рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Нелинейные трехполюсные резистивные элементы .

Нелинейные трехполюсные резистивные элементы . - раздел Электротехника, Основные элементы электротехники и электроники   1.6.1 Биполярный Транзистор (Основные Понятия) Одним...

 

1.6.1 Биполярный транзистор (основные понятия)

Одним из базовых элементов в электронике является биполярный транзистор, структура которого показана на рис.1.41: в одном кристалле имеется две р-области, разделенные одной общей n-областью.

Рис.1.39 Упрощенная структура транзистора типа р-n-р.

При такой структуре, в транзисторе возникают два р-n перехода, у которых внутренние, собственные поля переходов направлены навстречу друг другу. Левая р-область получила название эмиттера (испускающей заряды), правая- коллектора (собирающей заряды), средняя часть- базы. На рис.1.39 эмиттер и коллектор показаны как совершенно одинаковые области как по размерам , так и сути происходящих в них процессах. На практике, коллектор имеет более развитую поверхность, так как на правом р-n переходе, получившем название коллекторного, выделяется больше тепловой мощности, чем в левом, получившем название эмиттерного. База транзистора существенно тоньше эмиттера и коллектора и легирована слабее. Такая структура транзистора, имеющего два р-n перехода позволяет провести формальное представление транзистора, условное изображение которого показано на рис.1.40, двумя диодами (рис.1.41).

 

Рис.1.40 Изображение транзистора типа p-n-p. Рис.1.41 Представление транзистора двумя диодами.

Схема на рис.1.41 крайне привлекательна для понимания (чтения) электронных схем, так как поведение диодов достаточно понятно. Но, при использовании представления транзистора двумя диодами, следует все время помнить о том , что наличие общей базы, существенно меняет всю картину распределения токов и напряжении в схеме, в которой вместо двух отдельных диодов включен транзистор. Транзистор ведет себя как два отдельных диода, только при условии, что ток базы равен нулю. Но, если ток базы отличен от нуля, можно считать, что ток коллектора практически равен току эмиттера. Рассмотрим схему, показанную на рис.1.42. В этой схеме база транзистора «висит» в воздухе, ток базы равен нулю, и токи эмиттера и коллектора будут тоже практически равны нулю. В этом смысле схема с двумя диодами (рис.1.41) точно моделирует поведение транзистора.

Рис.1.42 Схема с «висящей» базой.

Подключим базу, так как это показано на рис.1.43.

Рис.1.43 Схема с подключенной базой.

В схеме (рис.1.43), ток базы будет отличен от нуля и ток коллектора также будет больше нуля. В соответствии с 1-м законом Кирхгофа:

 

Выражения для токов в транзисторе справедливы и в случае, когда эмиттер и коллектор представляют из себя n-области, а база р-область (рис.1.44):

Рис.1.44 Упрощенная структура транзистора типа n-р-n.

Это транзистор типа n-р-n. Условное изображение показано на рис.1.45, а представление системой двух диодов на рис.1.46.

Рис.1.45 Изображение транзистора типа n-p-n. Рис.1.46 Представление транзистора двумя диодами.

Сравнение рис.1.40 и 1.45 показывает, что два типа транзисторов отличаются друг от друга только полярностями напряжений и выбранными положительными направлениями тока. Это позволяет сформировать общие правила качественного анализа поведения транзистора в электронных схемах:

1. Потенциал эмиттера должен быть больше потенциала базы, а потенциал базы больше потенциала коллектора. (Для транзистора типа n-р-n соотношения потенциалов обратные).

2. Переход эмиттер-база подобен диоду, смещенному в прямом направлении. Его состояние (ток) практически целиком зависит, от величины напряжения эмиттер-база.

3. Переход база-коллектор подобен диоду, смещенному обычно в обратном направлении. Его состояние (ток) практически полностью зависит от тока базы.

4. Для каждого транзистора существуют максимальные значения токов , и , превышение которых приводит к необходимости применения другого транзистора. Важно также помнить о максимальной рассеиваемой мощности , определяемой как произведение .

5. Если условия по п.п. 1-4 выполнены, то можно использовать важное выражение (1.7).

  (1.7)

Множитель получил название коэффициента усиления тока базы. Поясним выражение (1.7):

1. Выражение (1.7) выполняется с высокой степенью точности при работе транзистора в так называемом активном (усилительном) режиме. В этом режиме напряжение на эмиттерном переходе , а на коллекторном . Другими словами, эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный в обратном направлении.

