Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.
Классификация
Транзисторы разделяют на группы:
- По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
- По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
- По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
- По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.
Как работают транзисторы?
Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.
Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.
База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей – электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.
Схемы включения биполярных транзисторов способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.
Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками – основными носителями. Образуется базовый ток Iб. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.
Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: Iэ = Iб + Iк.
Параметры транзисторов
- Коэффициенты усиления по напряжению Uэк/Uбэ и току: β = Iк/Iб (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
- Входное сопротивление.
- Частотная характеристика – работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.
Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы
Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.
1. Схема с ОК
Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором: сигнал поступает на резистор RL, который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.
Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.
2. Схема с ОБ
Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С1, а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.
Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.
3. Схема с ОЭ
Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор RL, а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.
Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (Vin), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (VCE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С1, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R1, через который транзистор открывается.
В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе RL вместе равны величине ЭДС: VCC = ICRL + VCE.
Таким образом, небольшим сигналом Vin на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения - в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.
Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании каскадов усиления. Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.
Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.
Режимы работы
На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.
1. Режим отсечки
Данный режим создается, когда значение напряжения VБЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.
2. Активный режим
Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.
3. Режим насыщения
Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.
Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.
Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.
Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания VCC, а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: IC = (VCC - VCE)/RC. Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора IC и напряжение VCE, будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы IВ.
Зона между осью VCE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где IВ = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток IC ничтожно мал, а транзистор закрыт.
Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью IC и самой крутой характеристикой.
Как ведет себя транзистор в разных режимах?
Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.
Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель
Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.
Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.
Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.
Работа в режиме переключения
Транзисторные ключи предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.
Заключение
Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.
Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.
