Біполярні транзистори: схеми включення. Схема включення біполярного транзистора із загальним емітером

Одним з типів трьохелектродних напівпровідникових приладів є біполярні транзистори. Схеми включення залежать від того, яка у них провідність (діркова або електронна) і виконувані функції.

Класифікація

Транзистори поділяють на групи:

1. За матеріалами: найчастіше використовуються арсенід галію і кремній.
2. За частотою сигналу: низька (до 3 МГц), середня (до 30 МГц), висока (до 300 МГц), надвисока (вище 300 МГц).
3. За максимальної потужності розсіювання: до 0,3 Вт, до 3 Вт, більше 3 Вт
4. За типом пристрою: три з'єднані шару напівпровідника з почерговим зміною прямого і зворотного способів примесной провідності.

Як працюють транзистори?

Зовнішні і внутрішній шари транзистора з'єднані з підводять електродами, званими відповідно емітером, колектором і базою.

Емітер і колектор не відрізняються один від одного типами провідності, але ступінь легування домішками в останнього значно нижче. За рахунок цього забезпечується збільшення допустимого вихідної напруги.

База, що є середнім шаром, володіє великим опором, оскільки зроблена з напівпровідника зі слабким легуванням. Вона має значну площу контакту з колектором, що покращує відведення тепла, що виділяється через зворотного зсуву переходу, а також полегшує проходження неосновних носіїв - електронів. Незважаючи на те що перехідні шари засновані на одному принципі, транзистор є несиметричним пристроєм. При зміні місць крайніх шарів з однаковою провідністю неможливо отримати аналогічні параметри напівпровідникового пристрою.

Схеми включення біполярних транзисторів здатні підтримувати його в двох станах: він може бути відкритим чи закритим. В активному режимі, коли транзистор відкритий, емітерний зміщення переходу зроблено в прямому напрямку. Щоб наочно це розглянути, наприклад, на напівпровідниковому тріоді типу npn, на нього слід подати напругу від джерел, як зображено на малюнку нижче.

Кордон на другому колекторному переході при цьому закрита, і через неї струм протікати не повинен. Але на практиці відбувається зворотне через близьке розташування переходів один до одного і їх взаємного впливу. Оскільки до емітера підключений «мінус» батареї, відкритий перехід дозволяє електронам надходити в зону бази, де відбувається їх часткова рекомбінація з дірками - основними носіями. Утворюється базовий струм I_б. Чим він сильніше, тим пропорційно більше струм на виході. На цьому принципі працюють підсилювачі на біполярних транзисторах.

Через базу відбувається виключно диффузионное переміщення електронів, оскільки там немає дії електричного поля. Завдяки незначній товщині шару (мікрони) і великій величині градієнта концентрації негативно заряджених частинок, майже всі з них потрапляють в область колектора, хоча опір бази досить велике. Там їх втягує електричне поле переходу, сприяюче їх активному переносу. Колекторний і емітерний струми практично рівні між собою, якщо знехтувати незначною втратою зарядів, викликаних рекомбінацією в базі: I_е = I_б + I_до.

Параметри транзисторів

1. Коефіцієнти підсилення по напрузі U_ек/ U_бе і току: beta- = I_до/ I_б (фактичні значення). Зазвичай коефіцієнт beta- не перевищує значення 300, але може досягати величини 800 і вище.
2. Вхідний опір.
3. Частотна характеристика - працездатність транзистора до заданої частоти, при перевищенні якої перехідні процеси в ньому не встигають за змінами подається сигналу.

Біполярний транзистор: схеми включення, режими роботи

Режими роботи відрізняються в залежності від того, як зібрана схема. Сигнал повинен подаватися і зніматися в двох точках для кожного випадку, а в наявності є тільки три висновки. Звідси випливає, що один електрод повинен одночасно належати входу і виходу. Так включаються будь біполярні транзистори. Схеми включення: ОБ, ОЕ і ОК.

1. Схема з ОК

Схема включення біполярного транзистора із загальним колектором: сигнал надходить на резистор R_L, який входить також до колекторних ланцюг. Таке підключення називають схемою із загальним колектором.

Цей варіант створює тільки посилення по струму. Перевага емітерного повторювача полягає у створенні великого опору входу (10-500 кОм), що дозволяє зручно погоджувати каскади.

2. Схема з ПРО

Схема включення біполярного транзистора із загальною базою: вхідний сигнал надходить через С₁, а після посилення знімається у вихідний колекторної ланцюга, де електрод бази є загальним. У такому випадку створюється посилення по напрузі аналогічно роботі з ОЕ.

Недоліком є невеликий опір входу (30-100 Ом), і схема з ПРО застосовується як генератор коливань.

3. Схема з ОЕ

У багатьох випадках, коли застосовуються біполярні транзистори, схеми включення переважно робляться із загальним емітером. Напругу живлення подається через навантажувальний резистор R_L, а до емітера підключається негативний полюс зовнішнього живлення.

