Перед тем как начать важное напоминание: вы должны помнить что PNP и NPN транзисторы отличаются только направлением тока - общий принцип их работы одинаков. Примеры описанные ниже, используют NPN транзистор, который мы часто используем. Все, это касается и PNP транзисторов, но вы не хотите смешивать слишком много в вашей голове и я не дают аналогичные схемы для PNP транзисторов. Если вы рисуете примерную схему на транзисторе NPN, эта же схема строиться на PNP транзисторе, только изменяется полярность источника питания (И возможно полярность диодов и других компонентов). К этой интересной теме, я возможно, вернусь в будущем.
А теперь мы начинаем изучать цепь коллектора.
Опять на рисунке 25 вы можете увидеть эквивалентную цепь NPN транзистора.
Я надеюсь, что вы до сих пор помните, что такое источник тока: элемент, который производит (а транзистор здесь подходит) ток заданного значения. Напряжение источника тока не указывается – оно зависит от сопротивления нагрузки. В транзисторе значение тока источника, другими словами ток коллектора зависит от тока базы. Это важная информация для нас, ток коллектора в β-раз выше, чем в ток базы.
IC = β × IB
А сейчас давайте предположим для простоты, что значение текущего коэффициента β усиления для данного транзистора является постоянным (Что не совсем верно, но это уже другая тема).
На рисунке 26 вы найдете простую схему на транзисторе. Смотрите, здесь начинается чистейшая практика! Мы будем использовать не только модели и формулы, но настоящие расчеты токов и напряжений. Нас пока не волнует от, куда берется ток базы. Помните, что резистор R1 является нагрузкой транзистора. Привыкните к мысли, что цепь коллектора рассматривается как источник тока. Если это так, напряжение на коллекторе будет определять ток коллектора и нагрузки, которые создают падение напряжения на R1. На рисунке 26 напряжение на коллекторе обозначено Uс (Между землей и коллектором), и падение напряжения на резисторе R1.
Сейчас я ни чего не знаю об этом напряжении, и ни чего не знаю о токе коллектора.
Предположим, что через базу ток не течет. Это состояние называется состоянием транзистора закрытия или отсечки. Мы говорим, что транзистор не проводят (ток), он заблокирован. В этом случае также в цепи коллектора ток не течет (IC = β × 0).
Стоп! Наверни-ка, в школе вам грозили двойкой за нулевой ток, так как всегда есть движение электронов. Таким образом, при отсутствии тока база, в коллекторе все равно есть хоть маленький, но ток. Но называется нулевым током коллектора и обозначается Ice0. Теперь будьте осторожны – хотя в теоретических соображениях нулевой ток имеет большое значение, на практике, это может быть безопасно опущено предположив, что он имеет незначительное значение. Нулевой токов имеет существенное значения (порядка микроампер и более) только в старых германиевых транзисторах. Сегодня маломощные кремниевые транзисторы, наиболее часто используемые в наших схемах имеют нулевой ток порядка единиц нано ампер. В настоящее время вы можете спокойно пропустить только потому, что даже высокоомный резистор номиналом 1M при токе 10nA (0,01 мкА) вызывает падение напряжения только 10 мВ.
А как насчет значений тока ICE0 (и ICB0) приведенных в каталогах? Для транзисторов очень большой мощности в каталогах приводится значения нулевого тока до 1 мА! Получается, что уже при нулевом токе можно ожидать перегрузку мощного транзистора? Вовсе нет! Во-первых, этот параметр измеряется при неподключенной базе. Когда база транзистора замкнута на эмиттер, да же через резистор (что часто бывает в практических схемах), то этот ток будет меньше. Во-вторых, ток измеряется при максимальном для этого транзистора напряжения на коллекторе. В подавляющем большинстве случаев транзисторы работают под меньшим напряжением. В-третьих в каталогах приводиться наихудшее значение, а типичное для этого транзистора меньше.
Опять же, небольшой остаточный ток коллектора транзистора можете спокойно опустить, в то время как в транзисторе высокой мощности этот ток может оказать существенное значение только когда транзистор горячий.
Что бы у вас не было заблуждений я предлагаю вам выполнить небольшое задание: соберите схему на рисунке 27 и проверьте ток коллектора транзистора, особенно мощные, как при открытом и замкнутом ключе S. Подключенный последовательно резистор предотвратит выход прибора из строя, если транзистор будет пробит. Конечно, прибор должен быть самым чувствительным, вы можете успешно использовать цифровой мультиметр с пределом тока (DC), равным 2 мА.
Может нагревать транзистор до температуры 100 ... 150 ° C, даже паяльником (Но будьте осторожны - помните, что паяльник имеет температуру свыше 300 ° C).
