Лекции по электронике2. Е. Ю. Салита
 Скачать 10.66 Mb.
|
|
6.8. Режимы работы транзистора На семействе выходных характеристик можно выделить три области, соответствующие трем режимам работы транзистора (рис. 6.18).  Рис. 6.18. Семейство выходных характеристик транзистора Область I – активная область или активный режим (режим малого сигнала). Ток на выходе зависит от тока на входе Iвых = f (Iвх) = var. Эмиттерный переход П1 смещен в прямом направлении, а коллекторный П2 – в обратном. Активная область используется при работе транзистора при усилении и генерировании монотонно изменяющихся сигналов с малой амплитудой. Область II – область (режим) отсечки. Оба перехода закрыты. Сигнал на входе отсутствует. Биполярный транзистор усилительными свойствами не обладает. Для обеспечения режима отсечки необходимо на эмиттерный переход подать запирающее напряжение (при запертом коллекторном переходе). Через оба перехода протекает ток IКО. За счет модуляции базы переход П1 смещается в прямом направлении. Для обеспечения его надежного запирания предусмотрена цепь смещения для получения положительного потенциала базы относительно эмиттера (для транзисторов p-n-p-типа). Область III – область насыщения или режим насыщения. Открыты оба перехода, через транзистор протекает прямой ток, ограничиваемый внешним сопротивлением. В преобразовательных устройствах биполярные транзисторы используются в качестве ключевых элементов, то есть они работают в режиме переключения из области насыщения (соответствует включенному состоянию) в область отсечки (соответствует выключенному состоянию), кратковременно находясь в активном режиме в процессе переключения. Режим ключа – сочетание режимов отсечки и насыщения, то есть режим большого сигнала. Режим работы биполярного транзистора с включенной нагрузкой в выходной цепи называется режимом нагрузки. При работе биполярного транзистора в этом режиме в его входную цепь подают переменный (гармонический или импульсный) сигнал, а в выходную цепь включают нагрузочный резистор, обмотку трансформатора или реле. Так как процесс работы транзистора связан с изменением его состояния во времени, нагрузочный режим можно считать квазистатическим. Нагрузочные характеристики можно получить экспериментально или построить графически по статическим характеристикам. Схема включения биполярного транзистора с нагрузкой в коллекторной цепи, входным переменным сигналом и источниками питания в коллекторной (выходной) цепи и цепи смещения на входе называется усилительным каскадом (рис. 6.19). На выходные характеристики (рис. 6.20) нанесены ограничения по максимальным значениям тока коллектора Iк макс, напряжения коллектор-эмиттер UКЭ0 и мощности, рассеиваемой на коллекторе Pк макс = UКЭ Iк = const. Нагрузочные характеристики строятся в рабочей области, ограниченной максимальными значениями тока, напряжения и мощности. Для выходной цепи на основании второго закона Кирхгофа можно записать уравнение равновесия UКЭ = Ек – IкRк. (6.15) Из уравнения (6.14) следует, что с увеличением тока коллектора Iк, напряжение UКЭ уменьшается, так как увеличивается падение напряжения на сопротивлении нагрузки URк = IкRк. Таким образом, изменение напряжения и тока входной цепи приводит к одновременному изменению не только выходного тока, но и выходного напряжения UКЭ.  Рис. 6.19. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером  Рис. 6.20. Семейство выходных характеристик Уравнение (6.14) является уравнением прямой, которую можно построить на выходных характеристиках (рис. 6.20) по двум точкам, соответствующим: холостому ходу (А) (Iк = 0 и UКЭ = EК) и короткому замыканию (Б) (Iк = EК / Rк и UКЭ = 0). Прямая АВ называется нагрузочной прямой. Она имеет рабочий участок А’В’. По нагрузочной прямой (рис. 6.20) строится входная нагрузочная характеристика (рис. 6.21) по соответствующим токам базы и напряжениям UКЭ (а, О, б). По точкам пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками можно найти параметры работы транзистора в режиме нагрузки при Uкэ=const, Rк= const и разных токах базы. За входную нагрузочную характеристику принимается одна из статических (обычно для UКЭ= – 5 В). Для полного воспроизведения на выходе усиливаемого входного сигнала источника тока iвх с помощью источника смещения постоянного тока EБЭ, задают точку покоя (рабочую точку) усилительного каскада (точка О на рис. 6.21), которой соответствует определенный постоянный ток покоя на входе Iб(0) и на выходе Iк(0) при отсутствии переменного сигнала. Выбором значения EБЭ можно задать необходимый режим (класс) усиления.  Рис. 6.21. Семейство входных характеристик 6.9. Работа транзистора в ключевом режиме Одна из простейших схем транзисторного ключа приведена на рис. 6.22, а временные диаграммы для этой схемы – на рис. 6.23. Схема с общим эмиттером используется в транзисторном ключе чаще всего потому, что по сравнению с другими схемами может быть получен максимальный коэффициент усиления по мощности.  