Транзистор на рисунке имеет следующие выводы: Характеристики биполярных транзисторов – Статьи об энергетике

8 Биполярные транзисторы – СтудИзба

3 биполярные транзисторы

3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.

3.1.1 Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа

n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых по­казаны на рисунке 3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n₁⁺-p меньше, чем у перехода n₂-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂).

Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-n.

Сильнолегированная об­ласть обозначена верхним индексом “+” (n⁺). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁⁺) называется эмиттером, а область n₂ – коллектором. Соответст­венно область (p) называется базовой (или базой). Правая область n⁺ служит для переход n₁⁺-р называют эмиттерным, а n₂-p коллектор­ным. Средняя снижения сопротивления коллектора. Конта­кты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э – эмиттер; Б – база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой об­ласти, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллек­торного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсут­ствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузи­ей, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовы­ми, а с неоднородной базой – дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на ус­ловных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

 В общем случае возможно четыре варианта полярностей напря­жения переходов, определяющих четыре режима работы транзисто­ра. Они получили названия: нормальный активный режим, инверс­ный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер – база U_ЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор – ба­за U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов из­меняются на противоположные.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет на­значение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собира­тельная” способность этого перехода и обусловила название “кол­лектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный -обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания U_ЭБ и U_КБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (U_ЭБ = -U_БЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Так как U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ – U_БЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным – в другом случае. В схеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: U_КБ = -U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = U_ЭК – U_БК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе при работе в активном режиме.

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Поэтому прямой ток перехода

 , (3.1)

где I_{э р}, I_{э n} – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_эрек – составляющая тока, вы­званная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_э в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_эр и I_эn, определяющие прямой ток в случае идеа­лизированного р-n перехода. Если вклад I_{э рек} незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток I_{э р}, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера I_{э n} и I_{э рек} протекают через вывод базы и являются составляющими тока ба­зы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_{э n}, I_{э рек} долж­ны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_{э рек}

. (3.4)

Коэффициент инжекции g_Э “тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_{э n}/ I_{э р}. Величина I_{э n}/ I_{э р} << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора N_АЭ на несколь­ко порядков выше концентрации доноров N_ДБ в базе (N_АЭ >> N_ДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок – неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{Б рек}, так что ток подхо­дящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу. Значение c_Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжек­тированных дырок рекомбинирует с электронами – основными носи­телями базовой области. Ток I_Брек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покры­вается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней це­пи, то ток I_Брек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_{Э n}.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c_Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации до­норов N_{д Б}. Это совпадает с требованием N_АЭ/N_ДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_Б и диф­фузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что име­ется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при W_Б/L_{p Б} = 0,1 c_Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет ла­винного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

 (3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

   . (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называет статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБО, которая протекает в цепи коллектор – база при I_Э = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехо­да, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллек­тора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для стати­ческого коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (I_К – I_КБО) представляет собой управляемую (за­висимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Кр. Обычно ра­бочие токи коллектора I_К значительно больше I_КБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_К и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмитте­ра

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = -I_КБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллектор­ного перехода. При значении I^*_Э = I_КБО /(1-a) ток I_Б = 0, а при дальней­шем увеличении I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

 (3.19)

– статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b>>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изме­няемой) части коллекторного тока (I_К – I_КБО) к управляемой части ба­зового тока (I_Б + I_КБО).

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обраща­ются в нуль при I_Э = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭО: это зна­чение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при “обры­ве” базы. При I_Б = 0

I_К = I_Э, поэтому ток I_КЭО проходит через все обла­сти транзистора и является “сквозным” током, что и отражается ин­дексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие I_Б = 0).

3.2 Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определен­ности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1 Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях пара­метра U_КБ – напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С рос­том обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_Э растет при вы­бранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует неболь­шой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представ­ляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях парамет­ра I_Э (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при I_Э = 0 и обрат­ном напряжении |U_КБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) I_К = I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протека­ющий в цепи коллектор – база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ус­коряющего действия контактной разности потенциалов. Ток мож­но уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соот­ветствует режиму насыщения, когда существуют встречные пото­ки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока оди­наковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требу­ется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ < 0 (об­ратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) I_К = aI_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличе­нии параметра I_Э. В идеализированном транзисторе не учитыва­ется эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент переда­чи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характе­ристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a. Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнару­жено только измерениями. Поэтому отклонение выходных харак­теристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3.2.2 Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представля­ет собой зависимости I_Б = f(U_БЭ), причем параметром является на­пряжение U_КЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ < 0) означает

прямое включение эмиттерного перехода, так как U_ЭБ = -U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход бу­дет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэто­му входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать ре­жиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряже­ния U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих перехо­дах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на реком­бинацию, определяющих базовый ток.

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (U_КЭ á0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ долж­но быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превы­шать напряжение U_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ – U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): I_Б =(1 – a)I_Э – I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически от­сутствует (I_Э = 0) и ток I_Б = -I_КБО, т.е. отрицателен. Увеличение пря­мого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = -U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 – a) I_Э. Когда (1 – a) I_Э = I_КБО, ток I_Б = 0. При дальнейшем роете U_БЭ (1 – a) I_Э > I_КБО^{и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напря­жения перехода.}

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост |U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базо­вой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т. е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ предста­вляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному актив­ному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже от­мечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом на­сыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3. 22) I_К = I_КЭО = (b + 1 ) I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = -I_КБО. Выходная ха­рактеристика с параметром I_Б = -I_КБО может быть принята за грани­цу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту грани­цу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режи­ме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э » bh_22Б) Объясняется это различным проявлени­ем эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока ба­зы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регули­ровкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора DI_К, т. е. увеличение выходной проводимо­сти (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3 Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра анало­гично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормаль­ном активном режиме ток эмиттерного перехода можно предста­вить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток I_ЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j_Т = kT/q. В резуль­тате противоположного влияния двух факторов входные характери­стики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на вели­чину DU » (1…2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется теп­ловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении тем­пературы опускается (рисунок 3. 7, б).

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

 и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 3.8, а).

Однако обычно I_КБО значительно меньше aI_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь парамет­ром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при измене­нии температуры. Будем считать в первом приближении, что коэф­фициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство bI_Б оз­начает, что температурная зависимость I_К будет определяться сла­гаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 при­рост тока (b + 1)I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значе­нием коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характе­ристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характе­ристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

3.3 Дифференциальные параметры биполярного транзистора

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные то­ки электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциа­лами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициен­тами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на приме­ре наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по тран­зисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых перемен­ных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ (I_Э или I_Б) и выходное на­пряжение U_ВЫХ (U_KБ или (U_КЭ):

 U₁= f (I₁,U₂) (3.23)

I₂= f (I₁,U₂)

В этом случае полные дифференциалы

 (3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU₁=h₁₁ d I₁ +h₁₂ dU₂ (3. 25)

dI₂=h₂₁ dI₁ + h₂₂ dU₂

(h₁₁ -входное сопротивление, h₁₂ -коэффициент обратной передачи, h₂₁ -коэффициент передачи входного тока и h₂₂ -выходная проводимость). Названия и обозначе­ния этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

dU_ЭБ=h_11Б d I_Э +h_12Б dU_КБ (3.26)

dI_К=h_21Б dI_Э + h_22Б dU_КБ

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характери­стикам, и метод измерения h-параметров. Полагая dU_КБ = 0, т.е. U_КБ = const, можно найти h_11Б и h_21Б, а считая dI_Э = 0, т. е. I_Э = const. определить h_12Б и h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.26) в виде

dU_БЭ=h_11Э d I_Б +h_12Э dU_КЭ (3.27)

dI_К=h_21Э dI_Б + h_22Э dU_КЭ

Связь h-параметров со статическими характеристиками схем с ОБ и ОЭ и их определение по ним рассмотрены в [4].

3.4 Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые имеют формальный харак­тер и в которых отсутствуют непосредственная свя­зь с физической структурой транзистора. Например, эквивалентная схема для системы Н-параметров приведена на рисунке 3.9.

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физи­ческими параметрами, которые опираются на нелинейную дина­мическую модель Эберса – Молла, т.е. тесно связаны с физичес­кой структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной ди­намической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме то­го, в усилительных схемах используется либо нормальный актив­ный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недо­пустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ог­раничиться рассмотрением наиболее распространенного нор­мального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включе­ния с ОБ можно изобразить, как на рисунке 3.10.

Рисунок 3.9 Эквивалентна схема БТ в системе Н-параметров.

Рисунок 3.10 Эквивалентная схема БТ при включении его с ОБ.

Поясним смысл элементов модели. Резистор R_Э представляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В пер­вом приближении его можно определить по формуле для идеализи­рованного р-n перехода:

R_Э=dU/dI»j_T/I_Э, (3. 28)

где I_Э– постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при ком­натной температуре j_т = 0,026 В, то при I_Э = 1 мА R_Э = 26 Ом.

Величина R_К называется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и мо­жет быть определено по наклону выходной характеристики:

 . (3.29)

Величина R_К обратно пропорциональна значению парамет­ра h_22Б. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (Сэ, Ск) оказались теперь присое­диненными параллельно резисторам R_Э и R_К. Сопротивление базы r^½_ББ, которое может превышать сотни ом, все­гда остается в модели.

 r^½_ББ=h₁₂/h₂₂ . (3.30)

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она при­менима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять мес­тами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с фи­зическими параметрами. Электрод “Б” следует изобразить входным, а “Э” – общим, как показано на рисунке 3.11.

Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изобра­жении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рисунке 3.11. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холо­стого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от тока H_21БI_Э к току Н_21ЭI_Б и замены R_К и C_К на R_К^* и C_К^* соответственно. Связи этих величин определяются формулами

R_К^*=Н_21БR_К/ Н_21Э=R_К /( Н_21Э+1) , ( 3. 31 )

С_К*= С_К( Н_21Э+1) . ( 3.32 )

Рисунок 3.11 Эквивалентная схема БТ при включении его с ОЭ.

Легко убедиться, что R_К^* характеризует наклон выходной характери­стики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимо­стью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшает­ся R_К^* по сравнению с R_К, во столько же раз возрастает емкость С_K^* по сравнению с С_K, т.е. R_KC_{K=RK^*CK^*. ]}

3.5 Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидаль­ного сигнала, в пределах которого прибор может выполнять харак­терную для него функцию преобразования сигнала. Принято частот­ные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов использует­ся зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схе­мах ОБ и ОЭ Н_21Б и Н_21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами: Н_21Б и Н_21Э.

Величины Н_21Б и Н_21Э могут быть найдены двумя способами:

-решением дифференциальных уравнений физических про­цессов и определением из них токов;

-анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н_21Б и Н_21Э будут выражены через величины элек­трических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) n-р-n транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют С_Э, С_К и r^½_ББ, а также время пролета носителей через базу t_Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

 _, (3.33 )

где Н_21Б0– коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f – текущая частота, f_Н21Б– предельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен:

 ( 3.34 ).

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½Н_21Б½на предельной частоте f_Н21Б снижается в  раз.

            Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. ( 3.35 )

            Для схемы с ОЭ известно соотношение

( 3.36 ).

Подставляя (3.33) в (3.36) получим

 (3.37),

где .

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

 (3.38).

            Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота f_ГР – это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½Н_21Э½=1. Из (3.38) получим, что f_ГР»f_Н21Э×Н_21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P>1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

 , ( 3.39 ).

где f_Н21Б-предельная частота в мегагерцах; r¹_ББ-объемное сопротивление в омах; C_К-емкость коллекторного перехода в пикофарадах; f_МАКС-в мегагерцах.

3.6 Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) рекомендуется следующее.

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в ба­зовой области, т.е.

а) уменьшать ширину базовой области W_Б;

б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза;

в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвиж­ность носителей выше. Еще большие возможности открывает ис­пользование арсенида галлия.

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжекти­рованных из эмиттера носителей. Последнее возникает при нерав­номерном распределении примесей в базе по направлению от эмит­тера к коллектору (рисунок 3.12). Концентрацию около эмиттера дела­ют примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Рисунок 3.12 К образованию электрического поля в базе дрейфого БТ.

Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей N_a(х)_{одновременно будет и распре­делением дырок p(х). Под влиянием градиента концентрации ды­рок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтрально­сти: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора – избыток положительного заря­да дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.}

Нарушение электрической нейтральности приводит к появле­нию внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою оче­редь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, ког­да дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко ви­деть, что установившееся (равновесное) значение поля будет уско­ряющим для электронов, которые входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время пролета, т.е. повы­шать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные – бездрейфовыми. Практи­чески все современные высокочастотные и сверхвысокочастот­ные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от N_а(0) до N_а(W_Б) учитывается коэффициентом не­однородности базы:

h=0,5ln[N_А(0)/N_А(W_Б)]

 Поэтому [см. (5.93)] можно написать

Для бездрейфовых транзисторовh=0 , а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и уве­личения ширины переходов (выбором концентрации примесей и ра­бочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы r^½_ББ.

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторно­го перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и не­обходимо при создании транзисторов применять компромисс­ные решения.

3.7 Работа транзистора в усилительном режиме

При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступают сигналы, например переменные напряжения. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора.

Для выделения полезного сигнала в выходную цепь транзистора включают элементы нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор R_к. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора R_к и может быть больше входного напряжения. Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейших усилителей.