2. Величина лежит в диапазоне значении от 20 до 1000. При ориентировочных расчетах, если нет твердой уверенности в знании величины , следует принимать

Рассмотрим схему, изображенную на рис.1.47. Проверим, будет ли гореть лампочка, номинальное напряжение которой , номинальный ток 0,1 А. . . Принять

Рис.1.47 Схема с транзистором Рис.1.48 Схема с диодами

Схема, изображенная на рис.1.48 наглядно показывает, что ток базы может протекать (диод VD1 включен в проводящем направлении). Проверяем наличие и величину тока базы. Обойдем контур, включающий источник эдс, сопротивление в цепи базы, эмиттерный переход и запишем уравнение по 2-му закону Кирхгофа:

   

При , переход эмиттер-база будет открыт и ток базы будет равен:

Принимая , получаем, что ток коллектора, в соответствии с (1.7), а также и ток лампочки равен: . Так как ток коллектора больше номинального тока лампочки равного 0,1 А, то лампочка безусловно будет гореть. Ток базы имеет избыточное значение.

1.6.2 Входные и выходные характеристики биполярного транзистора

Биполярный транзистор в первом приближении, можно рассматривать как чисто резистивный элемент. Это означает, что для математического описания его свойств достаточно знать вольтамперные характеристики. Сложность в том, что транзистор имеет три вывода, соответственно имеется три тока и три напряжения.

Применяя 1-й закон Кирхгофа, (рис.1.40), получаем, что достаточно задать два любых тока, третий определится однозначно. Аналогично, применяя 2-й закон Кирхгофа, получаем, что достаточно задать два любых напряжения, третье определится однозначно. Таким образом, необходимо получить зависимости, связывающие между собой два тока и два напряжения.

Транзистор, это, прежде всего устройство, включаемое между источником сигнала и нагрузкой. Как правило, источник и нагрузка- это элементы, имеющие по два вывода. А транзистор –элемент, имеющий три вывода (рис.1.49).

 

Рис.1.49 Основные элементы простой электронной цепи

Очевидно, если транзистор включается как промежуточное звено, то один из его зажимов должен быть общим и для сигнала и для нагрузки. В таб.1.2 показаны три принципиально возможные схемы включения транзистора. В зависимости от того, какой зажим транзистора является общим, схемы получили то или иное название. В таблице приведены также те важнейшие понятия, которые широко используются при анализе электронных цепей с транзисторами.

Таблица1.2

Название схемы
С общей базой С общим эмиттером С общим коллектором
     
     
     
     
     
     

Естественно, что при любой схеме включения транзистора, интерес представляет его поведение со стороны источника, т.е зависимость -входная характеристика и со стороны нагрузки - выходная характеристика. Очевидно, что конструкция транзистора такова, что величина входного тока зависит не только от величины входного напряжения, но и от того что происходит на выходе. Аналогичные соображения можно сделать и относительно выходной характеристики. На рис.1.50 показан типичный вид входной, а на рис.1.51 выходной характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Рис.1.50 Входные характеристики транзистора с общей базой. Рис.1.51 Выходные характеристики транзистора с общей базой

Входная характеристика это фактически характеристика диода включенного в прямом направлении, но отличие в том, что это многозначная характеристика, зависящая от выходного напряжения. Впрочем, зависимость от параметра незначительна и можно пользоваться характеристикой при . Другое дело выходная характеристика. По виду это обратная ветвь характеристики диода, но разность в том, что величина выходного тока практически равна входному току, который является параметром для выходного тока. -обратный тепловой ток.

На рис.1.52,1.53 показаны входная и выходная характеристика транзистора включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис.1.52 Входные характеристики в схеме с общим эмиттером. Рис.1.53 Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером.

Транзистор в электронике используют для решения самых разнообразных задач, в числе которых не последнее место занимает так называемое усиление входного сигнала. Для решения данной задачи требуется правильно настроить режим покоя. Режим покоя- это значения токов и напряжений при отсутствии входного сигнала. Рассмотрим расчет режима покоя в схеме включения транзистора с общим эмиттером (рис.1.54):

Рис.1.54 Режим покоя в схеме с общим эмиттером

Будем считать, что известны характеристики транзистора (рис.1.55,1.56), параметры коллекторной эдс (ЕК=9В) и коллекторное сопротивление (RК= 1285 Ом).

   
Рис.1.55 Входная характеристика Рис.1.56 Выходная характеристика

Обратите внимание, что входным током транзистора является ток базы и его величина измеряется в микроамперах. Рассчитаем режим покоя.

