Данный урок посвящен транзисторам, открытым в 1948/49 гг, и которые создали возможность микроминиатюризации РЭА. В том, как работает транзистор, необходимо разобраться, даже если предполагается работать в основном с интегральными схемами (ИС). Разберем устройство биполярного транзистора (униполярные, или полевые транзисторы появились позднее, изучены будут в уроке 18).
Устройство биполярного транзистора типа n-p-n
Биполярный транзистор - объединение 2 п/п диодов в одном устройстве, что вовсе не означает, что 1 транзистор можно заменить 2 п/п диодами. Сказанное всего лишь означает, что в структуре транзистора присутствует не 1 п/п переход (как у диода), а 2 п/п перехода, как на рисунке ниже.
Область p в середине структуры - это база, одна из двух n-областей называется эмиттером, а другая - коллектором. Исходя из английских названий областей, можно предположить, что эмиттер нечто излучает или испускает, а коллектор собирает.
Испускать в полупроводнике можно только носители заряда - электроны или дырки. Чтобы эмиттер излучал, на переход эмиттер-база следует подать напряжение в прямом направлении, отпирающее переход. Переход же коллектор-база заперт напряжением, приложенным в запирающем напряжением.
Для транзистора n-p-n типа, представленного на рисунке вверху, относительно базы к эмиттеру прикладывается минус источника питания, а к коллектору плюс. Постараемся обойтись одним источником питания. Минус на эмиттере относительно базы - это плюс на базе относительно эмиттера. Напряжение на открытом переходе база-эмиттер мало (как и падение напряжения на п/п диоде в прямом направлении), и составляет порядка 0,1-0,2 В для германиевых и 0,5-0,7 В для кремниевых транзисторов.
Тем самым, поскольку положительное напряжение на коллекторе относительно базы должно составлять несколько вольт (в некоторых случаях десятки вольт), можно включить источник напряжения между коллектором и эмиттером. Для начала подадим на базу нулевое напряжение относительно эмиттера - для чего достаточно замкнуть ее на эмиттер. Получаем схему на рисунке ниже.
Итак, тока нет в цепи базы, нет его и в цепи коллектора. Теперь, если разомкнуть цепь база-эмиттер и подавать на базу некоторое положительное напряжение относительно эмиттера (превышающее падение напряжения на переходе база-эмиттер и отпирающее его), в цепи базы появится ток, вызванный движением электронов (электроны заряжены отрицательно, и движутся в сторону плюса, т.е. базы).
Но на базе оседает лишь очень малая часть испускаемых эмиттером электронов, бόльшая часть перехватывается мощным полем коллектора и в цепи коллектора появляется ток.
У современных транзисторов n-p-n типа коллектор перехватывает до 99% излучаемых эмиттером электронов, и базе "достается" лишь около 1%. Важно здесь то, что между током базы и коллектора соблюдается определенное соотношение (по примеру выше ток коллектора в 99 раз выше тока базы). Это отношение называется коэффициентом усиления тока базы в схеме с общим эмиттером и обозначается в даташитах как h21Э, на практике же коэффициент усиления обозначают за β (бета), хотя по факту между этими понятиями есть разница. Числовые значения β современных транзисторов находятся в пределах от 50 до 250.
На рисунке выше представлена схема с общим эмиттером (ОЭ), названная так оттого, что эмиттер соединен с общим проводом цепи питания - "землей". (Помимо схемы с общим эмиттером существуют и схемы включения с общей базой и общим коллектором, которые будут рассмотрены позднее). Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) рассматривается в уроке 13.
Работа транзистора в режиме усиления
Зададимся целью усиливать схемой с ОЭ переменное напряжение от источника сигнала, например микрофона. Подавать переменное напряжение на переход Б-Э не имеет смысла, поскольку транзистор будет либо заперт при малом напряжении сигнала, либо открываться, при бόльшем напряжении сигнала, лишь при превышении положительной полуволной напряжения отпирания транзистора (как писалось выше, порядка 0,2 В для германиевых, и 0,7 В для кремниевых транзисторов).
Решение напрашивается простое - следует обеспечить открытое состояние транзистора при переходе напряжения сигнала через 0 (ток коллектора при этом называется током покоя), и тогда положительная полуволна напряжения сигнала будет открывать его еще сильнее (т.е. ток коллектора будет увеличиваться в сравнении с током покоя), а отрицательная полуволна будет его запирать, с уменьшением тока коллектора относительно тока покоя.
При хорошо рассчитанном каскаде усиления с ОЭ и правильном учете напряжения сигнала ток коллектора будет изменяться относительно тока покоя коллектора (это ток в отсутствие сигнала на базе) с частотой сигнала, повторяя его форму и не снижаясь до 0.
Задание режима работы транзистора
Теперь дело за малым - установить должный ток покоя коллектора, или установить режим работы транзистора, для чего существует несколько способов. Самый простой - подать на базу не фиксированное напряжение относительно эмиттера (это напряжение называется напряжением смещения), а впускать в базу ток, который, в соответствии с ВАХ перехода, и обеспечит требуемое напряжение смещения на переходе. На практике ток можно обеспечить резистором Rб в цепи базы, подключенным к плюсу источника питания. Подобная схема ниже.