Простейшая схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, показана на рисунке 3.13.

Коллекторная цепь состоит из резистора R_к и источника Е_к, а цепь базы – из источников тока I_Б0 и I_Бm Источник I_Б0 обеспечивает положение исходной рабочей точке на участке характеристик с наименьшей нелинейностью. Источник I_Бm– источник сигнала. В качестве выходного используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_к (на коллекторе транзистора).

В лекции “Элементарные функции комплексной переменной” также много полезной информации.

Рисунок 3.13 Схема усилителя на БТ.

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. 3..

При I_Бm =0 токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_{Б 0,} I_{К 0})и напряжением на коллекторе U_К0= Е_К-I_{К 0} × R_к

Рисунок 3.14 Временные диаграммы усилителя.

Во время положительного полупериода входного тока (рис. 3.14, а) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока коллектора (рис. 3.14, б) и уменьшение напряжения U_КЭ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рисунок 3. 14, в). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленной переменной составляющей коллекторного тока, оказывается сдвинутым относительно входного напряжения на 180⁰. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_к амплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U_mвых=I_КmR_к может значительно превышать амплитуду входного напряжения. В этом случае происходит усиление сигнала. Расчет параметров усиления дан в [4].

Как пользоваться симулятором электронных схем МИКРОКАП

АМПовичок ДЕТСКИЙ     При самостоятельной сборке усилителя мощности первый вопрос, который появляется это “КАКУЮ СХЕМУ ВЫБРАТЬ?”. Собрать для самостоятельной проверки все, даже самые популярные схемы не реально – слишком дорого, да и времени для этого потребуется не мало. Поэтому и предлагается не спаять, а смоделировать самые популярные усилители и уже на основе данных, полученных от результатов моделировани делать выводы, на каком именно усилителе остановить свой выбор.     Ну а использование предлагаемого комплекта плат позволит не только собрать но и попробовать варианты которые вызвали колебание при выборе. МИКРОКАП 8 ЗНАКОМСТВО     В качестве симулятора будет использоваться МИКРО-КАП-8, который лучше скачать ЗДЕСЬ, поскольку он дополнен всеми упоминаемыми в статье моделями.     Архив следует распаковать по адресу: C:\Program Files. В этом случае не придется переназначать библиотеки с элементами. Внутри распакованной папки получится несколько рабочих файлов самого симулятора и две папки – DATA, в которой хранятся модели схем и LIBRARY, в которой хранятся модели компонентов. Для имеющегося в этой же папке файла лучше сделать ярлык на рабочем столе.     Для дальнейшей работы лучше провести небольшую разминку и немного ближе познакомиться с симулятором и его возможностями. Для этого следует запустить МС-8 и немного ознакомиться с имеющимися кнопками управления. Пожалуй сразу следует оговориться – самым подробным образом данный симулятор изучаться не будет, поскольку это займет объем книги, но ни как не статьи. Поэтому описание будет дано далеко не всем имеющимся кнопкам и функциям, а только используемым в данных примерах. По мере продвижения к финалу будут даваться подсказки и примеры возможных способов получения некоторых промежуточных данных. КНОПКИ ОСНОВНОГО МЕНЮ Соответственно: НОВЫЙ ФАЙЛ, ОТКРЫТЬ ФАЙЛ, СОХРАНИТЬ, ВЕРНУТЬСЯ К СОХРАНЕННОЙ КОПИИ, ПЕЧАТАТЬ, ДОПЕЧАТНЫЙ ПРОСМОТР ОТМЕНА ПОСЛЕДНЕГО ДЕЙСТВИЯ, ПОВТОР ПОСЛЕДНЕГО ДЕЙСТВИЯ, ВЫРЕЗАТЬ, КОПИРОВАТЬ, ВСТАВИТЬ, УДАЛИТЬ, ВЫДЕЛИТЬ ВСЕ ВЫБОР ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ СХЕМЫ. Наиболее удобные первые 4 кнопки, поскольку в остальных случаях приходится перелистывать довольно большие списки возможных вариантов. Для выбора активных компонентов лучше использовать комбинацию “горячих” клавиш Ctrl+Shift+F или меню Component -> Find Component. При выборе пассивного компонента (резистора, конденсатора или индуктивности) после установки элемента появляется диалоговое окно, в котором необходимо прописать номинал элемента (сопротивление, емкость или индуктивность). Множители мега, килло, микро, нано, пико данный симулятор понимает, поэтому достаточно написать, например 3k, что будет означать 3 кОм. Разумеется, что множители пишутся английскими буквами. ВЫДЕЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНОГО КОМПОНЕНТА ИЛИ ГРУППЫ, УСТАНОВКА КОМПОНЕНТА В СХЕМУ, ТЕКСТ, СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПОВОРОТОВ, ПРЯМАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ, ГРАФИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ РЕЖИМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ НА ЧЕРТЕЖЕ: ПОКАЗЫВАТЬ ТЕКСТ, ПОКАЗЫВАТЬ ПОРЯДКОВЫЙ НОМЕР И НОМИНАЛ, ПОКАЗЫВАТЬ НОМЕР СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТОЧКИ, и сейчас не активные – ПОКАЗЫВАТЬ НАПРЯЖЕНИЕ В ТОЧКАХ, ПОКАЗЫВАТЬ ПРОТЕКАЮЩИЕ ТОКИ, ПОКАЗЫВАТЬ МОЩНОСТЬ РАССЕИВАНИЯ, ПОКАЗЫВАТЬ ЛОГОЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВКЛ-ВЫКЛ. ПОКАЗЫВАТЬ ВСЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ТОЧКИ, КУРСОР В ВИДЕ ПЕРЕКРЕСТИЯ, КООРДИНАТНАЯ СЕТКА, С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПРОСТАНОВКИ КОНТРОЛЬНЫХ ТОЧЕК ЧЕРЕЗ ОПРЕДЕЛЕННОЕ РАССТОЯНИЕ, ОТОБРАЖЕНИЕ РАМКИ И РАМКИ С ТИТУЛОМ, ПРИВЯЗКА КОМПОНЕНТОВ, довольно удобная функция, позволяющая переносить компоненты без разрыва соединительного проводника, или с разрывом. НАСТРОЙКА ИНТЕРФЕСА РАБОТА С ЭЛЕМЕНТАМИ, ПЕРВАЯ КНОПКА – КОПИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕННОГО ЭЛЕМЕНТА ВМЕСТЕ С БЛИЖАЙШИМИ, КОПИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА С РАЗВОРОТОМ, ПОВОРОТ КОМПОНЕНТА, РАЗВОРОТ ОТНОСИТЕЛЬНО ВЕРТИКАЛИ, РАЗВОРОТ ОТНОСИТЕЛЬНО ГОРИЗОНТАЛИ. УВЕЛИЧЕНИЕ-УМЕНЬШЕНИЯ ВИДА СХЕМЫ ПЕРВАЯ СХЕМА И ПЕРВИЧНЫЙ АНАЛИЗ     Далее следует открыть файл с первым примером:     На открывшейся схеме три базовых варианта включения транзистора, но схема “наляпистая”, поскольку рисовалась на скорую руку и ее нужно немного окультурить. Для этого нажимаем следующее:     В этом случае на новом диалогом окне следует выбрать как вам удобней нумерация элементов – сверху-вниз или слева-направо. Для согласование описание и результатов полученных Вами следует выбрать переименование СВЕРХУ-ВНИЗ и нажать ОК.     Ну а теперь можно немного посмотреть как собственно эти транзисторы работают. В первую очередь следует проверять режимы по постоянному току, поскольку если транзисторы не будут находиться в рабочих режимах дальнейшие проверки бессмысленны – схема работать не будет. Для этого нажимаем:     Появляется следующее диалоговое окно:     Здесь предлагается выбрать отображаемые величины, в данном случае будут отображатся ТЕКСТ, НОМИНАЛЫ И ПОРЯДКОВЫЕ НОМЕРА ЭЛЕМЕНТОВ, НАПРЯЖЕНИЯ В ТОЧКАХ СОЕДИНЕНИЯ, можно включить отображение порядковых номеров соединительных точек, протекающих токов, рассеиваемых мощностей, логическое состояние и соединительные точки. Все это будет просчитано для температуры элементов 27 град Цельсия. Последним окошком является шаг погрешности. Можно конечно уменьшить, но это только займет больше времени на расчеты, без какой либо практической пользы. Если в предлагаемом меню все устраивает следует нажать кнопку ОК. Должна получится следующая схема:     В самом верху схема с общим коллектором, ниже – с общим эмиттером, ну и в самом низу – с общей базой. Как видно из схемы питание составляет 20 В, на левой стороне разделительных конденсаторов С4-С6 примерно половина напряжения питания, т.е. транзисторы находятся в оптимальном режиме работы. В качестве источника V1 используется генератор синусоидального сигнала из библиотеки:     Теперь можно воспользоваться чем то похожим на осциллограф, т. е. произвести анализ получившейся схемы:     Экран разделился на две части – в правой находится схема, а в левой – пустой экран, а возле курсора, если водить его по схеме появился значок V( ).Теперь, если навести курсор на интересующую точку в левом окне появится график, соответствующий форме, амплитуде и длительности напряжения в этой точке, т.е. по сути тоже самое, что показывает обычный осциллограф. Для начала стоит попробовать верхний вывод генератора синусоидального сигнала:     На рисунке видно, что “осциллограмма” совсем не похожа на предполагаемую синусоиду. И не будет… У нас поставлена частота 200 Гц, а “развертка” данного “осциллографа” по умолчанию – 1мкС, следовательно это лишь фрагмент искомой синусоиды. Для того, чтобы поменять “развертку” следует воспользоваться соответствующим переключателем, определяющим время расчета параметров:     В меню которого необходимо выбрать желаемое время отображения, т.е. “развертку”:     Теперь получилась синусоида, правда несколько угловатая, тем не менее на основании ее вида уже можно делать некоторые выводы о форме сигнала. Разумеется, что вид синусоиды можно изменить – сделать более качественным, но это не принципиально – для оценки искажений сигнала есть более точные средства.     Нажимая повторно на верхний вывод генератора выключается изображение и теперь можно проверить что происходит на выходах однокаскадных транзисторных усилителей OUT1-OUT3. Для этого по порядку подводим курсор к точкам OUT и нажимаем левую кнопку мышки. В результате в окне “осциллографа” появляется следующие “осциллограммы”:     Синий “луч” – OUT1, красный – OUT2, зеленый – OUT3. Как видно из рисунка наиболее приемлемы является сигнал с OUT1 и это не случайно – транзистор Q1 работает по схеме с общим коллектором, т.е. в режиме эмиттерного повторителя и изменений в амплитуду сигнала не вносит, поскольку усиливается только ток, т.е. увеличивается нагрузочная способность. Для выяснения истинного, не искаженного выходного сигнала следует уменьшить выходное напряжение генератора. Для этого следует щелкнуть дважды по изображению генератора и изменить амплитуду выходного напряжения. Кстати сказать – МИКРОКАП измеряет и показывает АМПЛИТУДНОЕ значение синусоидального напряжения, следовательно для вычисления ДЕЙСТВУЮЩЕГО значения необходимо получаемые величины делить на 1,414.     После уменьшения амплитуды напряжения с генератора с 1 В до 0,01 В, т.е. в 100 раз еще раз проверяем напряжения на выходах однокаскадников:     На рисунке по прежнему синяя линия OUT1, красная – OUT2, а зеленая – OUT3. Как видно амплитуда синей линии практически нулевая, по сравнению с красной и зеленой, из этого можно сделать вывод, что максимальное усиление амплитуды происходит в однокаскадном усилителе по схеме с общим эмиттером. Однако учебники по электронике доказывают, что как раз максимальное усиление напряжения дает схема с общей базой. Однако данный опыт не ставит под вопрос правдивость учебников, а лишь лишний раз доказывает, что в электронике имеются некоторые условности позволяющие называть каскады так или иначе, хотя в чистом виде как в учебника эти каскады не выглядят, ведь классический каскад выглядит несколько иначе:     Модель данного каскада не выкладывается, а предлагается самостоятельно нарисовать данную схему и подбором резисторов и напряжения смещения V1 добиться максимального усиления. Теперь можно попробовать снять характеристики полученных усилителей. Первой следует попробовать амплитудо-частотную. Для этого следует через меню АНАЛИЗ выбрать пункт ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:     Далее настраиваем окно расчетов до получения следующего вида:     После настройки следует нажать ВЫПОЛНИТЬ, т.е. RUN. в итоге получается три графика АЧХ, поскольку были заданы параметры для трех точек:     Рисунок обрезан – линии почти ровные до 20 кГц, а самое главное здесь видно. Из рисунка можно сделать вывод, что самый верхний транзистор имеет отрицательный коф. усиления, второй практически 49 дБ, ну а самый нижний порядка 25 дБ.     У МИКРОКАП есть один, довольно существенный плюс – ведя курсор по линии он показывает точное значение параметров именно в той точке, над которой сейчас находится курсор, т. е. для более точных измерений не нужно зауживать диапазоны.     Осталось выяснить еще один параметр, важный для усилителей – уровень искажений. .     Для простоты вывода результатов лучше немного подкорректировать предлагаемое по умолчанию заполнение:     Прежде всего стоит определиться на какой частоте производить замеры. Обычно двух-трех базовых частот достаточно, поэтому лучше использовать кратные частоты – предлагаемые 10 кГц, т.е. использовать 5 кГц, 2,5 кГц, 20 кГц. Для ввода частоты служит самое верхнее окошко ввода. Ниже его находится окошко выбора источника, V2 как раз используется как источник сигнала для исследуемой схемы.     Еще ниже окно, в котором выставляется амплитуда входного сигнала. Еще раз – АМПЛИТУДА, но не действующее значение.     Еще ниже – окошко, в котором указывается на какой точке схемы исследовать искажения, затем – температура при которой производить “замер”, еще ниже – в течении какого количества периодов следить за уровнем искажений.     Ниже – величина шага времени расчетов. Для звуковой техники этот параметр можно не трогать. Далее выбираются результаты “замеров”, для скрупулезного анализа лучше пользоваться первыми двумя, но это уже для более профессионального использования, поэтому лучше воспользоваться уже суммированной величиной всех искажений и использовать окошко с THD.     В самом нижнем окошке можно ни чего не ставить, но все же лучше им пользоваться – благодаря наглядному изображению выходного сигнала можно судить об амплитуде и соответственно определить не вошел ли усилитель в режим клиппинга.     Координатные сетки X и Y лучше вставить в режим автоматического масштабирования. После всех манипуляций диалоговое окошко приобретет вид:     Другими словами заданы следующие параметры: частота входного сигнала 10 кГц от источника V2 с амплитудой 10 мВ. Контролировать сигнал в точке OUT2, т.е. на выходе каскада с общим эмиттером при температуре схемы 27 град в течении 5 циклов изменения входного сигнала с шагом времени 0,1 мкС и вывести на экран уровень THD и рисунок выходного сигнала, причем сделать это с автоматическим масштабированием обоих координат.     После нажатия кнопки RUN происходит просчет параметров исследуемой схемы и выдача результатов:     На экране появится следующий рисунок, который означает, что THD немного не дотягивает до 4,8 %, впрочем это даже видно на глаз – верхняя полуволна сигнала явно “притуплена” и это происходит при амплитуде переменной составляющей несколько больше 2-х вольт. В принципе для такого усилителя это вполне терпимые параметры, поскольку при более низком выходном напряжении искажения значительно меньше (уменьшите входное настолько, чтобы на выходе получилась амплитуда 1, а затем 0,5 В). ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ     Для проверки примеров из этого раздела потребуется скачать еще один архив и распаковать его в папку DATA.     Закон Ома проверяться не будет, хотя если кому то интересно, то это он уже может проделать самостоятельно.     Для начала рассмотрим схему параметрического стабилизатора напряжения, приведенного на рисунке ниже, модель experim01.CIR в папке Experimental СКАЧАТЬ.     Схема довольно проста и должна быть знакома многим. В данном примере в качестве вторичной обмотки трансформатора используется генератор синусоидального сигнала V1. Диодный мост на популярных не дифицитных диодах, да и остальные элементы не должны вызывать затруднений в опознании. В качестве нагрузки выступает R2.     После запуска РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ значения появляются, но вот они сильно отличаются от ожидаемых:     Модель генератора “вырабатывает” 30 В с частотой 50 Гц, однако после диодного моста ни каких 30 В нет. Но если вдуматься, то их и быть не может – генератор вырабатывает синусоиду в реальном времени и напряжение на нем постоянно меняется, т.е. является динамической величиной, следовательно для анализа данной схемы требуется не РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ, а ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и запустив этот режим устанавливается “развертка” в 40m и выбираем проводник идущий на коллектор Q2.     На появившейся “осциллограмме” видно, но напряжение на коллекторе Q2 все таки есть, оно близко по значению к тому, что вырабатывает генератор, а так же отчетливо видна амплитуда пульсаций этого напряжения, связанная с тем, что емкость конденсатора С1 несколько меньше необходимого для данной схемы.     Так же стоит обратить внимание на то, что кнопки управления режимов отображения протекающих токов, напряжений и выделяемых мощностей активны и при их использовании появляются усредненные значения выбранных режимов.     Для эксперимента уменьшите номинал резистора R2 до 10 Ом и снова запустите ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и теперь проверте “осциллограмму” на эмиттере Q2.     Как видно из рисунка на выходном напряжении появились явные провалы. Их источник найти довольно просто – достаточно “посмотреть” форму напряжения на коллекторе Q2 и станет ясно, что емкости конденсатора явно не хватает:     Нажав кнопку отображения рассеиваемой мощности станет ясно, что потребляемой мощности 18 Вт емкости конденсаторов следует увеличить.     Используя подобные схемы можно вычислять минимальную достаточность конденсаторов фильтров питания в источниках питания и уже потом не гадать по какой причине устройство работает не совсем так как хотелось и не перекраивать печатные платы добавляя конденсаторов. Так же можно определить сколько ватт будет рассеиваться на силовом транзисторе и уже на основании этого делать выводы о необходимом размере теплоотвода.     Следующим примером для экспериментов возьмем модель experim02. CIR.     По сути это компенсационный стабилизатор напряжения и изменен “трансформатор”, который теперь имитирует источник постоянного напряжения V2, а генератор V1 имитирует напряжение пульсаций.     В отличии от предыдущего варианта этот стабилизатор уже может менять свое выходное напряжение и регулирующим является сопротивление резистора R4.     В этом варианте РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ уже работает вполне адекватно, поэтому запустив его можно изменять сопротивление R4 и проверить как изменяется напряжение.     Кроме штатных подсказок, выплывающих во время запуска РАСЧЕТА ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ можно использовать и некоторые элементы, позволяющие орентироваться в измеряемых величинах более традиционным способом, а именно используя измерительные приборы, светодиодные шкалы и отдельные светодиоды, а так же еще несколько элементов из меню ANIMATED.     