Вы увидите сами, что нулевой ток маломощных транзисторов действительно незначителен, и вы можете забыть о нем.
Если так, то вернемся к рисунку 26. Что будет если измерить напряжение коллектора транзистора при закрытом состоянии?
Ток через транзистор практически не течет… Таким образом, падение напряжение на резисторе R1 равна нулю (UR1 =Ic x R1). Если это так, то при закрытом транзисторе напряжение не его коллекторе равно напряжению питания. Можно сказать, что все напряжение находиться на силовом транзисторе.
На данный момент, я могу сказать вам, напряжение, как правило, в нашей схеме в 9 .. 15В. Тем не менее, в некоторых схемах, (например, в усилителях мощности звуковой частоты) используются источники питания намного большего напряжения, до сотни и более вольт. Вы должны помнить, что каждый транзистор имеет указанное изготовителем, максимальное напряжение коллектора. В каталоге вы найдете его в качестве параметра Uce0, или как Uces.
У всех транзисторов напряжение Uce0 не менее 25 .. 30 В, поэтому при напряжении питания до 24V даже не нужно, проверять его в каталоге.
Чем угрожает превышение напряжения Uce0? Превышение его на 10 .. 20% не представляет ничего, опасного немного увеличивается нулевой ток коллектора, увеличение напряжения больше, приводят к непоправимому повреждению транзистора. В настоящее время, высоковольтные транзисторы очень распространены, и вы можете легко купить транзисторы с напряжением 100 .. 1500, и нет никаких уважительных причин, превышать напряжение Uсе0 указанное в каталоге.
Существует или нет такая необходимость, возможно, вы знаете, как соединить несколько низковольтных транзисторов в «транзистор» высокого напряжения. Такие схемы можно найти в старых книгах - забудьте о них.
Не используйте высоковольтные транзисторы в цепях с низким напряжением питания - транзисторы могут работать при низком напряжении коллектора, но некоторые параметры будут гораздо хуже, чем у типичных маломощных транзисторов.
В нашей практике наиболее широко используемые сегодня транзисторы BC547 и BC548 (NPN) BC557 и BC558 и (PNP). BC547 и BC557 имеют напряжение UCE0 равное 45В, BC548 и BC558 25В.
Двигаемся дальше. Предположим теперь, что базовый ток транзистора в схеме рисунок 26 равен 10uA. Как видно из рисунка, Транзистор имеет усиление 100, поэтому ток коллектора будет: IC = 10 мкА = 100 × 1000μA = 1 мА
Ток, протекающий через резистор R1, вызывает падение напряжения равное: UR1 = 1 мА 1К = 0,001 × × 1000Ω = 1В.
Таким образом, напряжение на коллекторе, измеренное по отношению к земле (минус питания), это разность напряжение батареи питания и падение напряжения на резисторе R1 будет: UC = 10 В - 1В = 9В.
Теперь, если наш базовый ток транзистора увеличится до 60μA, ток коллектора возрастет до 6 мА, Напряжение на резисторе R1 увеличится до 6В, Uc и напряжение на коллекторе будет 4V. Увеличение базового тока будет уменьшать напряжение на коллекторе.
Даже здесь можно увидеть, что транзистор изменил направление: увеличение базового тока (и соответствующее увеличение напряжения база-эмиттер) вызывает падение напряжения на коллекторе. Помните: транзистор, работая по схеме на рисунке 26, меняет направление изменения фазы. Другими словами "транзистор инвертирует фазу" такое вы встретите очень часто. Мы вернемся к этому. На данный момент, мы рассмотрим, что происходит при увеличении тока база еще больше.
При токе базы 90μA ток коллектора 100 * IC = 90μA = 9000μA = 9 мА и напряжение на коллекторе UC = 10 - (9 мА * 1K) = 1В И что происходит, когда база данных будет 100мкА тока (0,1 мА)? Теоретически, напряжение на коллекторе будет равна нулю: UC = 10 - (100 * 0,1 мА * 1K) = 0V.
Таким образом, транзистор полностью открыт, и весь блок питания работает на нагрузку.
А если увеличить ток базы, до 1мА?
Может ли ток коллектора увеличиться до 1 мА × 100 = 100 мА?
О, нет, не увеличится, потому что максимальный ток коллектора определяется нагрузкой. Максимальный ток коллектора не превысит значение, которого составляет Uzas/R1
Так что же происходит, когда вы пытаетесь увеличить базовый ток 1мА?
Если вы говорите, что в этих условиях невозможно увеличить базовый ток до 1 мА, потому что он "не уместиться в базе», вы попали в точку. Ток базовой цепи можно свободно увеличить – на рисунке 25 это показано. Но это немного преувеличено, потому что переход B-E в очень тонкий и чрезмерное увеличение тока базы может, привести к повреждению перехода. Таким образом, в каталогах дается максимальное значение Ibmax тока базы, который не повредить транзистор. Но не паникуйте - даже для маломощных транзисторов (BC548, BC107, и т.д.) приемлемый ток базы не менее 20 мА.