Но прежде зададимся вопросом - а что нам, собственно, даст изменение тока коллектора, даже усиленного в сравнении с током базы? Для извлечения пользы ток коллектора должен питать некоторую нагрузку - это может быть электродвигатель, электрическая лампочка, электромагнитное реле, или, наконец, акустическая система.
Подключим ко входу нашего усилителя ранее рассмотренный детекторный приемник, но нагрузку детекторного приемника (головной телефон), отключим от детекторного приемника и включим в цепь коллектора усилительного каскада по схеме с ОЭ. Ниже схема усилительного каскада, позволяющего увеличить дальность приема в сравнении с дальностью приема детекторного приемника.
Ток коллектора устанавливается резистором Rб, подбираемым для соответствия тока коллектора требуемому. Проблема в том, что коэффициент усиления транзистора по току, в схеме с ОЭ, который мы в примере выше произвольно приняли равным около 100, может быть и меньше и больше - параметры транзисторов в силу особенностей технологии изготовления, изменяются в некоторых пределах даже для одного типа транзистора. Необходим индивидуальный подбор номинала резистора Rб, что помечено звездочкой * при его условном обозначении на схеме. Существует правило - если режим работы схемы зависит от достаточно случайного коэффициента усиления транзистора β, ее принято считать "плохой".
Принцип отрицательной обратной связи
Но существует возможность избежать необходимости индивидуального подбора резистора в цепи базы Rб, для чего достаточно подключить его не к плюсу источника питания, а к коллектору транзистора, как на рисунке ниже.
Схема меньше реагирует на вариативность коэффициента усиления транзистора. "Хитрость" заключается в следующем. Рассчитаем значение Rб для некоторого среднего коэффициента усиления транзистора. При установке в схему транзистора с бόльшим коэффициентом усиления, ток коллектора будет стремиться вырасти, но увеличивающийся ток приведет к большему падению напряжения на сопротивлении коллекторной нагрузки (в нашем примере головных телефонах с активным сопротивлением порядка 3200 Ом), что приведет к уменьшению напряжения на коллекторе относительно "земли", и в свою очередь к уменьшению тока базы (через резистор Rб). Уменьшившийся же ток базы приводит к уменьшению тока коллектора.
Баланс между 2 противоположными процессами, один из которых стремится увеличить ток коллектора, а другой его уменьшить, в итоге приводит к меньшей зависимости тока коллектора от коэффициента усиления.
Данная схема в наст. время представляет более исторический интерес, чем имеет практическое значение, но позволяет понять важный принцип отрицательной обратной связи (ООС), с которой (как и с ее противоположностью - положительной обратной связью ПОС), нам придется сталкиваться постоянно.
ООС стабилизирует работу охваченных ею цепей, в то время как ПОС "раскачивает". У приведенной выше схемы есть недостаток - ООС приводит к уменьшению усиления каскада с ОЭ, поскольку стабилизация тока коллектора на постоянном токе приводит к относительной стабилизации и его изменения под воздействием входного сигнала, т.е. меньшему выходному напряжению сигнала в сравнении со схемой без ООС.
Стабилизация режима работы схемы с ОЭ
На практике используется иная схема стабилизации режима работы транзистора, свободная от указанного недостатка. Схема ниже.
Это т.н. эмиттерная схема стабилизации, в которой эффект стабилизации достигается фиксацией напряжения на базе посредством резистивного делителя на резисторах R1 и R2. Резистор Rэ в цепи эмиттера вводит ООС по постоянному току, что и служит целям стабилизации. Чтобы устранить ООС по переменному току (уменьшающую коэффициент усиления каскада по переменному току), резистор Rэ шунтируется конденсатором Сэ (в схемах УНЧ обычно электролитическим).
При расчете схемы напряжение на коллекторе обычно выбирается в пределах 0,5-0,6 от напряжения питания Ек, а сопротивление Rэ выбирается из расчета, чтобы напряжение на эмиттере относительно "земли" составляло (0,1-0,2) от напряжения питания Ек. При этом обычно Rэ в 2-5 раз меньше чем Rк.
Ток через делитель R1, R2 выбирается в 3-10 раз больше расчетного тока базы, что делает напряжение на базе относительно независимым от тока базы.
Еще раз опишем действие ООС, на сей раз применительно к данной схеме: при случайном увеличении тока коллектора увеличится и ток эмиттера, возрастет падение напряжения на резисторе Rэ, что при постоянстве напряжения на базе приводит к уменьшению напряжения база-эмиттер, что будет стремиться уменьшить ток коллектора. В итоге опять устанавливается баланс с незначительным изменением тока коллектора - гораздо меньшим изменением, чем в схеме без ООС и стабилизацией.
Аналогично срабатывает ООС при случайном уменьшении тока коллектора; разберите процесс самостоятельно.
Транзисторы p-n-p типа
Помимо рассмотренных выше транзисторов n-p-n типа, существуют и транзисторы p-n-p типа (исторически появились раньше). Все, что написано выше, для транзисторов p-n-p типа справедливо при замене в тексте электронов на дырки, полярности плюс на минус и наоборот. Питаются схемы на p-n-p транзисторах от источника питания отрицательной полярности.
