к описанию структурной схемы транзистора.
Рис.1
Как следует из рисунка Рис.1, биполярные транзисторы — это приборы, изготовленные на основе трёхслойной полупроводниковой структуры. В зависимости от порядка чередования областей, различают изделия двух типов проводимости: прямой (p-n-p) и обратной (n-p-n).
Легко заметить, что подобная комбинация полупроводников в транзисторе напоминает встречно-последовательное соединение двух диодов с общим катодом (p-n-p) либо анодом (n-p-n). Эта аналогия справедлива лишь в одном случае — она позволяет легко тестировать транзистор на предмет его живучести при помощи обычного омметра или мультиметра.
Рассмотрим цепь, иллюстрирующую работу n-p-n транзистора типа в различных режимах.
Рис.2 а) Режим отсечки тр-ра б) Активный режим тр-ра в) Режим насыщения тр-ра
На Рис.2 приведено классическое включение транзистора n-p-n типа по схеме с общим эмиттером. Положительный вывод источника питания через нагрузку (в качестве которой в нашем случае выступает светодиод) подключается к коллектору транзистора, отрицательный — к эмиттеру полупроводника и для кучи — к земляной шине.
Подадим нулевое смещение на базу транзистора (Рис.2 а)), посредством чего введём его в режим отсечки, соответствующий условию Uэб 0,6—0,7 В (Рис.2 б)) и тем самым переведём его в активный (нормальный) режим. В данном режиме переход база-эмиттер оказывается включённым в прямом направлении (открыт), а переход база-коллектор — в обратном (закрыт):
Поскольку прослойка р-полупроводника базы технологически сделана очень тонкой, положительное напряжение, приложенное к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до значительно большей по размеру n-области эмиттера. Под действием этого поля электроны из эмиттера направляются к базе и проникают внутрь неё. Малая часть электронов встречается и рекомбинирует (нейтрализуется) с дырками, являющимися основными носителями базы, но в связи с её малыми размерами (а соответственно и малым количеством дырок) бОльшая часть электронов проходит сквозь базу и доходит-таки до коллекторного перехода.
Уменьшение числа дырок в базе, происходящее в результате рекомбинации, компенсируется источником питания Bat2 и обуславливает ток базы, который, как мы уже поняли — значительно меньше тока эмиттера, который находится в прямой зависимости к интенсивности потока электронов.
Далее под действием электрического поля, создаваемого положительным потенциалом источника Bat1, электроны проникают из базы через p-n-переход в коллектор транзистора, выходят наружу и через источник питания замыкаются обратно в область эмиттера.
Если дальше повышать напряжение на базе, то количество электронов, участвующих в процессе циркуляции по цепи также увеличится. Результатом будет являться незначительное (в абсолютном выражении) увеличение тока базы и значительное увеличение тока коллектора.
А поскольку ток в цепи прямопропорционален интенсивности потока носителей заряда, то, исходя из всего вышесказанного и в соответствии с первым законом Кирхгофа, в транзисторе всегда существует следующее соотношение между токами: Iк = Iэ — Iб .
Величина отношения токов коллектора и эмиттера характеризует такой параметр транзистора, как — коэффициент передачи тока α = Iк / Iэ . Из формул следует, что коэффициент передачи тока транзистора всегда меньше единицы и принимает значение ≈ 0,9-0,99.
Усиливающее свойство транзистора заключается в том, что посредством относительно малого тока базы можно управлять большим током коллектора. Причём, в активном режиме — изменение тока коллектора прямо пропорционально изменению тока базы: ΔIк = ΔIб x h21э , где h21э (или β) — статический коэффициент передачи тока транзистора. Этот параметр является справочным и для разных полупроводников составляет величину от 10—12 до 200—300.
И последний режим работы транзистора — режим насыщения (Рис 2 в)) или по-умному — режим двойной инжекции.
При дальнейшем повышении уровня напряжения на базе, ток в коллекторной цепи Iк также увеличивается, что приводит (согласно закону Ома) к пропорциональному увеличению падения напряжения на нагрузке и, как следствие — уменьшению напряжения Uк.
При определённом уровне этого напряжения Uк, коллекторный переход база-коллектор начнёт переходить в прямосмещённое (открытое) состояние, т.е. оба p-n перехода транзистора окажутся открытыми. Уровень напряжения на базе, при котором начинается этот процесс, называется Uбэ.нас, является справочной величиной и указывается при неком фиксированном токе коллектора.