Я спрашиваю вас еще раз, чем грозит увеличение тока базы до 1 мА, на рисунке 26?
Конечно, ни чем не грозит! Похоже, что это пустая трата сил, поскольку увеличение базового тока выше 0,1 мА ни чего в нашей схеме не изменит.
Запомните раз и навсегда, что такое состояние, когда транзистор находится в полностью открытом положении и напряжение на коллекторе является минимально возможным, называется состояние насыщения транзистора. Мы говорим, что транзистор насыщен.
Вы уже знаете, два состояния транзистора: отсечки и насыщения. В этих режимах работы все логично - транзистор в них либо полностью закрыт, либо полностью открыты.
Транзистор используется в качестве выключателя. Но эти режимы транзистора используются только в микросхемах цифровой логики, а схемы, построенные на отдельных транзисторах, как правило, работают в линейном режиме, который является чем то средним между двумя этими состояниями. Изменение тока базы производит пропорциональные изменения напряжения и тока коллектора.
Работа в линейном режиме часто используется для усиления, и требует более широкого рассмотрения. А сейчас мы возвращаемся к состоянию насыщения.
Транзистор в насыщении имеет напряжение на коллекторе в точности равное нулю? Означает ли термин "полностью открытый", что коллектор-эмиттер можно рассматривать как нулевое сопротивление - перемычку?
Здесь мы познакомимся с еще одним реальным свойством транзистора, о котором нельзя догадаться по упрощенной схеме замещения на рисунке 25. В реальном биполярном транзисторе напряжение коллектора никогда не падает до нуля. Даже при увеличении тока базы, до максимально допустимого значения, напряжение на коллекторе не будет равно нулю. В состоянии насыщения на коллекторе будет низкое напряжение, называемое напряжением насыщения, обозначается Ucesat (от SAT – насыщение). Низкое напряжение? А какое?
Не существует четкого ответа, можно только сказать, что это не «чистая закоротка». Для маломощных транзисторов при токах коллектора (с использованием ограничивающего резистора R1) порядка единиц мА, напряжение будет несколько десятков милливольт. При более высоких токах, напряжение на коллекторе будет несколько сотен милливольт. Оно будет немного больше для высоковольтных транзисторов (до 1В) и меньше для мощных транзисторов.
Напряжение насыщения зависит не только от тока коллектора, но и от тока базы. Если базовый ток как можно низкий, но все же достаточно что бы ввести транзистор в насыщение, мы говорим о небольшом насыщении. При токе базы гораздо больше, чем требуемый минимум, мы говорим о глубоком насыщении.
Я предлагаю вам практическое занятие собрать схемы по рисункам 28а и 28b и проверить, какое напряжение насыщения будет в разных условиях. Полученные результаты запишите себе в блокнот. Это упражнение выполняется только один раз в жизни, и то в будущем вы всегда можете посмотреть в блокноте и проверить напряжение в сложной схеме.
А теперь мы подходим к вопросу как транзистор, усиливает напряжение.
На рисунке 29а изображена зависимость напряжения на коллекторе от тока коллектора. Рисунок относится к транзистору, работающему по схеме на рисунке 26. Нет ни каких сомнений – увеличение тока коллектора уменьшает напряжение на коллекторе. Кроме того, на рисунке 29б, показана зависимость напряжения на коллекторе в зависимости от тока базы (коэффициент усиления равен 100).
Красивая характеристика, не правда? Довольны ли вы, что здесь линейная зависимость?
Если она всегда линейная, это обещает работу без искажений усиления переменного напряжения.
Но не стоит впадать в эйфорию – примечание это зависимость выходного напряжения от входного тока!
А как будет выглядеть зависимость напряжения коллектора от напряжения базы? Только сейчас вы сможете найти ответ на вопрос: как транзистор усиливает напряжение. На рисунке 30 показана, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер. На основании рисунков 30 и 29б можно получить зависимость напряжения Uc от напряжения Ube.
Сделано это на рисунке 31.
Для напряжения на базе менее 0,5 V, ток не течет через базу и коллектор, поэтому напряжение на коллекторе равно напряжению питания. Увеличим напряжение базы, ток коллектора будет увеличиваться, а напряжение на коллекторе будет уменьшаться. Например точка А на рисунке 29а соответствует току базы 1 мкА эта же точка отмечена на рисунке 31. Аналогично точка Б, и т.д. Когда напряжение на коллекторе 9 В (ток коллектора 1 мА) напряжение на базе при токе базы 10 мкА должно быть около 540mV. Кроме того, вы можете выбрать следующую точку.