Рис. 6.22. Схема транзисторного ключа При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения Ucм (рис. 6.23, а). Состояние отсечки соответствует положению – «разомкнутый контакт». Источник положительного напряжения смещения + Ucм вводится в цепь базы для ограничения не равного нулю тока IКО, проходящего через цепь нагрузки. При подаче отрицательного управляющего сигнала (рис. 6.23, б), амплитуда которого превышает значение напряжения смещения, на базу транзистора подается отрицательный сигнал (рис. 6.23, в) и он переходит в состояние насыщения, которое аналогично замкнутому контакту. В закрытом состоянии потенциал коллектора (Uвых) близок к (–UК), в открытом – к (+UК) (рис. 6.23, г). Для обеспечения режима насыщения необходимо, чтобы значение тока базы соответствовало следующему условию (рис. 6.23, д): IБ нас IК нас/мин, (6.16) где IК нас – ток коллектора в режиме насыщения; мин – минимальный статический коэффициент усиления транзистора.  Рис. 6.23. Временные диаграммы в схеме транзисторного ключа При открытии транзистора ток эмиттера IЭ появляется практически мгновенно (рис. 6.23, е), его задают в ключевых схемах на 20-30 % больше номинального тока IЭ ном. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение  (6.17)называется коэффициентом (глубиной) насыщения. Ток в цепи коллектора (рис. 6.23, ж) появляется позже на время задержки включения (t2 – t1), которое затрачивается на диффузионное перемещение через базу инжектированных носителей. Это время незначительно и в случае приближенных расчетов им пренебрегают. Разность (t3 – t2) – время фронта импульса коллекторного тока (на уровне IК=Iк нас заканчивается переходный процесс в коллекторной цепи). Разность (t4 – t3) – время продолжения переходного процесса в базе, так как концентрация инжектированных носителей зарядов при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время возрастать. Момент окончания переходного процесса в транзисторе соответствует моменту времени t4. Разность (t4 – t1) – время установления, соответствует времени заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода. Разность (t6 – t5) – время задержки включения, при котором IК = IКнас. Приложение к эмиттерному переходу обратного напряжения вызывает в начальный момент значительный обратный ток вследствие насыщения перехода свободными носителями зарядов. Этот ток протекает до момента времени t7. После момента времени t5 – подачи запирающего напряжения в коллекторной цепи, и момента времени t7 в цепи эмиттера токи начинают снижаться, что связано с рассасыванием накопленного заряда в базе. Завершение переходного процесса происходит в момент времени t8. Разность (t8 – t6) – время спада импульса коллекторного тока. 6.10. Малосигнальные и собственные параметры транзисторов Для расчета электрических цепей с транзисторами необходимо учитывать параметры транзисторов. В настоящее время получил распространение метод расчета параметров транзистора при замене его линейным четырехполюсником. Но транзистор нелинейный элемент. Поэтому замена его линейным четырехполюсником (рис. 6.24) справедлива лишь для области малых сигналов, когда участки характеристик, связывающие напряжения и токи, малы и их нелинейностью можно пренебречь. Режимом малого сигнала называется такой режим, при котором изменение входного сигнала на 50 % вызывает изменение выходного сигнала не более, чем на 10 % от его предыдущего значения.  Рис. 6.24. Схема линейного четырехполюсника Для транзистора, как четырехполюсника, в качестве независимых переменных обычно принимают приращения I1 и U2, а приращения U1 и I2 выражают через так называемые h-параметры транзистора:  (6.18) U1 = h11 I1+h12 U2; I2 = h21 I1 + h22 U2. Значение h-параметров в пределах линейных частей характеристик соответствует частным производным при равенстве нулю второго слагаемого в правой части уравнения. К h-параметрам относятся следующие: h11 – входное сопротивление транзистора при короткозамкнутой выходной цепи  [Ом]; (6.19)h12 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутой входной цепи  ; (6.20)h21 – коэффициент усиления по току при короткозамкнутой выходной цепи  ; (6.21)h22 – выходная проводимость при разомкнутой входной цепи  . (6.22)В зависимости от схемы включения  ;  .Для определения h-параметров на входе схемы осуществляют режим холостого хода, а на выходе – режим короткого замыкания. Оба режима создаются по переменной составляющей тока или напряжения. Это должно быть сделано так, чтобы изменение режима работы транзистора по переменной составляющей не отражалось на выбранном и установленном его режиме по постоянной составляющей. Для создания режима короткого замыкания по переменной составляющей между двумя выходными электродами включают конденсатор большой емкости, а для режима холостого хода на входе включают реактор с большой индуктивностью или параллельный колебательный контур. Схема для измерения h-параметров приведена на рис. 6.25.  