Для начала добавим вольтметр     Сразу после установки METER на схему появляется диалоговое окно для выбора парметров этот “измерителя”:     LOW – минимальное значение измеряемой величины, работоспособно только при AUTOSCALE=OFF     HIGH – максимальное значение измеряемой величины, работоспособно только при AUTOSCALE=OFF     SCALE – используемый множитель, например кило, микро и т.д.     AUTOSCALE – автоматическое изменение пределов измерения, положение ON удобней использовать при ANALOG OR DIGITAL=DIGITAL, т.е. цифровой. Положение OFF удобней при использовании ANALOG OR DIGITAL=ANALOG, т.е. аналоговый, стрелочный     ANALOG OR DIGITAL – переключатель вида “метера” – цифровой или стрелочный     AMPS OR VOLTS – измеряемая величина, амперы или вольты     После установки и выбора режимов работы (на рисунке выбран цифровой вид) получившийся вольтметр следует подключить к схеме     Однако показания вольтметра не изменились и не изменяться пока не будет запущен анализ схемы – РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ или ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.     Таким же образом добавляется амперметр     Для большей наглядности кнопка отображением напряжения была отключена     В принципе эту схему можно оснастить довольно многими индикаторами:     Что то вроде светодиодного индикатора уровня, после установки на схему появляется окно выбора параметров:     LOW – минимальное значение индицируемого напряжения     HIGH – максимальное значение индицируемого напряжения     В качестве нагрузки используем двигатель:     После установки выставляются параметры:     Через меню ПРАВКА произведите перенумерацию элементов СВЕРХУ-ВНИЗ и в результате должна получиться следующая схема:     Изменяя R3 измените выходное напряжение данного стабилизатора, а за одно и проверьте работоспособность используемой измерительной аппаратуры.     Разумеется, что подобные схемы уже вряд ли кто будет собирать, поскольку КРЕНки серьезно потеснили дискретные стабилизаторы. Однако на этих примерах можно выяснить несколько довольно полезных вещей, а именно номиналы конденсаторов фильтров питания, а так же тепловую мощность на регулирующем элементе, ведь выделяемое тепло одинаково хоть для КРЕНки, хоть для дискретного транзистора.     Следующей схемой можно рассмотреть усилитель для наушников, состоящий из ОУ и двух эмиттерных повторителей на комплементарных парах. Модель данного усилителя experim03.CIR.     Чего то особенного в даном усилителе нет – однополярное питание, средняя точка формирутеся делителем напряжения на R1 и R2. Не смотря на видимою простоту хараткеритики данного усилителя для наушников вполне приемлемые, но могут быть улучшены переводом данной схемы на двуполярный источник питания. Это предлагается проделать самостоятельно и получить в финале ниже приведенную схему:     Качество схемы оставляет желать лучшего – потекла краска с принтера и некоторые номиналы придется подбирать самостоятельно. Остался только график THD:     Осталось попробовать заменить конденсатор С3 не полярным электролитом, т.е. конденсатором, собранным из двух элетролитических:     При РАСЧЕТЕ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ симуляция проиходит корректно, а вот после запуска ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ на экране монитора появляется далеко не дружелюбное окошко:         Если перевести по смыслу, то это означает, что в схеме ошибка – у одно из элементов не гальванической связи с землей, а чуть ниже указывается какой именно элемент висит, по мнению МИКРОКАП, в воздухе. В данном случае это конденсатор С3 и после нажатия кнопки ОК данный элемент выделяется.     Эту ситуацию можно отнести к специфике расчетов МИКРОКАП и для решения данной проблемы нужно “висящий” в воздухе вывод конденсатора соединить с общим проводом, но просто так, а через много киллоомный резистор:     После этого “изменрения производяться обычными способами, а введеный резистор R13 на плату, РЕАЛЬНУЮ плату не переносится ПОЛНОЦЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ И БОЛЕЕ ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ     С однокаскадным усилителем разобрались, с простым усилителем тоже, можно попробовать что ни будь посерьезней. Поэтому закрываем все открытые схемы и открываем другую – Shema02.CIR из папки SHEMS.     На экране появляется довольно старая схема автомобильного усилителя мощности на транзисторах:     На схеме выделено желтым – модель акустической системы с частой резонанса порядка 40 Гц и активным сопротивлением 4 Ома. Если планируется часто моделировать усилители, то модель АС лучше сохранить отдельным файлом и потом просто вставлять. Так гораздо быстрей, чем каждый раз рисовать новую. Однако и эта модель не совсем корректная – в реальной АС как правило 2-3 динамические головки + фильтры. При желании, уже самостоятельно можете разработать такую модель, однако предлагаемый вариант дает более точные расчеты по сравнения с обычно используемым резистором на 4 Ома и его вполне можно использовать для расчетов, давая поправку на то, что ЭТО широкополосная динамическая головка.     С3 выполняет роль разделительного конденсатора, а вот следующая за ним надпись OUT обозначает, что это ВЫХОД. Подобные надписи удобно расставлять в контрольных точках, которые наиболее интересны, т.е. ТОЧКЕ присваивается собственное имя и во время снятия характеристики именами намного проще пользоваться. Подобная контрольная точка выполняется нажатием кнопки ввода текста в подменю примитивов: :     В данном случае интерес представляет ВЫХОД, соответственно набираем слово OUT, а затем полученное слово выделяется курсором и переносится вплотную к тому проводнику, за которым планируется осуществлять контроль.     Еще один маленький нюанс, который следует отметить – при “сборке” схемы – МИКРОКАП крайне редко пишет типы активных компонентов, т.е. по умолчанию проставляются номиналы только резисторов и конденсаторов. Однако это удобно далеко не во всех случаях. Для отображения типа элемента на схеме необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мышки по интересующему компоненту и в открывшимся окне параметров поставить галочку отображения типа компонента: Теперь собственно можно приступить к снятию параметров. Первым лучше всего проверить величины постоянного напряжения, для этого нажимается:     Выплывает диалоговое окно, предлагающее выбрать что именно отображать и температурный режим. Предлагаемые параметры по умолчанию вполне приемлемы, поэтому просто следует нажать кнопку ОК. После этого схема “обрастает” дополнительными значениями, показывающими какое постоянное напряжение в какой точке:     На панели управления отображением нажата кнопка индикации напряжения, поскольку в диалоговом окне, всплывающем после нажатия РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ, изменений не было внесено, а была просто нажата кнопка ОК.     Как видно из карты напряжений в точке соединения эмиттеров Q3 и Q4 получилась половина напряжения питания, т. е. условие средней точки для минимальных искажений для усилителей с однополярным питанием выполнено. Немного “поигравшись” номиналом резистора R4 можно наблюдать как изменяется величина напряжения на эмиттерах Q3 и Q4.     Следующим не маловажным параметром для получения минимальных искажений является ток покоя, причем на параметры усилителя влияет не только ток покоя оконечного каскада, но и токи покоя остальных транзисторов. Просто при недостаточном токе покоя оконечного каскада искажения уже явно прослушиваются в виде ступеньки при переходе синусоиды через ноль.     Для контроля за протекающим через элементы схемы тока необходимо “отжать” кнопку отображения напряжения и “нажать” кнопку отображения тока:     Получившийся рисунок приводится уже не будет – вы его видите в окне симулятора и на нем видно какой ток протекает по какому проводнику и каждому элементу.     Далее проверяется рассеиваемое элементами тепло, для этого “отжимается” кнопка отображения тока и “нажимается” кнопка отображения рассеиваемой мощности:     Теперь возле каждого элемента появилась надпись, означающая сколько мощности рассеивает каждый элемент и на основании этого уже можно делать вывод до какой температуры и как быстро элементы будут нагреваться. Для сравнения просто используйте аналог – свой паяльник, нагревающийся до 300 с небольшим градусов на 3-4 минуты. Однако габариты паяльника значительно больше, чем используемые компоненты и даже паяльник на 15 Вт при своих габаритах позволяет паять контактные площадки мощных транзисторов. А учитывая, что скорость нагрева компонентов будет гораздо большей, чем у паяльника, следовательно элементы могут выйти из строя гораздо быстрей по причине теплового пробоя. Поэтому при рассеиваемой мощности свыше указанной для каждого элемента в справочной литературе следует иметь ввиду, что элемент может выйти из строя именно из за перегрева. Некоторые элементы. например транзисторы в корпусах ТО-126 и ТО-220 способны рассеивать довольно большую мощность, но для этого им необходимы теплоотводы. Корпуса подобных элементов имеют технологические приспособления для крепления на теплоотводы. В данном примере это шлифованные поверхности на корпусе транзистора и отверстия, позволяющие при помощи винтов или саморезов прикручивать корпуса транзисторов к теплоотводам.     Однако из видимых в окне МИКРОКАПА значений следует, что при условии протекания постоянного тока, т.е. БЕЗ входного сигнала тепла на элементах выделяется сравнительно не много, поэтому радиаторы (теплоотводы) ПОКА не нужны ни одному элементу и можно переходить к следующему измерению.     В качестве следующего теста можно проверить напряжения уже при “осциллографа”. Для этого следует перейти в режим:     Окно разделилось на два и теперь наведя курсор на проводник или элементов в правом окне и нажав левую кнопку мыши в левой половине экрана будет отображаться напряжение в этом проводнике или же напряжение падения, если это пассивный элемент (резистор, конденсатор, диод).     Для начала следует посмотреть, что собственно выходит с генератора:     Это означает, что амплитуда входного сигнала составляет 0,4 В, а период 5 мС, т.е. переведя в Гц получаем 1 / 0,005 = 200 Гц. Если закрыть окно проверки переходных процессов и дважды щелкнуть по генератору, то будет видно, что действительно параметры генератора отличаются от тех, которые программа предлагает по умолчанию – вместо 60 Гц с амплитудой 169,7 В на генераторе выставлена амплитуда 0,4 В и частота 200 Гц. Кроме этого, вернувшись в окно проверки переходных процессов и проверив время просчета убедиться, что оно тоже изменено с предлагаемой программой 1 мкС на 20мС.     Теперь можно организовать небольшую экскурсию по схеме. Для ее начала необходимо нажать курсором на базу Q2.     Как видно из полученной “осциллограммы” 12 мС (отмечено красными вертикальными линиями) кроме входного сигнала на базе присутствует изменение постоянной составляющей – верхушка сигнала “сползает” вниз. Это переходные процессы возникающие в момент включения из за зарядка конденсатора С2. Страшного в этом ни чего нет, просто для себя необходимо сделать отметку, что в момент включения усилителя в динамиках будет щелчок.     Далее щелкаем курсором в точку соединения эмиттеров Q3-Q4.     На “осциллограмме” появилась красная линия с этой точки, причем масштаб изменился и сигнал на базе Q2 практически не виден. Немного исправить эту ситуацию позволит нажатие кнопки задачи параметров отображения     Далее появляется диалоговое окно задачи параметров. Необходимо перейти на вторую вкладку и снять флажок автоматического масштаба     Далее необходимо вручную определить минимальную и максимальную величины отображаемого напряжения, причем сделать это для ОБОИХ “лучей” данного осциллографа     Как видно из дальнейшего рисунка вид “осциллограммы” изменился – она стала более подробной. Конечно не настолько, что стало отчетливо видно сигнал на базе Q2, тем не менее уже можно понять, что рассматриваемый усилитель инвертирующий – сигнал на выходе находится в противофазе входного сигнала.     Далее повторно щелкаем на базу Q2 и на проводник от эмиттеров Q3-Q4, для того, чтобы “отключить щупы осциллографа” от этих точек.     Следующими точками для экскурсии возьмем выход генератора и коллектор Q2.     Синий луч – выход генератора, а красный – коллектор Q2. Как видно сигнал сменил фазу на 180 градусов и довольно сильно увеличился в амплитуде. По сути именно этот каскад и осуществляет усиление сигнала. Для того, чтобы убедится в истинности данного утверждения достаточно проверить сигналы на выходах следующих каскадов:     Здесь добавлены зеленая линия с эмиттера Q1 и розовая линия с эмиттера Q3. Как видно амплитуда уже не увеличивается, а скорей наоборот – уменьшается.     Другими словами данный усилитель содержит всего один каскад усиления по напряжению, выполненный на транзисторе Q2, причем сигнал инвертируется. Остальные каскады необходимы для усиления тока, т.е. увеличения нагрузочной способности и возможности работать на низкоомную нагрузку.     На экране сейчас отображается 4 контролируемые точки, для их выключения можно повторно “пощелкать” в тех узлах, которые они отображают, но для этого потребуется 4 нажатия, а для очистки “экрана осциллографа” можно воспользоваться более быстрым способом – закрыть и открыть повторно окно исследования переходных процессов. В данном случае будет на одно нажатие меньше, да и целится не надо, вспоминая откуда брался тот или иной “луч”. Ну а если отображается более 4 контролируемых точек, то повторное открытие этого окна уже гораздо быстрее, чем повторный “щелчок” по контролируемой точке.     После повторного запуска анализа переходных процессов можно поговорить о назначении конденсаторов С1 и С5. Для наглядности необходимо “щелкнуть” по эмиттеру Q3, а затем в точку соединения С1-R1, и следом по коллектору Q3. На экране появилось 3 “осциллограммы”.     На получившимся рисунке синяя линия – напряжение на эмиттере Q3, красная – в точке соединения С1 и R1, а зеленая – напряжение питания. Как видно из рисунка напряжение на коллекторе Q1 превышает напряжение питания, позволяя транзистору формировать на своем эмиттере величину достаточную для ввода транзистора Q3 в насыщение. Кроме этого увеличивается амплитуда выходного напряжения на коллекторе Q2 – она больше напряжения питания – щелкните на коллектор Q2 и убедитесь в этом самостоятельно. Таким образом конденсатор С1 за счет своего постоянного перезаряда выходным напряжением усилителя позволяет получить амплитуду большую напряжения питания, что в итоге приводит к существенному увеличению КПД усилителя, что для автомобильной аудиотехники всегда было весьма актуально. Для этих же целей служит и конденсатор С5, только он увеличивает величину “отрицательного” напряжения, т.е. напряжение становиться ниже минусового (общего) провода источника питания.     Здесь синяя линия – по прежнему эмиттер Q3, красная – коллектор Q5, а зеленая – общий провод. Таким образом конденсаторы С1 и С5 осуществляют вольтодобавку, позволяющую существенно увеличить КПД усилителя. Для большей наглядности удалите эти конденсаторы и проверьте форму и амплитуду напряжения на коллекторе Q3. Теперь немного об искажениях. Для начала можно проверить частотный диапазон:     Видно, что есть небольшой завал в области НЧ, но он на частоте 20 Гц составляет всего – 4 дБ при общем коф. усиления 20 дБ, что для такого простого усилителя вполне приемлемо. Усилитель охвачен ООС, определяющий коф. усиления данного усилителя. Для определения элементов используемых в ООС и их номиналов попробуйте самостоятельно их найти, если они явно не бросились в глаза, и изменяя -возвращая каждый номинал резисторов попробуйте добиться коф. усиления 26 дБ.     Далее можно проверить искажения:     THD около 1%, что для максимальной амплитуды тоже вполне приемлемо. В небольших пределах на эту величину можно повлиять изменением тока покоя оконечного каскада, на который влияют D1, D2, R7. Ради интереса, оперируя этими деталями попробуйте добиться искажений (классическая ступенька) на выходе усилителя:     Поскольку С1, С2, С3 и С5 имеет довольно большую емкость, то это подразумевает использование электролитических конденсаторов, а они имеют полярность и максимальное напряжение. Эти ньансы тоже можно выяснить при помощи МИКРОКАП. Для выяснения полярности достаточно “щелкнуть” по выводам конденсаторов. Сначала левый вывод С2, затем правый     Напряжение справа больше, следовательно вывод конденсатора с надписью “+” должен быть подключен к базе Q2.Велична приложенного напряжения к обкладкам конденсатора всего около 0,6 В, следовательно подойдет практически любой конденсатор, даже на 6,3 В. Далее туже операцию следует проделать с С1 и получить следующее изображение     Теперь напряжение слева больше чем справа, следовательно “+” на коллектор Q1, а величина приложенного напряжения порядка 6 В, следовательно нужен конденсатор на 16 В. Полярность С5 уже сможете определить самостоятельно, а вот о С3 заслуживает отдельного внимания. “Щелкнув” сначала слева, а затем справа по обкладкам конденсатора С3 получаем следующую картинку     Определить полярность труда не составит, а вот с рабочим напряжением можно наступить на грабли. С одной стороны разница напряжений всего 7 В и казалось бы, что конденсаторы на 10 В можно использовать ( что собственно и было одно время на Китайских автомобильных балалайках). Однако данное напряжение может изменяться. В этом конкретном случае используется конденсатор на 2200 мкФ, однако самый популярный номинал для подобных усилителей 470 мкФ. Поэтому замените номинал С3 на 470 мкФ (если еще не догадались, то в данном симуляторе вместо МЮ, обозначающее множитель “микро” используется сходный по написанию символ “u”). Для большей убедительности следует уменьшить сопротивление R6 до 2-х Ом. Теперь снова следует проверить напряжения на обкладках.     Как видно из рисунка разница напряжений на обкладках заметно выросла, особенно на положительной полуволне сигнала и теперь уже составляет 9 В. Из этого следует сделать следующие выводы:     конденсаторы на 10 В для этих целей не пригодны, поскольку при уменьшении нагрузки они успевают заряжаться полностью или близко к этому;     Слишком маленькая величина емкости проходного конденсатора С3 вносит не только увеличения завала АЧХ на низких частотах, но и приводит к увеличению искажений. Опыт растет прямо пропорционально выведенному из строя оборудованию. ДАЛЕЕ     Был создан цикл видеоуроков по использованию МИКРОКАП:     Адрес администрации сайта: [email protected]