Запишем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для выходного контура: или . Мы уже строили похожую функцию (см. рис.1.23). В данном случае проводим нагрузочную прямую через две точки: и . Из множества точек пересечения этой прямой с выходной характеристикой, выбираем точку для которой . Это точка Р2. Данной точке соответствует ток базы 20 мкА. Переходя на входную характеристику, получаем, чтобы обеспечить такой ток базы необходимо подключить базовую эдс (ЕБ) величиной 0,65 В (точка Р1). Проведем ряд оценочных расчетов.

1. Входное сопротивление : 32500 Ом

2. Коэффициент усиления по току:

3. Выходное сопротивление :

 


Для большего понимания сути работы транзистора рассмотрим две схемы питания резистивной нагрузки. На рис.1.57 показана схема питания нагрузки (RН) с помощью делителя напряжения (R1 и R2). На рис.1. 59 делитель заменен транзистором.

Рис.1.57 Питание нагрузки с помощью резистивного делителя

Проведем графический расчет схемы. В режиме холостого хода ( ), запишем уравнение по 2-ому закону Кирхгофа: или . На рис.1.58 проведено графическое решение последнего уравнения, подобное решению на рис.1.23. Значения тока и напряжений в схеме будут определяться точкой пересечения ВАх R1 и прямой «А»-точкой .

Рис.1.58 Графический расчет резистивного делителя напряжения

Подключим нагрузку величиной . Так как резистор нагрузки и резистор , соединены параллельно, то их общее сопротивление . Тогда, прямая «А» перейдет в положение «А1», так как увеличится значение тока и значения тока и напряжений в схеме будут определяться точкой пересечения ВАх R1 и прямой «А1»-точкой . В результате напряжение на выходе делителя упадет на величину . Таким образом, меняется величина нагрузки, меняется напряжение на ней. Часто это крайне нежелательное явление. Представьте себе, что у себя дома Вы включили одну лампочку- темно, потом другую , а они светят все более тускло. Очевидно, требуется сделать так, чтобы при изменении величины нагрузки напряжение на ней оставалось постоянным или практически постоянным. Внимательно рассмотрим еще раз построения на рис.1.58. Как правило, трудно влиять на величину нагрузки. Да, это довольно часто и невозможно. Поэтому влиять на наклон нагрузочной характеристики (прямая «А1») мы не можем. С другой стороны , чтобы , необходимо изменить наклон ВАх резистора , таким образом, чтобы точка при изменении нагрузки перемещалась не в точку а в точку . Это означает, что с изменением тока протекающего по резистору должна меняться величина самого резистора. Другими словами резистор надо сделать регулируемым. Но, ведь биполярный транзистор это как раз и есть, по сути, переменное сопротивление управляемое током базы. Поэтому заменим делитель напряжения на биполярный транзистор (рис.1.59).

 
Рис.1.59 Схема питания нагрузки через транзистор

Проведем анализ работы схемы. Электронные схемы часто внешне крайне сложны. Со временем и при наличии желания, у Вас обязательно появится опыт «чтения» этих схем. Во-первых, выделайте главные элементы, ради которых и создана схема. В данном случае- это нагрузка которая получает энергию от источника эдс. С нагрузкой последовательно соединен транзистор, следовательно, ток коллектора- это ток нагрузки. Во-вторых, все время пытайтесь использовать законы Ома и Кирхгофа. В данном случае, обойдя внешний контур, запишем уравнение по 2-ому закону Кирхгофа:

или

В третий раз нам надо решить последнее уравнение. На рис.1.60 проделаны соответствующие построения. Так как транзистор включен по схеме с общим эмиттером, то взяты соответствующие выходные характеристики.

 

Рис.1.60 Разные нагрузки транзистора Рис.1.61 Входная характеристика

Если и ток базы , то значения тока и напряжения нагрузки будут определятся положением точки . Само значение тока базы , можно найти используя входную характеристику транзистора (рис.1.61). Чтобы ток базы равнялся , необходимо создать напряжение . Для этого используют делитель напряжения, состоящий из резисторов и . В первом приближении, если пренебречь током базы, то . Теперь изменим величину нагрузки. Если взять , то рабочая точка переместится в точку , если , в точку . И в том, и другом случае, при изменении нагрузки, напряжение на нагрузке меняется. Поставленная цель стабилизации напряжения не достигнута. Вот если бы при рабочая точка перемещалась в точку (рис.1.60), то желаемая цель была бы достигнута. Для этого, необходимо при уменьшении нагрузки увеличивать ток базы, а при увеличении нагрузки уменьшать. Чтобы понять, как этого можно достичь, рассмотрим распределение потенциалов в схеме по рис.1.59. Примем потенциал шины ( ). Потенциал узла 2 будет все время равен , а поэтому в этой схеме и ток базы постоянный, так как напряжение при . Обратим внимание на потенциал точки 3 (рис.1.59). Если нагрузка уменьшается, то при фактически постоянном токе коллектора (точки , и расположены на одном уровне), уменьшается падение напряжение на нагрузке, следовательно, потенциал точки 3 падает. Используем это обстоятельство – в этом суть искусства схемотехники. Подключим делитель к точке 3 (рис.1.62).