Физически, это прямое смещение КП приводит к тому, что не только эмиттер будет засылать (инжектировать) электроны в базу, но и коллектор — тоже. Движение этих коллекторных электронов противоположно направлению диффузионного тока эмиттера и активно препятствует дальнейшему повышению тока транзистора.
В результате этого противостояния, ток коллектора практически перестаёт зависеть от дальнейшего увеличения уровня напряжения на базе и фиксируется на уровне, называемом Iк.нас. Ещё один паспортный параметр, характеризующий работу транзистора в режиме насыщения — Uкэ.нас показывает величину падения напряжения между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора.
В связи с тем, что величина тока Iк.нас может принимать значения, значительно превышающие токи транзистора, находящегося линейном режиме, следует внимательно относиться к выбору коллекторной нагрузки, чтобы не превысить максимально допустимых значений мощностей как самого транзистора, так и нагрузки. В случае, изображённом на Рис 2 в), этот выходной ток будет явно выше 20мА, допустимых для светодиода, что собственно говоря, и отображено на схеме.
Ну и под занавес приведу пример работы транзисторного каскада ОЭ в активном режиме (Рис.3).
Переменный резистор R1 принимает значения от 0 (в верхнем положении) до 680кОм (в нижнем).
В первом приближении — изменением значения напряжения Uбэ можно пренебречь и считать его равным Uбэ ≈ 0,6 В.
Тогда, согласно закону Ома, в верхнем положении потенциометра ток базы будет равен:
Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/51к = 0,16 мА ,
а в нижнем:
Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/(51к +680к) = 0,011 мА ,
А поскольку мы помним, что Iк = Iб x h21э , то в верхнем положении R1 — Iк = 16мА , т.е. яркость светодиода близка к максимальной.
В нижнем положении R1 — Iк = 1,1мА , т.е. светодиод не светится, либо светится очень слабо.
В промежуточных положениях ручки потенциометра — токи, а соответственно и яркость свечения, также принимают промежуточные значения.
На следующей странице рассмотрим эквивалентную схему транзистора, а также свойства и характеристики различных типов усилительных каскадов.
Транзисторный источник тока
Транзисторный источник тока: основная идея.
Работает он следующим образом: напряжение на базе UБ > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U Э = U Б – 0,6 В. В связи с этим IЭ = UЭ /RЭ = (UБ – 0,6 В)/RЭ . Так как для больших значений коэффициента h21эIЭ
= IК , то IК
= (UБ – 0,6 B)/RЭ независимо от напряжения UK до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (UK > UЭ + 0,2 В).
Смещение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h21эRэ.
Можно воспользоваться также стабилитроном и использовать для смещения источник питания Uкк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рисунке показаны примеры схем смещения. В последнем примере транзистор р‑n‑р ‑типа питает током заземленную нагрузку (он – источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n‑р‑n ‑типа) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую‑либо точку схемы, то это источник, и наоборот].
Схемы транзисторных источников тока с тремя способами подачи смещения на базу; в транзисторы n p n типа ток втекает, а из транзисторов р n р типа вытекает. На схеме (в ) показан источник с заземленной нагрузкой.
В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим
= 100 кОм (для h21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, – этого достаточно, чтобы диоды были открыты.
Физические процессы и токи в транзисторе
Биполярный транзистор – это прибор с двумя р-n-переходами и тремя выводами (рис. 4.1). Возможны две структуры транзистора: р–n–p и n–p–n. Транзистор, выполненный по структуре p-n-p, называют транзистором прямой проводимости, а со структурой n-p-n-обратной.
Средняя область и вывод от нее называются базой. Один из крайних выводов и соответствующая область называется эмиттером, а другая – коллектором. Если оба перехода симметричны, то коллектор и эмиттер можно поменять местами. Но, как правило, конструкция транзистора несимметрична, и инверсное включение дает худшие характеристики. Коллектор имеет обычно большую площадь, чем эмиттер (рис. 4.2).
На рис. 4.3 приведено обозначение на схемах транзисторов р-n-p и n-p-n.
Процессы в транзисторах p-n-p и n-p-n аналогичны. Поэтому рассмотрим только один. Возможны четыре режима работы транзистора
- Активный режим: эмиттерный переход открыт, коллекторный – закрыт.
- Режим насыщения: оба перехода открыты.
- Режим отсечки: оба перехода закрыты.