Как проверить работоспособность разных видов биполярных транзисторов мультиметром? Как проверить биполярный транзистор

Опытные электрики и электронщики знают, что для полной проверки транзисторов существуют специальные пробники.

С помощью них можно не только проверить исправность последнего, но и его коэффициент усиления — h31э .

Необходимость наличия пробника

Пробник действительно нужный прибор, но, если вам необходимо просто проверить транзистор на исправность вполне подойдет и .

Устройство транзистора

Прежде, чем приступить к проверке, необходимо разобраться что из себя представляет транзистор.

Он имеет три вывода, которые формируют между собой диоды (полупроводники).

Каждый вывод имеет свое название: коллектор, эмиттер и база. Первые два вывода p-n переходами соединяются в базе.

Один p-n переход между базой и коллектором образует один диод, второй p-n переход между базой и эмиттером образует второй диод.

Оба диода подсоединены в схему встречно через базу, и вся эта схема представляет собой транзистор.

Ищем базу, эмиттер и коллектор на транзисторе

Как сразу найти коллектор.

Чтобы сразу найти коллектор нужно выяснить, какой мощности перед вами транзистор, а они бывают средней мощности, маломощные и мощные.

Транзисторы средней мощности и мощные сильно греются, поэтому от них нужно отводить тепло.

Делается это с помощью специального радиатора охлаждения, а отвод тепла происходит через вывод коллектора, который в этих типах транзисторов расположен посередине и подсоединен напрямую к корпусу.

Получается такая схема передачи тепла: вывод коллектора – корпус – радиатор охлаждения.

Если коллектор определен, то определить другие выводы уже будет не сложно.

Бывают случаи, которые значительно упрощают поиск, это когда на устройстве уже есть нужные обозначения, как показано ниже.

Производим нужные замеры прямого и обратного сопротивления.

Однако все равно торчащие три ножки в транзисторе могу многих начинающих электронщиков ввести в ступор.

Как же тут найти базу, эмиттер и коллектор?

Без мультиметра или просто омметра тут не обойтись.

Итак, приступаем к поиску. Сначала нам нужно найти базу.

Берем прибор и производим необходимые замеры сопротивления на ножках транзистора.

Берем плюсовой щуп и подсоединяем его к правому выводу. Поочередно минусовой щуп подводим к среднему, а затем к левому выводам.

Между правым и среднем у нас, к примеру, показало 1 (бесконечность), а между правым и левым 816 Ом.

Эти показания пока ничего нам не дают. Делаем замеры дальше.

Теперь сдвигаемся влево, плюсовой щуп подводим к среднему выводу, а минусовым последовательно касаемся к левому и правому выводам.

Опять средний – правый показывает бесконечность (1), а средний левый 807 Ом.

Это тоже нам ничего не говорить. Замеряем дальше.

Теперь сдвигаемся еще левее, плюсовой щуп подводим к крайнему левому выводу, а минусовой последовательно к правому и среднему.

Если в обоих случаях сопротивление будет показывать бесконечность (1), то это значит, что базой является левый вывод.

А вот где эмиттер и коллектор (средний и правый выводы) нужно будет еще найти.

Теперь нужно сделать замер прямого сопротивления. Для этого теперь делаем все наоборот, минусовой щуп к базе (левый вывод), а плюсовой поочередно подсоединяем к правому и среднему выводам.

