- имеет самое большое входное сопротивление (сотни кОм и выше), т.к. действует глубокая ООС на эмиттерном резисторе, повышающая входное сопротивление, что является достоинством схемы;

- имеет самое низкое выходное сопротивление (десятки Ом), в сущности, преобразует высокое входное сопротивление в низкое, поэтому схему иногда называют “трансформатором сопротивлений”– достоинство схемы;

-усиливает по току в 10-100 раз, но не усиливает по напряжению вследствие наличия ООС, поэтому схему называют эмиттерным повторителем, усиление по напряжению близко к единице (меньше), коэффициент усиления по мощности на порядок меньше чем в схеме с ОЭ и примерно равен ОБ;

-схема не инвертирует входной сигнал (стрелки в одном направлении);

-схема имеет высокую стабильность, в том числе и термостабильность. На практике наиболее часто применяют ключи схемы с ОЭ, несмотря на их

недостаток – низкую стабильность, реже применяют ОК и почти не применяют ОБ. Более того, в связи с тем, что носители 2-х типов проводимости (электроны и дырки) управляются током, но не напряжением, усилительные цепи и каскады сложнее в сравнении с каскадами на униполярных транзисторах, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) и IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

1.3.2Характеристики биполярных транзисторов в ключевых режимах

Известны два основных режима работы транзистора – в активной и ключевой областях. Активная область не относится к предмету данного курса, тем не менее следует привести напоминание о ней. Вначале строится семейство выходных характеристик, изображенное на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 – Семейство выходных характеристик

20

Затем выделяют рабочую область: слева проводят прямую, которая отсекает
существенную кривизну характеристик, справа проводят прямую – допустимую
границу напряжения UДОП . Снизу прямая –			базовая линия при	наибольшей
температуре для закрытого транзистора. Верхняя линия – допустимая величина
тока IДОП . Справа и сверху – гипербола рассеяния.
В активном режиме работать можно внутри области, за исключением
ключевого режима, когда прямая слева не проводится, а границей является линия
насыщения.
Откладываем на горизонтальной оси напряжение питания E0 ,				как показано
на рисунке 1.17. Цифра E0 должна быть у разработчика, или же принимается в
процессе проектирования. Во всяком случае,			она должна быть меньше UДОП , а
насколько меньше, зависит от конкретных условий, например, от величины
коэффициента запаса, цифру которого принимает разработчик схемы. Потом
проводим нагрузочную прямую,	которая всегда проходит через точку E0 . Здесь
возможны три случая :
1-й случай (в том числе и для ключевого режима) – когда разработчик
желает получить больший выходной размах по напряжению и экономию по
мощности, при этом прямая, проводимая через E0 , располагается ближе к
горизонтали. На рисунке 1.17 это прямая, обозначенная цифрой				.
2-й случай – при желании получить наибольшее усиление по мощности.
Проводят среднее положение, при этом проекции на горизонтальную и
вертикальную оси максимальны (прямая		.
насыщение		3
Iк			вертикаль
			Граничная базовая характеристика
2			Iбгр.
1			отсечка
I			Iб=-Iкo
			E0	Uк
насыщение	U
Рисунок 1.17 – Варианты наклона нагрузочных прямых

21

3-й случай – если необходимо получить большее усиление по току и минимум по напряжению – то ближе к вертикали (прямая ).

RН = UI – является первым расчётным элементом в схеме и определяет

необходимую величину сопротивления нагрузки RН . Для активного режима любые перемещения переменной процесса усиления должны располагаться внутри рабочей области.

Теперь анализируем ключевой режим. Примем среднее положение нагрузочной прямой.

Насыщение характеризуется точкой пересечения нагрузочной прямой и линии насыщения (открытое состояние ключа), эквивалентно замкнутому контакту контактного ключа.

Известны три способа расчета тока базы для этого режима:

1 Наиболее точный: из справочника перерисовывается семейство характеристик, проводится нагрузочная прямая, определяется точка насыщения (графически). Первая базовая линия, проходящая от начала координат через эту точку и делающая сразу поворот в активную область, называется граничной базовой характеристикой Iбгр. Базовый ток, который необходимо образовать в базовой цепи ключа:

Iб1 = k Iбгр. ,

где k- коэффициент запаса, принимается от 1,2 до нескольких тысяч (практически до 2), выбирается разработчиками. Чем больше k, тем выше быстродействие ключа в момент включения, потому что форсируется фронт импульса. Но чем больше k, тем дольше выключается ключ. В среднем, при k равном 3 ÷4 единицы время рассасывания примерно в 10 раз больше в сравнении со временем включения, тем не менее в экспериментальных образцах, лабораторных, производственных условиях k может достигать нескольких тысяч, но в течение очень короткого времени (форсируемое включение).

2 Если в справочниках по транзисторам нет семейства выходных характеристик, то вырисовывают их приближенным образом (см. рисунок 1.18). Для этого проводят горизонтальную и вертикальную оси координат, откладывают допустимые напряжения и токи (эти цифры всегда есть в справочниках), самостоятельно производят цифровую разбивку по горизонтальной и вертикальной осям, затем откладывают точку насыщения – это цифра, которая показывает напряжение U КЭ открытого насыщенного транзистора

при наибольшем справочном токе (обычно есть в справочнике, если нет, то примерно 2 В). Через начало координат и эту точку проводят прямую – линию насыщения. Проводят ряд горизонтальных линий напротив отметок вертикальной оси и оцифровывают их значениями вертикальной оси, деленными на десять. Это приближённые базовые линии, эквивалентны точным выходным характеристикам. Получаем приближённое семейство характеристик, которое используем вместо справочного.