Змінний сигнал з входу надходить на електроди емітера і бази (V_in), А в колекторної ланцюга він стає вже більше за величиною (V_CE). Основні елементи схеми: транзистор, резистор R_L і ланцюг виходу підсилювача із зовнішнім живленням. Допоміжні: конденсатор З₁, перешкоджає проходженню постійного струму в ланцюг подається вхідного сигналу, і резистор R₁, через який транзистор відкривається.

У колекторної ланцюга напруги на виході транзистора і на резисторі R_L разом дорівнюють величині ЕРС: V_CC = I_CR_L + V_CE.

Таким чином, невеликим сигналом V_in на вході задається закон зміни постійної напруги харчування в змінну на виході керованого транзисторного перетворювача. Схема забезпечує зростання вхідного струму в 20-100 разів, а напруги - в 10-200 разів. Відповідно, потужність також підвищується.

Недолік схеми: невеликий опір входу (500-1000 Ом). З цієї причини з'являються проблеми у формуванні каскадів посилення. Вихідний опір становить 2-20 кОм.

Наведені схеми демонструють, як працює біполярний транзистор. Якщо не вжити додаткових заходів, на їх працездатність сильно впливатимуть зовнішні впливи, наприклад перегрів і частота сигналу. Також заземлення емітера створює нелінійні спотворення на виході. Щоб підвищити надійність роботи, у схемі підключають зворотні зв'язки, фільтри і т. П. При цьому коефіцієнт посилення знижується, але пристрій стає більш працездатним.

Режими роботи

На функції транзистора впливає значення підключається напруги. Всі режими роботи можна показати, якщо застосовується представлена раніше схема включення біполярного транзистора із загальним емітером.

1. Режим відсічення

Даний режим створюється, коли значення напруги V_БЕ знижується до 0,7 В. При цьому емітерний перехід закривається, і колекторний струм відсутній, оскільки немає вільних електронів в базі. Таким чином, транзистор замкнений.

2. Активний режим

Якщо на базу подати напругу, достатню, щоб відкрити транзистор, з'являється невеликий вхідний струм і підвищений на виході, в залежності від величини коефіцієнта посилення. Тоді транзистор буде працювати як підсилювач.

3. Режим насичення

Режим відрізняється від активного тим, що транзистор повністю відкривається, і струм колектора досягає максимально можливого значення. Його збільшення можна досягти тільки за рахунок зміни прикладається ЕРС або навантаження в ланцюзі виходу. При зміні базового струму колекторний не змінюється. Режим насичення характеризується тим, що транзистор гранично відкритий, і тут він служить перемикачем у включеному стані. Схеми включення біполярних транзисторів при об'єднанні режимів відсічення і насичення дозволяють створювати з їх допомогою електронні ключі.

Всі режими роботи залежать від характеру вихідних характеристик, зображених на графіку.

Їх можна наочно продемонструвати, якщо буде зібрана схема включення біполярного транзистора з ОЕ.

Якщо відкласти на осях ординат і абсцис відрізки, відповідні максимально можливого колекторному току і величині напруги живлення V_CC, а потім з'єднати їх кінці між собою, вийде лінія навантаження (червоного кольору). Вона описується виразом: I_C = (V_CC - V_CE) / R_C. З малюнка випливає, що робоча точка, визначальна струм колектора I_C і напруга V_CE, буде зміщуватися по навантажувальної лінії знизу вгору при збільшенні струму бази I_У.

Зона між віссю V_CE і першою характеристикою виходу (заштрихована), де I_У = 0, характеризує режим відсічення. При цьому зворотний струм I_C мізерно малий, а транзистор закритий.

Сама верхня характеристика в точці А перетинається з прямою навантаження, після якої при подальшому збільшенні I_У колекторний струм вже не змінюється. Зоною насичення на графіку є заштрихована область між віссю I_C і найкрутішою характеристикою.

Як поводиться транзистор в різних режимах?

Транзистор працює зі змінними або постійними сигналами, які надходять у вхідні ланцюг.

Біполярний транзистор: схеми включення, підсилювач

Здебільшого транзистор служить як підсилювача. Змінний сигнал на вході призводить до зміни його вихідного струму. Тут можна застосувати схеми з ОК або з ОЕ. У вихідний ланцюга для сигналу потрібно навантаження. Зазвичай використовують резистор, встановлений у вихідний колекторної ланцюга. Якщо його правильно вибрати, величина вихідної напруги буде значно вище, ніж вхідного.

Роботу підсилювача добре видно на тимчасових діаграмах.

Коли перетворюються імпульсні сигнали, режим залишається тим же, що і для синусоїдальних. Якість перетворення їх гармонійних складових визначається частотними характеристиками транзисторів.

Робота в режимі перемикання

Транзисторні ключі призначені для безконтактної комутації з'єднань в електричних ланцюгах. Принцип полягає в ступінчастому зміні опору транзистора. Біполярний тип цілком підходить під вимоги ключового пристрою.

Висновок

Напівпровідникові елементи використовуються в схемах перетворення електричних сигналів. Універсальні можливості і велика класифікація дозволяють широко застосовувати біполярні транзистори. Схеми включення визначають їх функції і режими роботи. Багато також залежить від характеристик.

Основні схеми включення біполярних транзисторів підсилюють, генерують і перетворять вхідні сигнали, а також перемикають електричні ланцюги.