Запомните один важный момент, сопротивление p-n перехода база – эмиттер всегда больше, чем p-n перехода база – коллектор.

В результате замеров было выяснено, что сопротивление база (левый вывод) – правый вывод равно 816 Ом, а сопротивление база – средний вывод 807 Ом.

Значит правый вывод – это эмиттер, а средний вывод – это коллектор.

Итак, поиск базы, эмиттера и коллектора завершен.

Как проверить транзистор на исправность

Чтобы проверить транзистор мультиметром на исправность достаточным будет измерить обратное и прямое сопротивление двух полупроводников (диодов), чем мы сейчас и займемся.

В транзисторе обычно существуют две структуру перехода p-n-p и n-p-n .

P-n-p – это эмиттерный переход, определить это можно по стрелке, которая указывает на базу.

Стрелка, которая идет от базы указывает на то, что это n-p-n переход.

P-n-p переход можно открыть с помощью минусовое напряжения, которое подается на базу.

Выставляем переключатель режимов работы мультиметра в положение измерение сопротивления на отметку «200 ».

Черный минусовой провод подсоединяем к выводу базы, а красный плюсовой по очереди подсоединяем к выводам эмиттера и коллектора.

Т.е. мы проверяем на работоспособность эмиттерный и коллекторный переходы.

Показатели мультиметра в пределах от 0,5 до 1,2 кОм скажут вам, что диоды целые.

Теперь меняем местами контакты, плюсовой провод подводим к базе, а минусовой поочередно подключаем к выводам эмиттера и коллектора.

Настройки мультиметра менять не нужно.

Последние показания должны быть на много больше, чем предыдущие. Если все нормально, то вы увидите цифру «1» на дисплее прибора.

Это говорит о том, что сопротивление очень большое, прибор не может отобразить данные выше 2000 Ом, а диодные переходы целые.

Преимущество данного способа в том, что транзистор можно проверить прямо на устройстве, не выпаивая его оттуда.

Хотя еще встречаются транзисторы где в p-n переходы впаяны низкоомные резисторы, наличие которых может не позволить правильно провести измерения сопротивления, оно может быть маленьким, как на эмиттерном, так и на коллекторном переходах.

В данном случае выводы нужно будет выпаять и проводить замеры снова.

Признаки неисправности транзистора

Как уже отмечалось выше если замеры прямого сопротивления (черный минус на базе, а плюс поочередно на коллекторе и эмиттере) и обратного (красный плюс на базе, а черный минус поочередно на коллекторе и эмиттере) не соответствуют указанным выше показателям, то транзистор вышел из строя.

Другой признак неисправности, это когда сопротивление p-n переходов хотя бы в одном замере равно или приближено к нулю.

Это указывает на то, что диод пробит, а сам транзистор вышел из строя. Используя данные выше рекомендации, вы легко сможете проверить транзистор мультиметром на исправность.

Радиолюбители знают, что зачастую много времени приходится тратить на поиск неисправностей, возникающих в электронных схемах по различным причинам. Если схема собирается самостоятельно, то заключительным этапом работы будет проверка её работоспособности. А начинать необходимо с подбора заведомо исправных электронных компонентов. В радиолюбительских конструкциях широкое применение находят полупроводниковые приборы. Проверка транзистора, как прозвонить транзистор мультиметром – это немаловажные вопросы.

Типы транзисторов

Разновидностей этого вида полупроводниковых приборов по мере развития электроники появляется всё больше и больше. Появление каждой новой группы обусловлено повышением требований, предъявляемых к работе электронных устройств и к их техническим характеристикам.

Биполярные приборы

Биполярные полупроводниковые транзисторы являются наиболее часто встречающимися элементами электронных схем. Даже если рассмотреть построение различных больших микросхем, можно увидеть огромное количество представителей полупроводников этого вида.

Определение «биполярные» произошло от видов носителей электрического тока, которые в них присутствуют. Этот ток определяется движением отрицательных и положительных зарядов в теле полупроводника.

Каждая область трёхслойной структуры имеет свой металлический вывод, с помощью которого прибор подключается к другим элементам электронной схемы. Эти выводы имеют свои названия: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор – это внешние области . Внутренняя область – база.

Биполярные транзисторы образуют две группы в зависимости от типа полупроводника. Они обозначаются «p – n – p» и «n – p – n» Области соприкосновения полупроводников различных типов носят название «p – n» переходов.

Область базы является самой тонкой. Её толщина определяет частотные свойства прибора, то есть максимальную частоту радиосигнала, на которой может работать транзистор в качестве усилительного элемента. Область коллектора имеет максимальную площадь, так как при больших токах необходимо отводить избыточную тепловую энергию с помощью внешнего радиатора для исключения перегрева прибора.

На схемах вывод эмиттера обозначается стрелкой , которая определяет направление основного тока через прибор. Основным является ток на участке коллектор – эмиттер (или эмиттер – коллектор, в зависимости от направления стрелки). Но он возникает только в случае протекания управляющего тока в цепи базы. Соотношение этих токов определяет усилительные свойства транзистора. Таким образом, биполярный транзистор – это токовый прибор.

Полевые транзисторы

Транзисторы этого типа существенно отличаются от биполярных приборов. Если последние являются устройствами, управляемыми слабым током базы определённой полярности, то полевым приборам для протекания тока через полупроводник требуется наличие управляющего напряжения (электрического поля).

Электроды имеют названия: затвор, исток, сток. А напряжение, открывающее канал «n» типа или «p» типа, прикладывается к области затвора и определяет интенсивность тока при правильной его полярности. Эти приборы ещё называют униполярными .

Проверка мультиметром

Транзисторы являются активными элементами электронной схемы. Их исправность определяет её правильную работу. Как проверить тестером транзистор – этот вопрос является важным. При знании принципов его работы эта задача не представляет большого труда.

Приборы биполярного типа

Их схему упрощённо можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, включённых навстречу друг другу. Для приборов «p – n – p» проводимости соединены будут катоды, а для «n – p – n» структуры общую точку будут иметь аноды диодов. В любом случае точка соединения будет выводом электрода базы, а два других вывода, соответственно, эмиттером и коллектором.

Для структуры «p – n – p» на схеме стрелка эмиттера направлена к выводу базы. Соответственно, для проводимости «n – p – n» стрелка эмиттера изменит своё направление на противоположное. Для определения состояния полупроводникового транзистора большое значение имеет информация о его типе и, соответственно, о маркировке его электродов. Эту информацию можно узнать из многочисленных справочников или из общения на тематических форумах.

Для биполярных приборов «p – n – p» проводимости открытому состоянию будет соответствовать подключение «минусового» (чёрного) щупа тестера к выводу базы. «Положительный» (красный) наконечник поочерёдно подключается к коллектору и эмиттеру. Это будет прямым включением «p – n» переходов.

При этом сопротивление каждого будет находиться в диапазоне (600−1200) Ом. Конкретное значение зависит от производителя электронных компонентов. Сопротивление коллекторного перехода будет иметь величину немного меньшую, чем эмиттерного.

Так как биполярный транзистор представлен в виде встречного включения двух полупроводниковых диодов с односторонней проводимостью, то при смене полярности щупов тестера сопротивления «p – n» переходов у нормально работающих транзисторов будет в идеале стремиться к бесконечности.

Такая же картина должна наблюдаться при измерении сопротивления между выводами эмиттера и коллектора. Причём это большое значение не зависит от смены полярности измерительных щупов. Всё это относится к исправным транзисторам.

Процесс проверки исправности (или неисправности) биполярного полупроводникового элемента с помощью мультиметра сводится к следующему:

• определение типа прибора и схемы его выводов;
• проверка сопротивлений его «p – n» переходов в прямом направлении;
• смена полярности щупов и определение сопротивлений переходов при таком подключении;
• проверка сопротивления «коллектор – эмиттер» в обоих направлениях.

Определение исправности приборов «n – p – n» структуры отличается только тем, что для прямого включения переходов к выводу базы необходимо подключить красный «положительный» провод мультиметра, а к выводам эмиттера и коллектора поочерёдно подсоединять чёрный (отрицательный). Картина с величинами сопротивлений для этой проводимости должна повториться.

К признакам неисправности биполярных транзисторов можно отнести следующие:

• «прозвонка» «p – n» переходов показывает слишком малые значения сопротивлений;
• «p – n» переход не «прозванивается» в обе стороны.

В первом случае можно говорить об электрическом пробое перехода, а то и вовсе о коротком замыкании.

Второй случай показывает внутренний обрыв в структуре прибора.

В обоих случаях данный экземпляр не может быть использован для работы в схеме.

Полевые транзисторы

Для проверки работоспособности этого элемента используем тот же мультиметр, что и для биполярного прибора. Необходимо помнить, что полевики могут быть n-канальными и p-канальными.

Для проверки элемента первого типа необходимо выполнить следующие действия:

Для определения сопротивления закрытого прибора с n-каналом производят касание красным проводом вывода «исток», а чёрным – «сток».

Открытие полевого прибора производится подачей на его «затвор» положительного потенциала (красный провод).

Для проверки открытого состояния транзистора повторно измеряется сопротивление участка «сток – исток» (чёрный провод – сток, красный – исток). Сопротивление приоткрытого n-канала немного уменьшается по сравнению с первым замером.

Закрытие прибора достигается подачей на его «затвор» отрицательного потенциала (чёрный провод мультиметра). После этого сопротивление участка «сток – исток» вернётся к своему первоначальному значению.

При проверке p-канального прибора повторяют все предыдущие действия, переменив полярность измерительных щупов тестера.

Необходимо перед проверками полевых приборов принять меры, защищающие от воздействия статических зарядов, которые могут внести значительные сложности в процесс проверки, а то и вовсе вывести проверяемое изделие из строя. К таким проверенным мерам можно отнести простое касание рукой батареи центрального отопления. Специалисты применяют браслет, обладающий антистатическими свойствами.

При проверках транзисторов большой мощности этого типа часто при полностью запертом полупроводниковом канале можно определить наличие сопротивления. Это означает, что между «истоком» и «стоком» включён защитный диод, встроенный в корпус прибора. Убедиться в этом помогает смена полярности выводов тестера.

Проверка приборов в схеме

Как мультиметром проверить транзистор, не выпаивая, как проверить полевой транзистор – эти вопросы возникают у радиолюбителей довольно часто. Извлечение полупроводникового прибора из схемы требует большой аккуратности и опыта работы. Необходимо иметь в своём арсенале низковольтный паяльник с тонким жалом, браслет, защищающий от статических разрядов. Проводники печатной платы в процессе работы можно перегреть, а то и случайно замкнуть между собой.

Хотя при наличии опыта в такой работе – задача вполне решаемая. Конечно, необходимо уметь читать электрические схемы и представлять работу каждого из её компонентов.

Оценка работоспособности биполярных транзисторов малой и средней мощности мало отличается от проверки этих элементов «на столе», когда все выводы прибора находятся в доступном для проверки положении.

Сложнее проходит проверка непосредственно в схеме приборов большой мощности, применяемых в схемах выходных каскадов усилителей, импульсных блоках питания. В этих схемах присутствуют элементы, защищающие транзисторы от выхода последних на максимально допустимые режимы. При проверке состояний «p – n» переходов в этих случаях можно получить абсолютно не верные результаты. Как выход – выпаивание вывода базы.

Проверка полевых приборов может дать результат, далёкий от реального положения дел. Причина – наличие в схемах большого количества элементов коррекции работы транзисторов, включая катушки индуктивности низкого сопротивления.

Существует ещё большое количество различных типов транзисторов, для оценки состояния которых приходится применять различные специальные пробники. Но это тема для отдельного материала.

Транзистор является наиболее популярным активным компонентом, входящим в состав электрических схем. У любого, кто интересуется электроникой, время от времени возникает необходимость проверить подобный элемент. Особенно часто проверку приходится делать начинающим радиолюбителям, которые в своих схемах используют транзисторы, бывшие в употреблении, например, выпаянные из старых плат. Для «прозвонки» можно использовать специальные приборы-тестеры, позволяющие измерять параметры транзисторов, чтобы потом их можно было сравнить их с указанными в справочнике. Однако для элементов, входящих в любительскую схему достаточно выполнить проверку по правилу: «исправен, неисправен». Эта статья рассказывает, как проверить транзистор мультиметром именно по такому методу тестирования.

Подготовка инструментов

У каждого современного радиолюбителя есть универсальный инструмент под названием цифровой мультиметр. Он позволяет измерять постоянные и переменные токи и напряжение, сопротивление элементов. Он также позволяет проверить работоспособность элементов схемы. Рядом с переключателем в режим «прозвонки», как правило, нарисован диод и динамик (см. фото на рис. 1).

Рисунок 1 – Лицевая панель мультиметра

Перед проверкой элемента необходимо убедиться в работоспособности самого мультиметра:

1. Батарея должна быть заряжена.
2. При переключении в режим проверки полупроводников дисплей должен отображать цифру 1.
3. Щупы должны быть исправны, т. к. большинство приборов – китайские, и разрыв провода в них является очень частым явлением. Проверить их нужно, прислонив кончики щупов друг к другу: в этом случае на дисплее отобразятся нули и раздастся писк – прибор и щупы исправны.
4. Щупы подключаются согласно цветовой маркировке: красный щуп — в красный разъем, черный – в черный разъем с надписью COM.