Рис. 6.25. Схема для измерения h-параметровh-параметры зависят от выбранной рабочей точки, температуры и схемы включения транзистора по переменному току. Транзистор можно описать и другими параметрами: если в качестве независимых переменных принять I1 и I2, а зависимых – U1 и U2, то это система z-параметров (r-параметров). Если в качестве независимых переменных принимаются U1 и U2, а в качестве зависимых – I1 и I2, то это система y-параметров. Наибольшее распространение получила система h-параметров. Системы z- и y-параметров применяются редко вследствие затруднений, связанных с измерением этих параметров. Если нельзя заменить нелинейную характеристику линейной в области сильных сигналов, то транзистор описывают собственными параметрами, которые определяются по статическим ВАХ. Но значения собственных параметров пригодны для расчетов в диапазоне низких частот, где эти параметры являются активными и не зависят от частоты. 6.11. Силовые транзисторные модули Для управления силовыми транзисторами требуются значительные токи управления, что не всегда можно реализовать в схемах. Для снижения тока управления (тока базы) используется составной транзистор, который собирается из двух отдельных транзисторов, либо две транзисторные структуры устанавливаются в общий корпус. Такой прибор называется транзисторным модулем. Схема силового транзисторного модуля приведена на рис. 6.26. При открытии транзистора VT1 током базы IБ1 через его коллекторную цепь протекает ток базы транзистора VT2, при этом IК1 = IБ2. Ток базы транзистора VT1, являющийся током управления такого модуля, меньше тока базы транзистора VT2 (IБ1 IБ2). Резисторы R1 и R2 обеспечивают отрицательное смещение на базах транзисторов и их полное запирание при отсутствии положительных сигналов на базах. Диод VD исключает подачу на базу транзистора VT1 отрицательного сигнала из внешней цепи.  Рис. 6.26. Схема силового транзисторного модуля Структуры транзисторов смонтированы в корпусе электрически изолированно от общего основания, что позволяет несколько модулей устанавливать на общий радиатор (охладитель) независимо от схемы их соединения. 6.12. Параметры биполярных транзисторов Различают электрические параметры, предельные эксплуатационные параметры и параметры эквивалентных схем (параметры схем замещения). К электрическим параметрам относятся: – fh21(f) – предельная частота коэффициента передачи тока транзистора; – h21Э() – статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером; – UКЭ 0 гр – граничное напряжение транзистора; – UКЭ нас – напряжение насыщения коллектор - эмиттер; – UЭБ нас – напряжение насыщения эмиттер - база; – СК, СЭ – емкости коллекторного и эмиттерного переходов соответственно; – Iкбо, Iэбо – обратные токи коллектора и эмиттера соответственно. К предельно-допустимым параметрам относятся: – UКБ, UЭБ – постоянные напряжения коллектор-база и эмиттер-база соответственно; – РК макс – постоянная рассеиваемая мощность коллектора (определяет нагрузочную способность транзистора); – Тп – температура перехода. 6.13. Классификация и системы обозначений (маркировка) транзисторов Выпускаемые промышленностью транзисторы классифицируют по мощности и частоте. В настоящее время используют транзисторы как со старой маркировкой, так и с новой. Старая маркировка содержит три элемента: 1 элемент – буква П (плоскостной транзистор) или МП (модернизированный плоскостной); 2 элемент – порядковый номер разработки транзистора, характеризующий его полупроводниковый материал, мощность рассеяния (малая – до 0,25 Вт и большая – более 0,25 Вт) и частотные свойства (низкочастотные – до 5 МГц и высокочастотные – свыше 5 МГц); 3 элемент – буква, характеризующая свойства транзистора внутри одного типа (коэффициент передачи тока базы и др.). Номера разработки транзисторов при таком обозначении указаны в табл. 6.2. Таблица 6.2 Порядковые номера разработки транзисторов в зависимости от материала и мощности рассеяния (старая маркировка)
В соответствии с табл. 6.2 транзистор П5А является германиевым низкочастотным малой мощности, а П302Б – кремниевым низкочастотным большой мощности. Новая система маркировки содержит четыре элемента: 1 элемент – буква, обозначающая материал, на основе которого выполнен транзистор (Г – германий, К – кремний, А – арсенид галлия); 2 элемент – буква Т (транзистор биполярный), буква П (транзистор полевой); 3 элемент – порядковый номер разработки прибора, характеризующий его мощность рассеяния и частотные свойства; 4 элемент – буква, характеризующая свойства транзистора внутри одного типа (допустимые ток и напряжение). Номера разработки транзисторов при таком обозначении указаны в табл. 6.3. В соответствие с табл. 6.3: КТ805А – транзистор биполярный кремниевый большой мощности, предназначенный для работы с частотой до 30 МГц; ГТ150Б – транзистор германиевый низкочастотный транзистор малой мощности. Таблица 6.3 Порядковые номера разработки транзисторов в зависимости от мощности рассеяния и частотных свойств (новая маркировка)
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||