- Инверсный активный режим: коллекторный переход открыт, эмиттерный закрыт.
Во всех аналоговых устройствах транзистор используется в активном режиме. Другие режимы транзистора характерны для импульсных устройств.
Рассмотрим токи через транзистор со структурой p-n-p в активном режиме. Для транзистора структуры n-p-n полярность напряжений на электродах должна быть противоположной. Ток через открытый эмиттерный переход равен сумме электронного и дырочного
где Ino и Ipo – компоненты обратного тока; Uэ – напряжение на эмиттере относительно базы; φт – температурный потенциал.
Реальные транзисторы выполняются так, что концентрация основных носителей р-областей существенно выше, чем в n-области, т. е. pp>> nn, pn>> np ( переходы несимметричны). Тогда
Итак, из эмиттера в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер – электроны. Для поддержания постоянства концентрации электронов в базе они должны поступать в нее через вывод базы от источника Eэ. Следовательно, электронная компонента эмиттерного тока протекает через вывод базы. Чтобы она была возможно меньшей, эмиттерный переход выполняют несимметричным: степень легирования примесями базы значительно ниже, чем эмиттера. Следует иметь в виду, что направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных носителей (дырок) и противоположно направлению движения отрицательно заряженных носителей (электронов).
Для оценки соотношения электронного и дырочного токов вводится коэффициент инжекции γ , который характеризует эффективность эмиттера
Так как In<< Ip, то γ близко к 1. На рис. 4.4 показана инжекционная компонента базового тока Iэ(1- γ).
Рис. 4.4
При ширине базы w, меньшей чем диффузионная длина L, часть неравновесных носителей, образующих ток левого перехода, достигнет правого перехода и будет подхвачена полем Ek . При w «L практически все неравновесные носители перейдут в правую область. Только малая часть носителей успеет рекомбинировать на расстоянии w. За счёт рекомбинации дырок, инжектированных из эмиттера, с электронами – основными носителями в базе – происходит уменьшение концентрации электронов в базе они поступают в неё от источника Eэ , образуя рекомбинационную компоненту базового тока (1-х)γIэ (рис. 4.4).
Коэффициент переноса x показывает, какая часть инжектированных левым переходом неравновесных носителей достигнет правой P-области. Теория даёт следующее выражение для x
Итак, ток правого перехода может управляться током левого перехода. Как коэффициент инжекции, так и коэффициент переноса являются внутренними параметрами транзистора. Гораздо удобнее пользоваться коэффициентом передачи по току α=γχ, который можно определить по значениям токов через выводы транзисторов. Таким образом, ток коллектора является частью тока эмиттера и в широких пределах не зависит от Ek.
Через коллекторный переход протекает, кроме того, ток закрытого коллекторного перехода Iko. Так как pn>> np, то обратный ток через коллекторный переход имеет преимущественно дырочный характер. Величина его определяется свойствами материала, температурой и геометрией
р-n-перехода. Для данного полупроводника и фиксированной температуры при Ek <U пробоя значение обратного тока мало зависит от напряжения, приложенного к переходу. Таким образом, для активного режима транзистора справедливы следующие соотношения для токов:
Ток базы состоит из трёх составляющих:
- инжекционная (1-γ)Iэ ;
- рекомбинационная (1-х)γIэ;
- обратный ток коллекторного перехода Ikо.
Он может иметь положительное или отрицательное значение в зависимости от соотношения Ikо между и другими составляющими.
Так как площади переходов не одинаковы (для увеличения коэффициента переноса площади эмиттерного перехода), то коэффициенты γ,x,α изменяются при перемене местами коллектора и эмиттера.
Полупроводниковый материал базовой области (наиболее высокоомный) имеет некоторое омическое сопротивление. Поэтому действительные напряжения, приложенные к эмиттерному и коллекторному переходам, отличаются от напряжений Eэ и Eк на величину Iбrб.
Источник тока на ОУ и транзисторе
Предлагаем очень несложную конструкцию аналогового генератора постоянного тока общего назначения, с использованием легко доступных компонентов. Это действительно простая схема, которую легко собрать, и она очень полезна, особенно если вы хотите провести эксперименты с мощными светодиодами и так далее. Вот полная схема аналогового генератора постоянного тока. Схемотехника и теория работы просты и понятны.