Технологии проверки

Биполярный

Структура биполярного транзистора (БТ) включает в себя 2 p-n или 2 n-p перехода. Выводы этих переходов называются эмиттером и коллектором. Вывод срединного слоя называется базой. Упрощенно БТ можно представить как два включенных встречно диода, как изображено на рисунке 2.

Проверить биполярный транзистор мультиметром не сложно, в чем Вы сейчас и убедитесь. Как известно основным свойством p-n перехода является его односторонняя проводимость. При подключении положительного (красный) щупа к аноду, а черного к катоду на дисплее мультиметра будет отображена величина прямого напряжения на переходе в милливольтах. Величина напряжения зависит от типа полупроводника: для германиевых диодов это напряжение будет порядка 200–300 мВ, а для кремниевых от 600 до 800 мВ. В обратном направлении диод ток не пропускает, поэтому если поменять щупы местами, то на дисплее будет отображена 1, свидетельствующая о бесконечно большом сопротивлении.

Если же диод «пробит», то скорей всего раздастся звуковой сигнал, причем в обоих направлениях. В случае если диод «в обрыве», то на индикаторе, так и будет отображаться единица.

Таким образом, суть проверки исправности транзистора заключается в «прозвонке» p-n переходов база-коллектор, база-эмиттер и эмиттер-коллектор в прямом и обратном включении:

• База-коллектор: Красный щуп подключается к базе, черный к коллектору. Соединение должно работать как диод и проводить ток только в одном направлении.
• База-эмиттер: Красный щуп остается подключенным к базе, черный подключается к эмиттеру. Аналогично предыдущему пункту соединение должно проводить ток только при прямом включении.
• Эмиттер-коллектор: У исправного перехода сопротивление данного участка стремится к бесконечности, о чем будет говорить единица на индикаторе.

При проверке работоспособности pnp типа «диодный» аналог будет выглядеть также, но диоды будут подключены наоборот. В этом случае черный щуп подключается к базе. Переход эмиттер-коллектор проверяется аналогично.

На видео ниже наглядно показывается проверка биполярного транзистора мультиметром:

Полевой

Полевые транзисторы (ПТ) или «полевики» используются в блоках питания, мониторах, аудио и видеотехнике. Поэтому с необходимостью проверки более часто сталкиваются мастера по ремонту аппаратуры. Самостоятельно проверить такой элемент в домашних условиях можно также с помощью обычного мультиметра.

На рисунке 3 представлена структурная схема ПТ. Выводы Gate (затвор), Drain (сток), Source (исток) могут располагаться по-разному. Очень часто производители маркируют их буквами. Если маркировка отсутствует, то необходимо свериться со справочными данными, предварительно узнав наименование модели.

Рисунок 3 – Структурная схема ПТ

Стоит иметь в виду, что при ремонте аппаратуры, в которой стоят ПТ, часто возникает задача проверки работоспособности и целостности без выпаивания элемента из платы. Чаще всего выходят из строя мощные полевые транзисторы, устанавливаемые в импульсные блоки питания. Также следует помнить, что «полевики» крайне чувствительны к статическим разрядам. Поэтому перед тем, как проверить полевой транзистор не выпаивая, необходимо надеть антистатический браслет и соблюдать технику безопасности.

Рисунок 4 – Антистатический браслет

Проверить ПТ мультиметром можно по аналогии с прозвонкой переходов биполярного транзистора. У исправного «полевика» между выводами бесконечно большое сопротивление вне зависимости от приложенного тестового напряжения. Однако, имеются некоторые исключения: если приложить положительный щуп тестера к затвору, а отрицательный – к истоку, то зарядится затворная емкость, и переход откроется. При замере сопротивления между стоком и истоком мультиметр может показать некоторое значение сопротивления. Неопытные мастера часто принимают подобное явление как признак неисправности. Однако, это не всегда соответствует реальности. Необходимо перед проверкой канала сток-исток замкнуть накоротко все выводы ПТ, чтобы разрядились емкости переходов. После этого их сопротивления снова станут большими, и можно повторно проверить работает транзистор или нет. Если подобная процедура не помогает, то элемент считается нерабочим.

«Полевики», стоящие в мощных импульсных блоках питания часто имеют внутренний диод на переходе сток-исток. Поэтому этот канал при проверке ведет себя как обычный полупроводниковый диод. Во избежание ложной ошибки необходимо перед тем, как проверить транзистор мультиметром, удостовериться в наличии внутреннего диода. Следует поменять местами щупы тестера. В этом случае на экране должна отобразиться единица, что свидетельствует о бесконечном сопротивлении. Если этого не происходит, то, скорее всего, ПТ «пробит».

Технология проверки полевого транзистора показана на видео:

Составной

Типовой составной транзистор или схема Дарлингтона изображена на рисунке 5. Эти 2 элемента расположены в одном корпусе. Внутри также находится нагрузочный резистор. У такой модели аналогичные выводы, что и у биполярного. Нетрудно догадаться, что проверить составной транзистор мультиметром можно точно также, как и БТ. Следует отметить, что некоторые типы цифровых мультиметров в режиме тестирования имеют на клеммах напряжение меньшее 1,2 В, что недостаточно для открывания р-n перехода, и в этом случае прибор показывает разрыв в цепи.

Перед тем как собрать какую-то схему или начать ремонт электронного устройства необходимо убедиться в исправности элементов, которые будут установлены в схему. Даже если эти элементы новые, необходимо быть уверенным в их работоспособности. Обязательной проверке подлежат и такие распространенные элементы электронных схем как транзисторы.

Для проверки всех параметров транзисторов существуют сложные приборы. Но в некоторых случаях достаточно провести простую проверку и определить годность транзистора. Для такой проверки достаточно иметь мультиметр.

В технике используются различные виды транзисторов – биполярные, полевые, составные, многоэмиттерные, фототранзисторы и тому подобные. В данном случае будут рассматриваться наиболее распространенные и простые — биполярные транзисторы.

Такой транзистор имеет 2 р-n перехода. Его можно представить как пластину с чередующимися слоями с разными типами проводимости. Если в крайних областях полупроводникового прибора преобладает дырочная проводимость (p), а в средней – электронная проводимость (n), то прибор называется транзистор р-n-p. Если наоборот, то прибор называется транзистором типа n-p-n. Для разных видов биполярных транзисторов меняется полярность источников питания, которые подключаются к нему в схемах.

Наличие в транзисторе двух переходов позволяет представить в упрощенном виде его эквивалентную схему как последовательное соединение двух диодов.

При этом для p-n-p прибора в эквивалентной схеме между собой соединены катоды диодов, а для n-p-n прибора – аноды диодов.

В соответствии с этими эквивалентными схемами и производится проверка биполярного транзистора мультиметром на исправность.

Порядок проверки устройства — следуем по инструкции

Процесс измерений состоит из следующих этапов:

• проверка работы измерительного прибора;
• определение типа транзистора;
• измерение прямых сопротивлений эмиттерного и коллекторного переходов;
• измерение обратных сопротивлений эмиттерного и коллекторного переходов;
• оценка исправности транзистора.

Перед тем, как проверить биполярный транзистор мультиметром, необходимо убедиться в исправности измерительного прибора. Для этого вначале надо проверить индикатор заряда батареи мультиметра и, при необходимости, заменить батарею. При проверке транзисторов важна будет полярность подключения. Надо учитывать, что у мультиметра на выводе «COM» имеется отрицательный полюс, а на выводе «VΩmA» – плюсовой. Для определенности к выводу «COM» желательно подключить щуп черного цвета, а к выводу «VΩmA» -красного.

Чтобы к выводам транзистора подключить щупы мультиметра правильной полярности, необходимо определить тип прибора и маркировку его выводов. С этой целью необходимо обратиться к справочнику или найти описание транзистора в Интернете.

На следующем этапе проверки переключатель операций мультиметра устанавливается в положение измерения сопротивлений. Выбирается предел измерения в «2к».

Перед тем, как проверить pnp транзистор мультиметром, надо минусовой щуп подключить к базе устройства. Это позволит измерить прямые сопротивления переходов радиоэлемента типа p-n-p. Плюсовой щуп подключается по очереди к эмиттеру и коллектору. Если сопротивления переходов равны 500-1200 Ом, то эти переходы исправны.

При проверке обратных сопротивлений переходов к базе транзистора подключается плюсовой щуп, а минусовой по очереди подключается к эмиттеру и коллектору.

Если эти переходы исправны, то в обоих случаях фиксируется большое сопротивление.

Проверка npn транзистора мультиметром происходит по такой же методике, но при этом полярность подключаемых щупов меняется на противоположную. По результатам измерений определяется исправность транзистора:

1. если измеренные прямое и обратное сопротивления перехода большие, то это значит, что в приборе имеется обрыв;
2. если измеренные прямое и обратное сопротивления перехода малы, то это означает, что в приборе имеется пробой.

В обоих случаях транзистор является неисправным.

Оценка коэффициента усиления

Характеристики транзисторов обычно имеют большой разброс по величине. Иногда при сборке схемы требуется использовать транзисторы, у которых имеется близкий по величине коэффициент усиления по току. Мультиметр позволяет подобрать такие транзисторы. Для этого в нем имеется режим переключения «hFE» и специальный разъем для подключения выводов транзисторов 2 типов.

Подключив в разъем выводы транзистора соответствующего типа можно увидеть на экране величину параметра h31.

Выводы :

1. С помощью мультиметра можно определить исправность биполярных транзисторов.
2. Для проведения правильных измерений прямого и обратного сопротивлений переходов транзистора необходимо знать тип транзистора и маркировку его выводов.
3. С помощью мультиметра можно подобрать транзисторы с желаемым коэффициентом усиления.

Видео о том, как проверить транзистор мультиметром

Как проверить биполярный транзистор мультиметром?

Биполярный транзистор состоит из двух . Существуют два вида биполярных транзисторов: PNP-транзистор и NPN-транзистор.

На рисунке ниже структурная схема PNP-транзистора:

Схематическое обозначение PNP-транзистора в схеме выглядит так:

где Э — это эмиттер, Б — база, К — коллектор.

Существует также другая разновидность биполярного транзистора: NPN-транзистор. Здесь уже материал P заключен между двумя материалами N.

Вот его схематическое изображение на схемах

Так как диод состоит из одного PN-перехода, а транзистор из двух, то значит можно представить транзистор, как два диода! Эврика!

Теперь же мы с вами можем проверить транзистор, проверяя эти два диода, из которых, грубо говоря, состоит транзистор. Как проверить диод мультиметром, можно прочитать .

Проверяем транзистор с помощью мультиметра

Ну что же, давайте на практике определим работоспособность нашего транзистора. А вот и наш пациент:

Внимательно читаем, что написано на транзисторе: С4106. Теперь открываем поисковик и ищем документ-описание на этот транзистор. По-английски он называется datasheet. Прямо так и вбиваем в поисковике «C4106 datasheet». Имейте ввиду, что импортные транзисторы пишутся английскими буквами.

Нас больше всего интересует распиновка контактов и какого он типа: NPN или PNP. То есть нам нужно узнать, какой вывод что из себя представляет. Для этого транзистора нам нужно узнать, где у него база, где эмиттер, а где коллектор.

А вот и схемка распиновки:

Теперь нам понятно, что первый вывод — это база, второй вывод — это коллектор, ну а третий — эмиттер.

Возвращаемся к нашему рисунку

Наш подопечный — это NPN-транзистор.

Ставим на прозвонку и начинаем проверять «диоды» транзистора. Для начала ставим «плюс» к базе, а «минус» к коллектору

Все ОК, прямой PN-переход должен обладать небольшим падением напряжения для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 Вольт, а для германиевых 0,3-0,4 Вольта. На фото 543 милливольта или 0,54 Вольта.

Проверяем переход база-эмиттер, поставив на базу «плюс» , а на эмиттер «минус».

Видим снова падение напряжения прямого PN перехода. Все ОК.

Меняем щупы местами. Ставим «минус» на базу, а «плюс» на коллектор. Сейчас мы замеряем обратное падение напряжения на PN переходе.

Все ОК, так как видим единичку.

Проверяем теперь обратное падение напряжения перехода база-эмиттер.

Здесь у нас мультиметр также показывает единичку. Значит можно дать диагноз транзистору — здоров.

Давайте проверим еще один транзистор. Он подобен транзистору, который мы вами рассмотрели. Его распиновка (то есть положение и значение выводов) такая же, как у нашего первого героя. Также ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся к нашему подопечному.

Нолики… Это не есть хорошо. Это говорит о том, что PN-переход пробит. Можно смело выкидывать такой транзистор в мусор.

Очень удобно проверять транзисторы, имея

Заключение

В заключении статьи, хотелось бы добавить, что лучше всегда находить даташит на проверяемый транзистор. Бывают так называемые составные транзисторы. Что это значит? Это значит, что в одном конструктивном корпусе транзистора могут быть вмонтированы два или даже больше транзисторов. Имейте также ввиду, что некоторые радиоэлементы имеют такой же корпус, как и транзисторы. Это могут быть тиристоры, стабилизаторы, преобразователи напряжения или даже какая-нибудь заморская микросхема. Поэтому, не ленитесь пользоваться интернетом.