22

1010

810

610

410

210

Рисунок 1.18 – Приближенное семейство характеристик

Построение справедливо для несоставных транзисторов (рисунок 1.19, а), при этом деление на 10 соответствует приближенному соотношению между коллекторным и базовым токами в режиме насыщения, принятому в электронике. Для сдвоенных составных транзисторов, изображенных на рисунке 1.19, б, деление надо делать на 100, для строенных – на 1000.

a)б)

Рисунок 1.19, а, б – Несоставной и составной транзисторы соответственно

3 Если можно обойтись без семейства характеристик, то в инженерных расчётах ток нагрузки делят на 10. Полученная цифра является током базы ключа для данной нагрузки в режиме насыщения.

В общем случае, при изменении нагрузки следует изменять и базовый ток. Для этого надо применять специальные электронные схемы, отслеживающие величину коллекторного тока транзистора и синхронно регулирующие базовый ток.

На рисунках 1.17, 1.18 и 1.20, а изображены неточные выходные характеристики биполярного транзистора. Неточность в том, что начинаются они при Iк=0 и Uк=0. Тем не менее, в литературе они изображаются именно такими, с целью упрощения. В действительности выходные характеристики имеют вид рисунков 1.20, б для прямого включения в схеме ОЭ и 1.20, в для инверсного включения, т. е. не проходят через начало координат.

Из сопоставления рисунков 1.20, а, б, в можно сделать выводы:

23

а)

б)

Ik, мА

Ik, мА

0,2 мА

Iб

3

0,1 мА

2

1

Uk

0,1

20 40 60 80

Uk,мВ

0,2

U остаточное

в)

г)

Ik, мА

Ik, мА

3

Iб2

0,2

2

Iб1

0,1

1

Iб=0

Uост

Iост

Iб=-Iko

-20

20 40 60 80 Uk,мВ

Uост

Uk,мВ

-1

Рисунок 1.20, а, б, в, г – Семейства выходных характеристик

а) привычное изображение семейства выходных характеристик является неточным (рисунок 1.20, а).

б) действительное изображение показывает, что в первом квадранте транзистор хорошо управляется, но линия насыщения проходит не через начало координат, а в плюсовой области (от 10 до 50 мВ). Напряжение, соответствующее точке пересечения линии насыщения с горизонтальной осью, называется остаточным параметром Uост. В третьем квадранте сохраняются транзисторные свойства, несмотря на обратное напряжение, но управляется прибор на порядок хуже

(рисунок 1.20, б).

в) инверсный режим, когда управление происходит по переходу Б-К, а эмиттерный переход выполняет роль коллектора (рисунок 1.20, в). Здесь остаточный параметр Uост в отрицательной области и на порядок меньше. Это ненормальный режим для транзистора. Используется в случаях, когда необходим меньший остаточный параметр, а вид управления не важен.

г) более подробное изображение семейства выходных характеристик приведено на рисунке 1.20, г. Из этого рисунка следует, что при Iб=0 и Uк=0, Iк=0,

24

U нас

характеристика проходит через начало координат. Также, если Iб= –Iко, транзистор закрыт (заперт), через коллекторный переход протекает ток Iко, называемый остаточным параметром Iост (второй остаточный параметр). Точка, соответствующая закрытому состоянию транзистора, располагается на нагрузочной прямой вблизи напряжения питания E0 на рисунке 1.17 названа отсечкой. Окрестности этой точки описываются входными характеристиками, показанными на рисунке 1.21.

Рисунок 1.21 – Характеристики биполярного транзистора в точке отсечки

Uбо – биполярный транзистор закрывается при обратной полярности

напряжения на базовом электроде (0,1 – 0,2 В). Слева транзистор закрыт, токи его электродов почти неизменны ( Iко , Iбо , Iэо ). При нарастании напряжения на базовом

электроде вначале Iб становится нулевым ( Iб = 0 ), а область от начала координат до Iб = 0 называется областью условного закрытого состояния транзистора. Например, если в схеме под напряжением разомкнуть базовую цепь, то это будет Iб = 0 , но коллекторный ток достигает величины Iко (1+β) . Из этого следует, что при пайке

под напряжением первым припаивается базовый электрод (отпаивается последним). Если припаять базовый электрод первым, то ток Iко в цепи базы (штриховая линия

рисунка 1.21) смещается влево, уменьшается опасность перегрузки транзистора при нагреве паяльником.

Интервал между точками насыщения и отсечки в ключевом режиме преодолевается скачком с возможно максимальной скоростью, затем ключ остается либо в отсечке, либо в насыщении.

Основной недостаток биполярного ключа: при нагреве напряжение

убывает. Из-за этого, если соединить параллельно в мощной схеме, то у одних из них, в сравнении с другими, напряжение убывает быстрее, они перегружаются по току, выгорают. Чтобы предотвратить это явление, последовательно в коллекторную цепь устанавливают выравнивающие резисторы (десятые доли Ом). Недостаток – на них расходуется дополнительная мощность.

25