Рис.1.62 Простейший стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе

В полученной схеме, при уменьшении величины нагрузки, ток нагрузки должен вырасти, а вот потенциал узла 3 уменьшится, так как с ростом тока нагрузки растет ток коллектора, соответственно растет напряжение (рис.1.60), а напряжение падает. Следовательно, уменьшается ток в делителе . В соответствии с законом Ома уменьшается падение напряжения на резисторе , уменьшается величина потенциала точки 4: , но возрастает напряжение . В соответствии с входной характеристикой транзистора должен расти ток базы. А это как раз и требовалось. Но, попадет ли точка в точку (рис.1.60) это еще большой вопрос. Чтобы этого достичь, применяются различные по сложности схемные решения по изменению тока базы в нужном направлении. При этом, добиваются, чтобы при изменении величины нагрузки в широком диапазоне, величина была как можно меньше. На рис.1.63 показана схема стабилизатора напряжения. Попытайтесь разобраться в назначении элементов в схеме. Достаточно подробно ее работа рассмотрена (Л.8).

Рис.1.65 Стабилизатор напряжения

Читатель! Прежде чем двигаться дальше, проверьте себя. На рис.1.66 показан усилитель на биполярном транзисторе в режиме покоя. Готовы ли Вы ответить на следующие вопросы:

Параметры схемы
EК=15 В
R1=1,8 кОм
R2=13,2 кОм
RК=3,5 кОм
RЭ=0,5 кОм
 
V1=8 В
Рис.1.66 Усилитель в режиме покоя
Вопрос
Назовите тип транзистора
Чему равен потенциал узла 2.
Чему равен ток коллектора
Чему равен ток эмиттера
Чему равен потенциал эмиттера
Чему равно напряжение
Чему равен приблизительно ток делителя IД2
Чему равен приблизительно ток делителя
Чему равно напряжение

 

На отмеченные вопросы, ответы приведены ниже.

№ вопроса Ответ № вопроса Ответ
15 В=ЕК
2 mA 1 mA
2,02 mA 980 µА
1 В 0,8 В

 

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Основные элементы электротехники и электроники

Новосибирский государственный.. технический университет..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Нелинейные трехполюсные резистивные элементы .

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

По всем элементам протекает один и тот же ток.
Параллельное соединение характеризуется тем, что к обеим лампочкам приложено одно и то же напряжение, равное разности потенциалов . В соответствии с балансом мощно

Ко всем элементам приложено одно и тоже напряжение.
Внимание!Прежде чем идти дальше, проверьте себя. Готовы ли вы ответить на вопросы, которые вам может задать преподаватель или жизнь (таб. В2): Таблица В2.

Использование понятия резистор для анализа простых электрических цепей.
Модель резистора (рис.1.1), связывает линейно между собой напряжение и ток на участке между точками 1 и 2. Возьмем какое-то реальное электротехническое устройство (рис1.4), име

Анализ простых резистивных цепей с использованием законов Кирхгофа.
Анализ цепей- это, прежде всего, нахождение токов в ветвях и потенциалов узлов и точек. Существует много разных методов анализа, но в основе их всех лежат два закона Кирхгофа: 1-ый

Анализ простых резистивных цепей с использованием понятия входного сопротивления.
Следует заметить, какой бы сложной ни была схема, очень часто при анализе представляет интерес величина так называемого входного сопротивления. Под понятием входного сопротивления (RВХ)

Входное сопротивление относительно точек: 1-2.
Включаем между точками 1-2 эдс . А э.д.с. ЕГ, так как ее внутреннее сопротивление равно нулю, закорачиваем и получаем схему на рис.1.10.

Входное сопротивление относительно точек: 5-6.
Включаем между точками 5-6 эдс . А эдс ЕГ, так как ее внутреннее сопротивление равно нулю закорачиваем и получаем схему на рис.1.12.  

Нелинейные резистивные элементы .
  Ярким и широко используемым в электротехнике и электронике нелинейным резистивным элементом является полупроводниковый диод, изображение которого показано на рис.1.20, а вольтамперн

Полевые транзисторы
  1.7.1 Полевой транзистор с р-n переходом   Полевой транзистор имеет два существенных отличия от биполярного, которые и определяют его основные свойства. Во-пе

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги