Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E₁ и E₂. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном - обратное (рис. 2). Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E₂ составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками - электроны, красные - дырки, большие кружки - положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов.

Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода u_б-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усление электрических колебаний с помощью транзистора. Рассмотрим физические процессы.

При увеличении прямого входного напряжения u_б-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невилика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы. Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается.

Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E₁ и E₂.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией. Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя, т. е. тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного.

При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы. Это явление называется модуляцией толщины базы. Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый "прокол" базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И на последок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот

4. 5. 6 Схема включения транзистора с общей базой

Схема ОБ изображена на рисунке 2.

Рис. 2 - Схема включения транзистора с общей базой

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы: : I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:

при u_к-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ

особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора. Достоинствами схемы являются стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы(коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды. Недостатками схемы являются малое входное сопротивление и отсутствие усиления по току.

• Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

3. Коэффициент передачи по напряжению:

.

(3.5)

Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим (десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки и входным сопротивлением.

4. Коэффициент передачи по мощности:

.

(3.6)

Для реальных схем коэффициент передачи по мощности равняется десятки – сотни единиц.

7. 8. 9. Схема с общим эмиттером.

В этой схеме, (рис. 3.6), по-прежнему источник входного сигнала включен в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу, а источник питания включен в обратном направлении по отношению к коллекторному переходу, и в прямом по отношению к эмиттерному. Под действием источника входного сигнала в базовой цепи протекает ток ; происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую; часть из них под действием поля коллекторного перехода перебрасывается в коллекторную область, образуя, таким образом, ток в цепи коллектора , который протекает под действием источника питания через эмиттер и базу. Поэтому:

.

(3.7)

Рис. 3.6. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Входным током является ток базы , а выходным – ток коллектора . Выходным напряжением является падение напряжения на сопротивлении нагрузки . Основные параметры, характеризующие эту схему включения определим из выражений:

1. Коэффициент усиления по току :

,

(3.8)

поделив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на ток эмиттера , получим:

.

(3.9)

Из (3.9) видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току достаточно большой, так как – величина, близкая к единице, и составляет десятки – сотни единиц.

2. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:

,

(3.10)

поделив в этом выражении числитель и знаменатель на ток эмиттера , получим:

.

(3.11)

Отсюда следует, что: , т. е. по этому параметру схема с общим эмиттером значительно превосходит схему с общей базой. Для схемы с общим эмиттером входное сопротивление лежит в диапазоне сотни – единицы .

3. Коэффициент передачи по напряжению:

.

(3.12)

Подставляя сюда из (3.10), получим:

,

(3.13)

т. е. коэффициент передачи по напряжению в этой схеме точно такой же, как и в схеме с общей базой – и составляет десятки – сотни единиц.

4. Коэффициент передачи по мощности:

.

(3.14)

Что значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни – десятки тысяч единиц).

. 10.11.12 Схема с общим коллектором

Исходя из принятых отличительных признаков схема включения транзистора с общим коллектором должна иметь вид (рис. 3.7). Однако в этом случае транзистор оказывается в инверсном включении, что нежелательно из-за ряда особенностей, отмеченных выше. Поэтому в схеме (рис. 3.7, а) просто механически меняют местами выводы эмиттера и коллектора и получают нормальное включение транзистора (рис. 3.7, б). В этой схеме сопротивление нагрузки включено во входную цепь; входным током является ток базы ; выходным током является ток эмиттера .

Основные параметры этой схемы следующие:

1. Коэффициент усиления по току:

.

(3.15)

Рис. 3.7. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Поделив числитель и знаменатель этой дроби на ток эмиттера , получим:

,

(3.16)

т. е. коэффициент передачи по току в схеме с общим коллектором почти такой же, как в схеме с общим эмиттером:

.

3. Коэффициент усиления по напряжению:

.

(3.19)

Преобразуем это выражение с учетом выражений (3.16) и (3.18):

.

(3.20)

Поскольку представляет собой очень малую величину, то можно считать, что , т. е. усиления по напряжению в этой схеме нет.

4. Коэффициент усиления по мощности:

,

(3.21)

на практике он составляет десятки – сотни единиц.

Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во-первых, нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а во-вторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине ( ) и по фазе.

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности из всех схем.

Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные свойства.

Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала.

13. Однополупериодный выпрямитель.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

U2 - Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

Коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя вычисляем E=π/ 2=1,57

14. Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

U2 - Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора(или одну со средней точкой).

Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль.Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше. Коэффициент пульсаций для двухполупериодного выпрямителя равенЕ=2/3= 0,67

Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали

15. Фильтры. Емкостной электрический фильтр

Сглаживающий фильтр – электрическая цепь, позволяющая уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Основной характеристикой фильтра является коэффициент сглаживания пульсаций S, представляющий собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра P_вх к коэффициенту пульсаций на выходе P_вых

S = P_вх / P_{вых .}

Различают емкостные, индуктивные и емкостно-индуктивные фильтры.

Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключенного к нагрузке. Напряжение на вентиле U_в равно разности напряжений источника питания U и на конденсаторе U_c

U_в = U – U_c.

Ток через вентиль проходит только тогда, когда U – U_c > 0. Поэтому с момента t', в котором U – U_c = 0, конденсатор начнет заряжаться и через вентиль будет проходить зарядный ток i_с и ток нагрузки i_н:

i_в = i_с + i_н.

Заряд конденсатора прекратится в момент t'', когда U – U_c = 0. С этого времени напряжение U становится меньше, чем U_c, и конденсатор начнет разряжаться на нагрузку R_н. При этом напряжение на конденсаторе уменьшается по закону

Uc = Uco e ^{- 1/RC} ,

где U_C0 – напряжение на конденсаторе при запирании вентиля в момент t''; RC – постоянная времени RC-цепочки.

При RC >> T напряжение U_c уменьшается медленно и его величина до следующего открытия вентиля изменяется незначительно. За это время разрядный ток конденсатора (он же ток нагрузки) также изменяется мало. В следующий полупериод процесс повторяется и т.д. Напряжение на нагрузке U_н = U_c выравнивается так же, как и ток в нагрузке

I_н = U_н / R_н.

В течение отрицательного полупериода напряжение источника питания суммируется с напряжением нагрузки, поэтому максимальное обратное напряжение диода равно U.

16. Индуктивный фильтр

(рис. а) представляет собой реактивную катушку (дроссель) с индуктивностью L (индуктивное сопротивление x_L = 6,28fL) и активным сопротивлением R_ф. Катушка включается последовательно с сопротивлением нагрузки R_н. Фильтр работает эффективно в цепях с большим током, если выполняются условия 6,28fmL >> R_н и R_ф << R_н. В этом случае постоянная составляющая напряжения на входных зажимах фильтра мало отличается от постоянной составляющей напряжения на выходе, так как

U_овх / U_овых = I_o (R_ф + R_н) / I_oR_н = R_н / R_н = 1.

Для большего сглаживания применяются многозвенные фильтры