Транзисторы – Learn.sparkfun.com

Символы, контакты и конструкция

по своей сути являются трехвыводными устройствами. На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты помечены коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E). Символы схемы для NPN и PNP BJT приведены ниже:

Единственная разница между NPN и PNP заключается в направлении стрелки на эмиттере.Стрелка на NPN указывает, а на PNP указывает внутрь. Полезная мнемоника для запоминания того, что есть что:

NPN:

Обратная логика, но она работает!

Конструкция транзистора

Транзисторы полагаются на полупроводники, чтобы творить чудеса. Полупроводник — это материал, который не является чистым проводником (например, медная проволока), но и не является изолятором (например, воздух). Проводимость полупроводника — насколько легко он позволяет электронам течь — зависит от таких переменных, как температура или наличие большего или меньшего количества электронов.Давайте кратко заглянем под капот транзистора. Не волнуйтесь, мы не будем слишком глубоко копаться в квантовой физике.

Транзистор в виде двух диодов

Транзисторы являются своего рода продолжением другого полупроводникового компонента: диодов. В некотором смысле транзисторы — это всего лишь два диода с катодами (или анодами), соединенными вместе:

Здесь важен диод, соединяющий базу с эмиттером; оно совпадает с направлением стрелки на символе схемы и показывает вам , в каком направлении должен течь ток через транзистор.

Представление диодов — хорошее место для начала, но оно далеко не точное. Не основывайте свое понимание работы транзистора на этой модели (и уж точно не пытайтесь воспроизвести ее на макетной плате, это не сработает). Существует множество странных вещей на уровне квантовой физики, управляющих взаимодействием между тремя терминалами.

(Эта модель полезна, если вам нужно проверить транзистор. Используя функцию проверки диода (или сопротивления) на мультиметре, вы можете измерить клеммы BE и BC, чтобы проверить наличие этих «диодов».)

Структура транзистора и работа

изготавливаются из трех разных слоев полупроводникового материала. В некоторые из этих слоев добавлены дополнительные электроны (процесс, называемый «легированием»), а в других электроны удалены (легирование «дырками» — отсутствие электронов). Полупроводниковый материал с дополнительными электронами называется n-типа ( n для отрицательного, потому что электроны имеют отрицательный заряд), а материал с удаленными электронами называется p-типа (для положительного).Транзисторы получаются путем укладки n поверх p поверх n или p поверх n поверх p .

Упрощенная схема структуры NPN. Обратите внимание на происхождение любых аббревиатур?

Немного взмахнув рукой, мы можем сказать, что электронов могут легко течь из n областей в p областей , если у них есть небольшая сила (напряжение), чтобы толкать их.Но перетекание из области p в область n действительно сложно (требуется лот напряжения). Но особая особенность транзистора — часть, которая делает нашу модель с двумя диодами устаревшей — это тот факт, что электронов могут легко течь от базы p-типа к коллектору n-типа, пока база- эмиттерный переход смещен в прямом направлении (это означает, что база находится под более высоким напряжением, чем эмиттер).

Транзистор NPN предназначен для передачи электронов от эмиттера к коллектору (поэтому обычный ток течет от коллектора к эмиттеру).Эмиттер «испускает» электроны в базу, которая контролирует количество электронов, испускаемых эмиттером. Большая часть испускаемых электронов «собирается» коллектором, который направляет их к следующей части цепи.

PNP работает таким же образом, но противоположным образом. База по-прежнему контролирует ток, но этот ток течет в противоположном направлении — от эмиттера к коллектору. Вместо электронов эмиттер испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые собираются коллектором.

Транзистор похож на электронный вентиль . Базовый штифт похож на ручку, которую вы можете регулировать, чтобы позволить большему или меньшему количеству электронов течь от эмиттера к коллектору. Давайте исследуем эту аналогию дальше…

NPN: что это такое? (Символ и принцип работы)

Что такое транзистор NPN

Транзистор NPN является наиболее часто используемым транзистором с биполярным переходом и состоит из полупроводника P-типа, помещенного между двумя полупроводниками N-типа.Транзистор NPN имеет три вывода — коллектор, эмиттер и базу. NPN-транзистор ведет себя как два диода с PN-переходами, соединенных встречно-параллельно.

Эти диоды со стыковым соединением PN известны как соединение коллектор-база и соединение база-эмиттер.

Что касается трех выводов NPN-транзистора, эмиттер — это область, используемая для подачи носителей заряда на коллектор через базовую область. Область Коллектора собирает большую часть всех носителей заряда, испускаемых Излучателем.Базовая область запускает и контролирует количество тока, протекающего через эмиттер к коллектору.

Эквивалентная схема транзистора NPN показана на рисунке ниже.

Напомню, полупроводник N-типа — это полупроводник, в котором доступно большое количество свободных электронов, и он действует как основной носитель заряда. Под действием разности потенциалов электроны получают достаточную энергию и перемещаются из валентной зоны в зону проводимости.Из-за движения электронов ток будет течь через полупроводник N-типа.

И наоборот, в полупроводниках P-типа электроны недоступны, а дырка действует как основной носитель заряда. Из-за движения дырок через полупроводник P-типа будет течь ток.

Конструкция NPN-транзистора

Как обсуждалось выше, NPN-транзистор имеет два перехода и три вывода. Конструкция транзистора NPN показана на рисунке ниже.

Слои эмиттера и коллектора шире, чем у основания. Эмиттер сильно легирован. Следовательно, он может инжектировать в базу большое количество носителей заряда.

Основание слабо легировано и очень тонко по сравнению с двумя другими областями. Он пропускает большую часть всех носителей заряда к коллектору, который эмитируется эмиттером.

Коллектор умеренно легирован и собирает носители заряда из базового слоя.

Обозначение транзистора NPN

Обозначение транзистора NPN показано на рисунке ниже.Стрелка показывает условное направление тока коллектора (I _C ), тока базы (I _B ) и тока эмиттера (I _E ).

Как работает NPN-транзистор

Переход база-эмиттер соединен в состоянии прямого смещения с помощью напряжения питания V _EE . А переход коллектор-база подключен в режиме обратного смещения по напряжению питания V _CC .

В режиме прямого смещения отрицательная клемма источника питания (V _EE ) подключается к полупроводнику N-типа (эмиттеру).Аналогичным образом, в условиях обратного смещения положительный вывод источника питания (V _CC ) подключается к полупроводнику N-типа (коллектору).

Область обеднения области эмиттер-база тонкая по сравнению с областью обеднения перехода коллектор-база (обратите внимание, что область обеднения — это область, в которой отсутствуют подвижные носители заряда, и она ведет себя как барьер противодействующее течению).

В эмиттере N-типа основным носителем заряда являются электроны.Поэтому электроны начинают течь от эмиттера N-типа к базе P-типа. И из-за электронов ток начнет течь по переходу эмиттер-база. Этот ток известен как ток эмиттера I _E .

Эти электроны движутся дальше к базе. Основой является полупроводник P-типа. Поэтому в нем есть дырки. Но базовая область очень тонкая и слабо легированная. Итак, у него есть несколько дырок для рекомбинации с электронами. Следовательно, большая часть электронов пройдет через базовую область и немногие из них рекомбинируют с дырками.

Из-за рекомбинации по цепи будет протекать ток, известный как базовый ток I _B . Ток базы очень мал по сравнению с током эмиттера. Обычно он составляет 2-5% от полного тока эмиттера.

Большинство электронов проходят обедненную область перехода коллектор-база и проходят через область коллектора. Ток, протекающий оставшимися электронами, известен как ток коллектора I _C . Ток коллектора велик по сравнению с током базы.

Схема транзистора NPN

Схема транзистора NPN показана на рисунке ниже.

Источники напряжения подключены к транзистору NPN, как показано на рисунке выше. Коллектор соединен с плюсовой клеммой питающего напряжения V _CC с сопротивлением нагрузки R _L . Сопротивление нагрузки также используется для уменьшения максимального тока, протекающего через устройство.

Базовая клемма соединена с положительной клеммой базового напряжения питания V _B с базовым сопротивлением R _B .Сопротивление базы используется для ограничения максимального тока базы.

Когда транзистор включен, большой ток коллектора протекает через устройство между выводами коллектора и эмиттера. Но для этого небольшое количество базового тока должно протекать на базовый вывод транзистора.

Согласно KCL, ток эмиттера является суммой тока базы и тока коллектора.

Режим работы транзистора

Транзистор работает в различных режимах или областях в зависимости от смещения переходов.Имеет три режима работы.

• Режим отсечки
• Режим насыщения
• Активный режим

Режим отсечки

В режиме отсечки оба перехода находятся в обратном смещении. В этом режиме транзистор ведет себя как разомкнутая цепь. И это не позволит току течь через устройство.

Режим насыщения

В режиме насыщения транзистора оба перехода соединены в прямом смещении. Транзистор ведет себя как замкнутая цепь, и ток течет от коллектора к эмиттеру, когда напряжение база-эмиттер высокое.

Активный режим

В этом режиме транзистора переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении. В этом режиме транзистор работает как усилитель тока.

Ток течет между эмиттером и коллектором, и величина тока пропорциональна току базы.

Переключатель транзистора NPN

Транзистор работает как включенный в режиме насыщения и выключенный в режиме отсечки.

Когда оба перехода соединены в состоянии прямого смещения и на вход подается достаточное напряжение. В этом состоянии напряжение коллектор-эмиттер близко к нулю, и транзистор работает как короткое замыкание.

В этом состоянии ток начнет течь между коллектором и эмиттером. Значение тока, протекающего в этой цепи, равно

Когда оба перехода подключены с обратным смещением, транзистор ведет себя как разомкнутая цепь или выключатель.В этом состоянии входное напряжение или базовое напряжение равно нулю.

Таким образом, все напряжение Vcc появляется на коллекторе. Но из-за обратного смещения области коллектор-эмиттер ток через прибор протекать не может. Следовательно, он ведет себя как выключатель.

Принципиальная схема транзистора в области отсечки показана на рисунке ниже.

Схема контактов транзистора NPN

Транзистор имеет три вывода; коллектор (C), эмиттер (E) и база (B).В большинстве конфигураций средний вывод предназначен для базы.

Для идентификации выводов эмиттера и коллектора на поверхности SMD-транзистора имеется точка. Вывод, который находится точно под этой точкой, является коллектором, а оставшийся вывод — выводом эмиттера.

Если точки нет, все булавки будут размещены с неравномерным расстоянием. Здесь средний штифт является базовым. Ближайший вывод среднего вывода является эмиттерным, а оставшийся вывод — коллекторным.

NPN против PNP транзистор

Основные отличия при сравнении транзисторов NPN против транзисторов PNP были обобщены в таблице ниже:

Что такое PNP транзистор и его типы.

Определение:

Транзистор PNP представляет собой тип транзистора, в котором один материал n-типа легирован двумя материалами p-типа.Это устройство, которое управляется током. И эмиттерный, и коллекторный токи контролировались небольшим током базы. Два кварцевых диода соединены встречно-параллельно в PNP-транзисторе. Диод эмиттер-база расположен слева от диода, а диод коллектор-база расположен справа.

Ток в отверстии состоит из большинства носителей транзисторов PNP. Ток внутри транзистора создается движением дырок, а ток в выводах транзистора создается потоком электронов.Когда через базу PNP-транзистора протекает небольшой ток, он включается. Ток в транзисторе PNP течет от эмиттера к коллектору.

Напряжение, необходимое для эмиттера, коллектора и базы транзистора, обозначается буквой PNP-транзистора. По сравнению с эмиттером и коллектором база PNP-транзистора всегда была отрицательной. Электроны в транзисторе PNP берутся с базовой клеммы. Ток, поступающий в базу, усиливается до того, как достигнет концов коллектора.

Обозначение транзистора PNP:

Транзистор PNP обозначается буквами PNP. На приведенной ниже диаграмме изображен символ PNP-транзистора. В транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору, как показано стрелкой, направленной внутрь.

Конструкция транзистора PNP:

Структура транзистора PNP изображена на схеме ниже. Эмиттерный и базовый переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный и базовый переходы смещены в обратном направлении.Эмиттер, смещенный в прямом направлении, притягивает электроны к батарее, в результате чего ток течет от эмиттера к коллектору.

Легированные полупроводники обнаружены в трех секциях транзистора. С одной стороны эмиттер, с другой коллектор. Основание относится к области в середине. Три компонента транзистора подробно описаны ниже.

Излучатель:

Задача излучателя – поставлять носители заряда в приемник. По сравнению с базой эмиттер всегда смещен в прямом направлении, чтобы обеспечить большое количество носителей заряда.

База:

База транзистора — это секция в середине, которая образует два PN-перехода между эмиттером и коллектором. Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, что позволяет цепи эмиттера иметь низкое сопротивление. Из-за обратного смещения перехода база-коллектор цепь коллектора имеет высокое сопротивление.

Коллектор:

Коллектор — это секция на противоположной стороне эмиттера, которая собирает заряды. Когда дело доходит до коллекционирования, коллекционер всегда склоняется в противоположную сторону.

Транзистор эквивалентен двум диодам, поскольку имеет два PN-перехода. Диод эмиттер-база или эмиттерный диод – это название перехода между эмиттером и базой. Переход между коллектором и базой называется диодом коллектор-база или коллекторным диодом.