Кстати часто мы сталкиваемся с понятием рабочая точка. Рисунки 29 и 31 помогут вам понять, что это такое. Рабочая точка транзистора это напряжение и ток которые, есть в схеме в данный момент времени. На наших рисунках есть несколько точек. Например, скажем, что при увеличении напряжения на базе, рабочая точка транзистора перемещается из точки А в точку F. Это так называемая линейная часть. Точку А, где транзистор начинает проводит ток, называют порогом отсечки. Так же можно сказать, что точки H и I ниже порога отсечки. В то время как точка G граница насыщения транзистора.
В результате характеристика на рисунке 31 может напугать каждого. В то время как усиление - отношение выходного напряжения к входному (представлено на рисунке 31, наклон линии между точками А и F) очень большое, а напряжение на коллекторе изменяется не линейно! Во-вторых, изменение напряжения на коллекторе происходить только в пределах узкого диапазона напряжения в пределах 0,5 ... 0,6 В.
Подумайте, каким будет напряжение на коллекторе, если на базу подать переменное напряжение. Для примера можно посмотреть на рисунок 32. Как вы можете видеть, транзистор имеет высокий коэффициент усиления, при усилении переменных сигналов, слабый усиливаемый сигнал накладывается на напряжение рабочей точке, таким образом, что бы он всегда был в линейной части характеристики.
В общем, если транзистор работает как усилитель переменного напряжения. При этом на вход подается переменный сигнал. Но даже если он находиться в пределах «линейной характеристики», он все равно будет искажен, за счет ее не линейности. Невеселая ситуация.
В любом случае, если транзистор предназначен для усиления переменного сигнала. Необходимо добавить схему смещения базы (напряжения и тока базы).
Рисунок 33 показывает два возможных решения схемы смещения - часто встречается в учебниках. Но будьте осторожны – это очень плохие решения и рисунок 33 можно зачеркнуть красным фломастером, чтобы не приходило в голову, попытаться использовать на практике один из этих монстров.
Почему это неправильные решения? И почему мы так часто встречаем их в радиолюбительской литературе и учебниках?
Отвечу только на первый вопрос, на второй ответьте самостоятельно.
На выходе, то есть коллектора транзистора на рис 33 (и 26), который имеет коэффициент усиления тока 100, напряжение должно быть равно половине напряжения питания, которые устанавливают рабочую точку покоя (приблизительно) в середине рабочего линейного диапазона ток базы должен быть 50мкА. Сопротивление резистора R2 в схеме, показанной на рис 33а, может быть вычислено:
R2 = (10V – 0,6V) / 50μA = 0.188MΩ =188kΩ
или использовать потенциометр, который позволяет установить требуемое напряжение на коллекторе в естественных условиях.
Что будет если измениться питающее напряжение (сядет батарея)? Или вышел из строя транзистор и его нужно заменить другим с другим коэффициентом усиления. Например, нет транзисторов с коэффициентом усиления 100, а только 250?
Как вы видите, такие решения не практичны.
Подобное и с рисунком 33 б. Предположим, что напряжение питания стабилизировано. Не вдаваясь в подробности как. Вы можете выбрать соотношение резисторов делителя, для напряжения смещения на базе что бы получить на коллекторе половину напряжения питания.
Все в порядке!
А что, если при работе транзистор будет, нагревается? Помните, что происходит при нагреве из предыдущей части. При том же напряжение на базе будет увеличиваться и увеличится ток коллектора, уменьшаться напряжение на коллекторе.
При обсуждении рисунке 33б мы не принимали во внимание следующие соображения о токе - часть тока, протекающего через резистор R2, будет течь в цепь базы, а не через резистор R3. Вы учли этот факт, подбирая резисторы для делителя?
Главный недостаток обеих схем на рисунке 33 также большая нелинейность. Потому возникнут искажения характерные как на рисунках 32 и 33. Высокое значение коэффициента усиления также не рекомендуется.
Как вы можете видеть на рисунке 33 не лучшие решения? В состоянии покоя положение рабочей точки зависит от температуры и от разного коэффициента β для разных экземпляров транзистора одного типа. Эти недостатки лишают практической полезности таких схем.
Хорошо продуманная схема усилителя на транзисторах, прежде всего, должна быть со стабильными параметрами независимо от коэффициента усиления по току транзистора. Должна быть линейной, что бы не искажать усиливаемый сигнал. И иметь очень большой коэффициент усиления, коэффициент усиления напряжения должен быть регулируемым и не зависеть от коэффициента усиления по току. И все это нужно достичь с причудливой нелинейной характеристикой. Для этого существует простой способ, о котором я расскажу позже.
Продолжение в следующем номере EDW.
Главная 
