Вопрос 1. Работа транзистора в ключевом режиме.

 

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод - база как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

 Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. 1 - Входная характеристика транзистора

 

 Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

β ≥ Iк/Iб

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер - бетта» может достигать 1000 и более раз.

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 1.2.

 

Рисунок 1.2 - Ключевой каскад.

 

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, - обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база - эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

    Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

     Назначение этого резистора - надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

   Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить - просто замкнули вход всего каскада на «землю».

    Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

 

Вопрос 2. Транзисторный переключатель. Назначение, принципы построения и работы.

 

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 2.3. Эта схема, которая с помощью небольшого управляющего тока может создавать в другой схеме ток значительно большей величины, называется транзис­торным переключателем. Когда контакт переключателя разомкнут, ток базы от­сутствует. Значит, как следует из правила 4, отсутствует и ток коллектора. Лампа не горит. Когда переключатель замкнут, напря­жение на базе составляет 0,6 В (диод база-эмиттер открыт). Падение напряже­ния на резисторе базы составляет 9,4 В, следовательно, ток базы равен 9,4 мА. Если, не подумав, воспользоваться пра­вилом 4, то можно получить неправильный результат: 1_К — 940 мА (для типичного значения  = 100). В чем же ошибка? Дело в том, что правило 4 действует лишь в том случае, если соблюдено правило 1, если ток коллектора достиг 100 мА, то падение напряжения на лампе составляет 10 В. Для того чтобы ток был еще боль­ше, нужно чтобы потенциал коллектора был меньше потенциала земли. Но тран­зистор не может перейти в такое состоя­ние. Когда потенциал коллектора- приближается к потенциалу земли, тран­зистор переходи! в режим насыщения (типичные значения напряжения насыще­ния лежат в диапазоне 0,05-0,2 В, см. приложение Ж) и изменение потенциала коллектора прекращается. В нашем слу­чае лампа загорается, когда падение напряжения на ней составляет 10 В.

 

Рисунок 2.1 - Пример транзисторного переключателя.

 

Если на базу подается избыточный сиг­нал (мы использовали ток 9,4 мА, хотя достаточно было бы иметь 1,0 мА), то схема не тратит этот избыток; в нашем случае это очень выгодно, так как через лампу протекает большой ток, когда она находится в холодном состоянии (сопро­тивление лампы в холодном состоянии в 5-10 раз меньше чем при протекании рабочего тока) Кроме того, при неболь­ших напряжениях между коллектором и базой уменьшается коэффициент , а зна­чит, для того чтобы перевести транзистор в режим насыщения, нужен дополнительный ток базы. Иногда к базе подключают резистор (с сопротив­лением, например, 10 кОм), для того что­бы при разомкнутом переключателе по­тенциал базы наверняка был равен потен­циалу земли. Этот резистор не влияет на работу схе­мы при замкнутом переключателе, так как через него протекает лишь малая доля тока (0,06 мА).

При разработке транзисторных пере­ключателей вам пригодятся следующие рекомендации:

1. Сопротивление резистора в цепи базы лучше брать поменьше, тогда избыточ­ный базовый ток будет больше. Эта ре­комендация особенно полезна для схем, управляющих включением ламп; так как при низком значении U_кэ уменьшается и коэффициент . О ней следует помнить и при разработке быстродействующих переключателей, так как на очень высоких частотах (порядка мегагерц) проявляются емкостные эффекты и уменьшается значе­ние коэффициента . Для увеличения быстродействия к базовому резистору параллельно подключают конденсатор.

 

Рисунок 2.2 - При подключении индуктивной нагрузки следует всегда подключить подавляющий диод.

 

2. Если потенциал нагрузки по какой- либо причине меньше потенциала земли (например, если на нагрузке действует напряжение переменного тока или она индуктивна), то параллельно коллектор­ному переходу следует подключить диод (можно также использовать диод, вклю­ченный в обратном направлении по от­ношению к положительному потенциалу питания), тогда цепь коллектор-база не будет проводить ток при отрицательном напряжении на нагрузке.

3. При использовании индуктивных нагрузок транзистор следует предохра­нять с помощью диода, подключенного к нагрузке, как показано на рис. 2.2. Если переключатель разомкнут, то в отсутст­вие диода на коллекторе будет действо­вать большое положительное напряже­ние, скорее всего превышающее значение напряжения пробоя для цепи коллектор-эмиттер Это связано с тем, что индук­тивность стремится сохранить ток вклю­ченного состояния протекающий от ис­точника U_кк к коллектору (вспомните свойство индуктивностей).

Транзисторные переключатели позволяют производить переключение очень быстрое. Время переключения измеряется обычно долями микросекунд. С их по­мощью можно переключать несколько схем одним управляющим сигналом. Еще одно достоинство транзисторных пере­ключателей состоит в том, что они дают возможность производить дистанционное «холодное» переключение, при котором на переключатели поступают только уп­равляющие сигналы постоянного тока (Если «гонять» сами переключаемые мощные сигналы, то при передаче их по кабелям могут возникать емкостные выбросы, а сигналы могут сильно ослабляться).

 

    Лекция 11. Усилитель с общим эмиттером (Занятие 1.2.4 ).

 

 

Вопросы:

1.Усилитель с общим эмиттером. Назначение, принципы построения и работы.

2. Обратная связь по постоянному току в усилителе с общим эмиттером.

 

Вопрос 1. Усилитель с общим эмиттером. Назначение, принципы построения и работы.

 

Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор (рис. 1.1). Напряжение на коллекторе равно

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллек­торе будет изменяться. Рассмотрим при­мер, представленный на рис. 1.2. Кон­денсатор С выбран так, что фильтр высо­ких частот, образованный этим конденса­тором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы, про­пускает все нужные частоты (резисторы в цепи базы обычно выбирают так, чтобы импеданс со стороны базы, т. е. входное сопротивление транзистора, был гораздо больше и им можно было пренебречь).

Рисунок 1.1 - Усилитель с общим эмиттером

Рисунок 1.2 - Усилитель с общим эмиттером с ООС в цепи эмиттера.

Иначе говоря,

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1,0 кОм ток покоя коллектора составляет 1,0 мА. Этот ток создает на коллекторе напряжение +10 В (+20 В минус падение напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1,0 мА). Допустим теперь, что на базу подан сигнал U_Б. Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе U_э - U_Би вызывает изменение эмиттерного тока:

и приблизительно такое же изменение коллекторного тока (транзистор имеет большой коэффициент h_21Э). Итак, первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

Получается, что схема представляет собой усилитель напряжения, коэффициент усиления которого определяется следующим образом:

В нашем примере коэффициент усиления равен —10000/1000, или —10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал на входе дает на выходе отрицательный сигнал (амплитуда которого в 10 раз больше, чем на входе). Такая схема называется усилителем с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.