Работа транзистора PNP:

Поскольку переходы эмиттера и базы смещены в прямом направлении, эмиттер выталкивает дырки в области базы. Эмиттерный ток состоит из этих дырок.Эти электроны объединились с электронами, когда они переместились в полупроводниковый материал или основу N-типа. База транзистора тонкая и не имеет большого количества легирования. В результате лишь несколько дырок объединяются с электронами, а остальные дырки перемещаются в слой объемного заряда коллектора. В результате развивается базовый ток.

Обратное смещение используется для соединения области коллектор-база. Коллектор собирает или притягивает дырки, которые собираются вокруг обедненной области, когда они подвергались воздействию отрицательной полярности.В результате этого возникает коллекторный ток. Ток коллектора IC пропускает весь ток эмиттера.

Кривые и режимы работы транзисторов:

Режимы работы, используемые для переключения приложений, можно разделить на четыре категории в зависимости от смещения внутренних диодов транзистора. Области отсечки, активные области, области насыщения и пробоя — это разные режимы работы.

Активный режим:

Транзистор часто используется в качестве усилителя тока в этом режиме работы.Два диода транзистора смещены в противоположных направлениях, то есть один смещен в прямом направлении, а другой — в обратном. В этом режиме ток течет от эмиттера к коллектору.

Режим отсечки:

В этом режиме работы оба диода в транзисторе смещены в обратном направлении. Говорят, что транзистор находится в выключенном состоянии, потому что в этом режиме ток не течет ни в каком направлении.

Режим насыщения:

В этом режиме работы оба диода в транзисторах смещены в прямом направлении.В этом режиме ток свободно течет от коллектора к эмиттеру. Это происходит, когда напряжение на переходе база-эмиттер высокое. Состояние ON называется этим режимом.

Режим разбивки:

Когда напряжение коллектора превышает установленные пределы, диод коллектора разрушается, а ток коллектора резко возрастает до опасного уровня. В результате транзистор в области пробоя не должен работать. Например, в транзисторе 2N3904, если напряжение коллектора превышает 40В, сразу начинается область пробоя, что приводит к повреждению схемы транзистора.

приложений:

1. Цепи усиления используют их.
2. Во встроенных проектах транзисторы используются в качестве переключателя, а благодаря быстрому переключению они также используются для генерации ШИМ-сигналов.
Используются парные схемы
3. Darlington (многотранзисторная конфигурация).
4. В электродвигателях транзисторы PNP используются для управления потоком тока.
5. В схемах с согласованными парами PNP-транзисторы используются для генерирования спорной и одновременной мощности.

Преимущества транзистора PNP:

Ниже приведены некоторые преимущества транзисторов PNP:

1. Для источника тока используются PNP-транзисторы.
2. Поскольку он генерирует сигнал, относящийся к отрицательной шине питания, это упрощает конструкцию схемы.
3. По сравнению с транзисторами NPN они производят меньше шума.
4. Он меньше других транзисторов и может использоваться в интегральных схемах, как и другие.

Транзисторы – обзор | ScienceDirect Topics

Практические транзисторы

Транзистор — это мельчайший объект на маленьком кремниевом (реже германиевом) чипе. Чтобы было удобно обращаться с транзистором, его монтируют в корпус или запечатывают в пластиковый блок с тонкими проводами, соединяющими базу, эмиттер и коллектор с более толстыми клеммными проводами. На заглавной фотографии этой главы показаны типичные корпуса маломощных транзисторов. Это два стандартных корпуса, используемых для транзисторов JFET, MOSFET и BJT.

Варьируя количество легирования, метод легирования и геометрию областей, можно изготавливать транзисторы с различными характеристиками. Некоторые имеют гораздо более высокий коэффициент усиления, чем другие (до 800 раз), или могут быть пригодны для работы с большими токами. В типичных транзисторах общего назначения максимальный ток коллектора составляет всего несколько сотен миллиампер.

Силовые транзисторы рассчитаны на токи коллектора до 90 А. Мощный транзистор имеет прочную конструкцию с каналами с низким сопротивлением для минимизации падения напряжения на нем.Он также имеет прочную металлическую бирку или корпус для крепления к радиатору.

Транзисторы радиочастотные предназначены специально для работы на частотах в несколько сотен мегагерц, а некоторые и до 5 ГГц. На высоких частотах емкость между базой и эмиттером биполярного транзистора может уменьшать амплитуду сигнала, поэтому радиочастотные транзисторы предназначены для минимизации этого эффекта. Транзистор, предназначенный для работы на радиочастотах, может использоваться в цепях, отличных от радиопередатчиков и приемников.Многие другие виды устройств, такие как компьютеры, мобильные телефоны, цифровые камеры и проигрыватели компакт-дисков, работают на радиочастотах, и для них также требуются высокочастотные транзисторы. Такие устройства являются цифровыми, а не аналоговыми, и основная функция транзисторов — высокая скорость переключения. Как поясняется в следующей главе, затвор или база транзистора смещаются и готовы к действию, если его подключить через резистор к положительным линиям питания. При изготовлении нет проблем (и почти нет дополнительных затрат) поместить резисторы смещения на тот же чип, что и транзистор.Это упрощает компоновку печатной платы и снижает стоимость отдельных резисторов. Цифровые транзисторы с включенными резисторами часто используются для коммутации в цифровых схемах.

Большинство транзисторов доступны также в виде транзисторов для поверхностного монтажа . Типовая упаковка размером всего 3,0 мм × 1,5 мм показана вверху в центре фотографии на странице 166.

Цифровой транзистор ＜Понимание принципов работы цифровых транзисторов＞ | Основы электроники

Метод выбора

1) Соотношение IC/IB, необходимое для насыщения транзистора, составляет 20/1
2) Входной резистор R1: ±30%, резистор E-B R2: R2/R1=±20%
3) VBE: 0.от 55 В до 0,75 В

Уравнения, используемые для цифровых транзисторов

GI: Коэффициент усиления по постоянному току цифрового транзистора _R2 =V _BE /R2
Зависимость напряжения: Vin=V _R1 +V _BE

– Связь с током коллектора:

∴ Ic= hfe×((Vin-V _BE )/R1 )- (V _BE /R2 )) ・・・(1)
Значение Упомянутая здесь частота не достигает насыщения при VCE=5В/IC=1мА.
При использовании в качестве переключателя требуется соотношение тока для насыщения I _C /I _B = 20/1.
∴ Ic= 20×((Vin-V _BE )/R1 )- (V _BE /R2 ))・・・(2)
Замените hfe в (1) на 20/1.

Расчеты проводятся с учетом вариаций.
В уравнении (2) используются наихудшие значения для R1 (+30 % макс.), R2 (-20 % мин.) и V _BE (0,75 В макс.). Выберите R1 и R2 цифрового транзистора из приведенного ниже уравнения, чтобы превысить выходной ток Iomax.

∴ Iomax≦20((Vin-0,75)/(1,3XR1)-0,75/(1,04XR2))

Номер детали цифрового транзистора Пояснение

Разница между Ио и Ик

Ic: максимальный теоретический ток, который может протекать через транзистор
Io: максимальный ток, который можно использовать для цифрового транзистора

Примечания
Цифровые транзисторы серии DTA/C поддерживают ток 100 мА. Для этих продуктов Ic определяется как 100 мА.Подключение резисторов R1 и R2 делает его цифровым транзистором. Для работы Ic=100 мА требуется высокое входное напряжение Vin, чтобы обеспечить достаточный базовый ток IB.

Однако максимальное входное напряжение Vin(max) определяется допустимой мощностью (мощностью пакета) входного резистора R1, которая определяется по абсолютным максимальным номиналам. Следовательно, поскольку этот номинал может быть превышен, когда Ic=100 мА, Io определяется как значение тока, которое может протекать через цифровые транзисторы без превышения Vin(max).

Как вы, возможно, знаете, абсолютные максимальные рейтинги предусматривают, что 2 или более параметров не могут быть предоставлены одновременно, поэтому нет проблем с нотацией, использующей только Ic. Однако Io также может быть указан в соответствии с фактическими условиями использования.

Исходя из вышеизложенного, с учетом схемотехники, Io можно считать абсолютным максимальным рейтингом.

Разница между G

h _FE : Коэффициент усиления по постоянному току в транзисторах общего назначения
G _I : Коэффициент усиления по постоянному току в цифровых транзисторах

Примечания
GI и hFE представляют усиление постоянного тока в конфигурациях с общим эмиттером.Цифровые транзисторы — это обычные транзисторы, которые включают 2 внутренних резистора.

Здесь, поскольку коэффициент усиления постоянного тока = выходной ток/входной ток, коэффициент усиления не уменьшается входным резистором R1. Следовательно, для типов, в которые интегрирован только входной резистор R1, коэффициент усиления представлен hFE и будет эквивалентен hFE сконфигурированного транзистора.

Однако при подключении резистора (R2) между эмиттером и базой входной ток отводится от базы и безопасно направляется на эмиттер.В результате усиление уменьшается. Это значение представлено как GI.

Температурные характеристики цифрового транзистора

VBE, hFE, R1 и R1 будут различаться в зависимости от температуры окружающей среды.

hFE изменится на: 0,5%/°C (прибл.)
BE изменится примерно на -2 мВ/°C (в диапазоне от -1,8 до -2,4 мВ/°C)

R1 изменится в зависимости от графика ниже.

Выходное напряжение — характеристики выходного тока в слаботочной области

Выходные вольтамперные характеристики цифровых транзисторов измеряются следующим методом.

FДля DTC114EKA измерение выполняется с использованием Io/Ii=20/1
i=IB+IR2 от (IR2=VBE/10k=0,65 В/10k=65 мкА)
Если IB=Ii-IR2=Ii-65uA (если Ii становится менее 65 мкА) IB не будет течь, а Vo [VCE(sat)] увеличится. Если это произойдет, Vo не может быть измерен в области малых токов.

Если входной ток на базе слишком мал (например, он не может преодолеть 65 мкА в приведенном выше примере), то через базу не будет протекать ток, и, следовательно, транзистор никогда не будет проводить ток.Это вызовет рост выходного напряжения Vo (VCE(sat)] в области низкого тока

Операция переключения цифрового транзистора

Работа транзистора

Для работы NPN-транзистора напряжение подается, как показано на схеме 1. В этой схеме область база (B) — эмиттер (E) смещена в прямом направлении, что приводит к протеканию тока через базу. Другими словами, в основу впрыскиваются отверстия.

Когда это происходит, свободные электроны в эмиттере (Е) притягиваются к базе.Однако, поскольку базовая область очень узкая, свободные электроны проходят через базовую область к коллектору из-за смещения напряжения от коллектора. Из-за этого ток течет от коллектора к эмиттеру.

Операция переключения

Работа транзистора состоит как из усиления, так и из переключения. Во время усиления протекает ток Ic, эквивалентный hFE, умноженному на базовый ток. Выходным током в активной области можно управлять, регулируя входной ток.

Операция переключения обеспечивает условия насыщения во включенном состоянии (наименьшее возможное напряжение коллектор-эмиттер). В этой области насыщения имеется избыточное количество отверстий, которые затем выходят через базовый вывод из базовой области. Коллекторный ток течет до тех пор, пока все плюсовые отверстия не выйдут из базовой области. Время, необходимое для этого, называется tstg (время выключения). Чем быстрее отверстия выходят из базовой области, тем короче время выключения.

В цифровых транзисторах R1 и R2 действуют последовательно как путь выхода отверстий из области базы, когда транзистор выключен.R2 следует сделать как можно меньше (при заданном фиксированном R1), чтобы минимизировать время выключения.

Терминология цифровых транзисторов

• В _I (on)min: Минимальное входное напряжение ON
  Прямое напряжение Vo между контактами OUT и GND — минимальное входное напряжение, необходимое для протекания выходного тока (Io). Или минимальное входное напряжение, необходимое для включения цифрового транзистора.
  Таким образом, поскольку для переключения с ВКЛ на ВЫКЛ требуется напряжение ниже этого минимального входного напряжения, значение для реальных продуктов будет меньше этого значения.
• V _I (off)max: максимальное входное напряжение OFF
  Максимальное входное напряжение между контактами IN и GND при подаче напряжения питания Vcc и выходного тока Io между контактами OUT и GND. Другими словами, это максимальное входное напряжение, при котором будет поддерживаться состояние ВЫКЛ.
  Однако, поскольку при переключении транзистора из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ требуется большее напряжение, значение для реальных продуктов будет выше.
• В _O (вкл.): Выходное напряжение
  Напряжение на выходной клемме при любых входных условиях, не превышающих максимальные номинальные значения.Состояние, при котором переходы IN/OUT смещены в прямом направлении, а выходное напряжение уменьшается, когда достаточный входной ток протекает через схему усиления GND. Измеряется как целая доля Ii (обычно 10-20) в Vo, Io.
• I _I (макс.): Максимальный входной ток
  Максимально допустимый входной ток, который может непрерывно протекать на контакт IN (при подаче прямого напряжения Vi между контактами IN и GND.
• G _I ：Коэффициент постоянного тока
  Отношение Io/Ii указано в Vo, Io.
• R1: Входное сопротивление
  Сопротивление, подключенное между клеммой IN и базой транзистора, с допустимым диапазоном ±30%. Это значение будет меняться в зависимости от температуры.
• R2/R1: Сопротивление
  Отношение внутреннего резистора база-эмиттер к входному резистору.

с реле без ардуино.Если все это звучит интересно, вы можете попробовать

фаза 90 шт.Термины указателя — Эффекты корпусов и печатных плат (PCB), фазовый сдвиг