Схема аналогового источника постоянного тока
Поскольку это источник постоянного тока, то есть своеобразная электронная нагрузка, он адаптирован для работы со слаботочным независимым блоком питания 12 В. Силовая часть схемы — это доступный мощный полевой МОП-транзистор IRF3205, рассматриваемый как переменный резистор. Обратите внимание, что силовой полевой транзистор можно также использовать в линейном (а не переключающем) режиме, и тогда он обычно рассматривается как переменный резистор.
Следующим ключевым элементом в этой схеме является трехконтактный программируемый диод шунтирующего стабилизатора TL431A. Также есть микросхема маломощного двойного операционного усилителя — LM358.
Принцип работы источника тока на ОУ
Принцип работы аналогового источника тока: когда нагрузка постоянного тока находится под напряжением, на силовом резисторе 1 Ом (R4) создается небольшое напряжение, которое подается на инвертирующий вход (контакт 2) IC1. Это положительное напряжение инвертируется IC1, уменьшая напряжение на выходе (вывод 1), что дополнительно снижает напряжение на R4 через T1. Это стабилизирует выходное напряжение до значения, которое окажется на его неинвертирующем входе (вывод 3). Любое изменение тока через R4 вызывает изменение напряжения на выводе 2, которое точно компенсируется отрицательной обратной связью. В результате через силовой резистор и подключенную нагрузку протекает постоянный ток.
Опорное напряжение составляет около 2,5 В, использовалась TL431A (VR1) в качестве источника опорного напряжения, потому что микросхема была под рукой. Также можно попробовать другие, более дешевые идеи создания постоянного опорного напряжения. Потенциометр 10K (TM1) предназначен для точной настройки тока, и, следовательно, 10-оборотный точный многооборотный подстроечный резистор был бы лучше, чем обычный, который использовался в данном случае.
Обратите внимание, что когда через R4 протекает ток 1 А, на нём будет 1 В. И максимальное опорное напряжение, которое может видеть IC1, будет около 1,2 В. Опорное напряжение 2,5 В дополнительно уменьшено цепью резисторов R2 — TM1 примерно до 1,2 В.
Далее была сделана быстрая тестовая версия на макетной плате. Стоит обратить внимание на то, что эту схему довольно легко заставить возбуждаться, а это нежелательно и может затруднить точную регулировку тока нагрузки. Более того, силовой резистор 1 Ом должен рассеивать довольно много энергии, да и силовой полевой транзистор должен использоваться с подходящим радиатором.
Испытания собранного устройства
Сначала тестировался прототип с белым светодиодом 12 В / 10 Вт, и подключенный осциллограф показывает, что нет никаких лишних колебаний. А затем тестировался до 12 А, используя старый резистор 0,1 Ом / 20 Вт вместо резистора по схеме 1 Ом / 5 Вт. Конечно также поменян радиатор на более мощный. По паспортным данным транзистор IRF3205 может выдерживать ток 100 А, но при достаточном охлаждении.
Теперь о нескольких вещах, которые необходимо учесть при сборке. Во-первых, для схемы генератора постоянного тока следует использовать отдельный источник питания 12 В. Затем, если решите использовать другой операционный усилитель, то выберите ОУ с питанием от шины к сети, поскольку он будет лучше, чем операционный усилитель LM358, который использовался тут. Кроме того, важно уделять внимание номинальным характеристикам компонентов в цепи силовой электроники. Неправильный выбор может привести к серьезным бедствиям, таким как перегрев.
Если что, можете заменить опорное напряжение аналоговым (или широтно-импульсным сигналом с цифровым управлением). Это более условно и легче для понимания, поэтому я не буду сейчас вдаваться в подробности. В таких случаях неиспользуемый второй операционный усилитель будет выступать в качестве буфера с единичным усилением — повторитель напряжения. Входное сопротивление буфера операционного усилителя очень высокое, а выходное очень низкое. Такое включение помогает решить проблемы согласования сопротивлений. Такое включение помогает решить проблемы согласования сопротивлений.
Практические схемы токовых нагрузок
На базе операционного усилителя и полевого транзистора и делают большинство схем источников тока или токовых нагрузок. Практические примеры конструкций смотрите далее.
Схема устройства цветодинамического сопровождения музыки, выполненного на базе драйвера LED индикатора LM3914.
Тристабильный мультивибратор — схема трёхканального переключателя LED.
Электрофорез "Поток-1" — схема, инструкция и самостоятельное изготовление медицинского прибора.
Как правильно выбрать резистор для LED, а также способы питания светодиодов.