Транзистор в роли усилителя
Как выяснено выше, при правильном выборе режима работы транзистора, небольшие изменения входного напряжения на входе схемы с ОЭ приводят к изменению тока коллектора, а тем самым изменению тока в нагрузке, или выходного напряжения в бόльших пределах, чем входного, т.е. происходит усиление по напряжению.
Если это оконечный каскад, цель достигнута - нагрузка управляется входным напряжением. Если же это промежуточный каскад усиления, его выходное напряжение подается на следующий каскад. Для развязки каскада по входу и выходу он соединяется с предыдущим и последующим через разделительные конденсаторы достаточной емкости - на низких частотах (звуковых) обычно электролитические (требующие соблюдения полярности при впаивании в схему), а на более высоких частотах бумажные или керамические (неполярные). На схеме ниже С1 - входной разделительный конденсатор, а С2 - выходной. Но следует иметь в виду, что для последующего каскада С2 будет входным разделительным конденсатором!
Вместо резистора Rк нагрузкой в цепи коллектора может служить дроссель или выходной трансформатор (Урок 7). При нагрузке дросселем или трансформатором напряжение на коллекторе обычно мало отличается от напряжения питания Ек, при малости активного сопротивления дросселя и первичной обмотки выходного трансформатора.
На переменном токе дроссель оказывает реактивное сопротивление, пропорциональное его индуктивности и частоте, тем самым коэф. усиления каскада растет с ростом частоты, чем пользуются для создания широкополосных усилителей, включая дроссель последовательно с сопротивлением Rк - в этом случае падение усиления каскада вследствие частотных свойств транзистора компенсируется увеличивающимся полным сопротивлением (импедансом) коллекторной нагрузки (резистор Rк + корректирующий дроссель Lкор), что расширяет полосу частот усилителя.
При включении в цепь коллектора выходного трансформатора с коэф. трансформации k=N1/N2, где N1 и N2 - соответственно число витков в первичной и вторичной обмотках выходного трансформатора, приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки оказывается равным
R'н=k^2*Rн=(N1/N2)^2*Rн
Ниже схема однотактного оконечного каскада УНЧ с выходным трансформатором. Обратите внимание, что транзистор p-n-p типа, с питанием каскада -9 В. На практике подобный каскад в наст. время представляет исторический интерес и применяется редко.
В качестве примера, если сопротивление громкоговорителя составляет 6 Ом, а коэффициент трансформации выходного трансформатора 7, приведенное к первичной обмотке выходного трансформатора сопротивление составит
R'н=k^2*Rн=7^2*6=294 (Ом).
Работа транзистора в режиме переключения
Транзисторный переключатель применяется, если необходимо включать и выключать мощную нагрузку малым током управления. Схема приведена на рисунке ниже, механическим переключателем включается и выключается лампа накаливания.
При разомкнутом выключателе отсутствует ток базы транзистора, а тем самым и ток коллектора; лампа не горит, ток через нее определяется коллекторным током запертого транзистора (принято говорить, что транзистор находится в режиме отсечки). Напряжение на коллекторе транзистора при этом практически равно напряжению питания.
Переключение транзистора происходит с некоторой задержкой, определяемой его частотными свойствами, и составляет доли микросекунд. Для увеличения быстродействия транзисторного ключа принудительно формируют управляющий ток базы, что обеспечивает разную степень насыщения транзистора в начале и в конце коммутационного интервала, что позволяет сократить примерно на порядок длительность переходных процессов коммутаций ключа. Одна из подобных схем ниже.
Обычно номинал резистора Rб' выбирается значительно меньшим номинала резистора Rб'', а емкость ускоряющего конденсатора С лежит в пределах от 100 до 1000 пФ.
При использовании индуктивных нагрузок (реле, электродвигателей) транзистор, работающий в ключевом режиме, предохраняется п/п диодом (Урок 9), ниже 2 варианта подобной схемы, в т.ч. и со стабилитроном (Урок 10). Рабочее напряжение стабилитрона должно быть выше, чем напряжение источника питания, чтобы он не пробивался при нормальной работе схемы, и защищал транзистор от пробоя лишь при переключении.
В последующем уроке 12 будут рассмотрены схемы генераторов частот на транзисторах (задающих генераторов радиопередатчиков, гетеродинов приемников, генераторов стандартных сигналов).
Лавинные транзисторы
Разновидностью биполярных транзисторов являются т.н. лавинные транзисторы, рабочий участок которых находится в области лавинного пробоя коллекторного перехода. Лавинные транзисторы предназначены для генерирования мощных импульсов наносекундного диапазона (длительностью в единица и десятки наносекунд, 1 нс=10^-9 с).
Ниже в качестве примера приведена схема релаксационного генератора световых импульсов на обычном транзисторе КТ315А, допускающего работу в режиме лавинного пробоя. Разберите работу схемы самостоятельно, и самое главное - какой из 2 конденсаторов задает частоту вспышек.
Схемотехника для начинающих