Методические указания Томск 2007 удк 621. 38 (стр. 4 из 9)

;

.

Рисунок 3

При исследовании биполярного транзистора в усилительном режиме следует уяснить, что это управляемый нелинейный элемент, у которого изменение входного тока (базы) приводит к изменениям выходного тока (коллектора или эмиттера). Кроме того, биполярный транзистор является усилительным элементом, т.е. мощность, выделяемая в выходной цепи существенно больше мощности во входной цепи. Это происходит за счет энергии источников питания.

2.2. Биполярный транзистор в режиме ключа

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных и цифровых устройств. Главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме - замыкание и размыкание цепи, его усилительные свойства в этом режиме отсутствуют. Разомкнутому состоянию ключа соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), а замкнутому - режим насыщения (транзистор открыт).

Ключевой каскад содержит источник питающего напряжения, нагрузочный (в простейшем случае резистор R) и ключевые элементы. При одном состоянии ключевого элемента ток в цепи нагрузки минимален, при другом принимает максимальное значение. Электронный ключ можно считать известной аналогией механического ключа (рисунок 4).

Рисунок 4. Рисунок 5.

Ключ К замыкается и размыкается под действием внешней силы Р. Сопротивление идеального ключа в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом - бесконечности, то есть его вольт-амперная характеристика (ВАХ) совпадает с осями координат (рисунок 5). В действительности даже механический ключ (рубильник, выключатель) является неидеальным. Он имеет сопротивление r во включенном и конечное сопротивление утечки R в выключенном состоянии. ВАХ такого ключа уже не совпадает с осями координат, а имеет угол наклона к осям (рисунок 6). Существенным отличием электронных ключей является смещение их ВАХ относительно начала координат на величину I_Р и U_З соответственно, где I_Р - ток разомкнутого ключа (остаточный ток), а U_З падение напряжения (остаточное напряжение) в замкнутом состоянии ключа (рисунок 7).

Рисунок 6 Рисунок 7

Принципиальная схема транзисторного ключа ОЭ изображена на рисунке 8. Здесь входной управляющий сигнал E_Б, задающий базовый ток транзистора, играет ту же роль, что и сила P в схеме на рисунке 4, а сам транзистор VТ1 играет роль ключевого элемента К. Управляемой является коллекторная цепь с источником питания Е_К и нагрузкой в виде R_К. Транзистор n-p-n - типа включен по схеме с общим эмиттером. При действии отрицательного сигнала транзистор запирается, а при действии положительного может входить в режим насыщения, если оба перехода транзистора будут находиться в прямом включении.

Рисунок 8

На выходной характеристике транзистора (рисунок 9) запертое состояние транзистора (режим отсечки) отмечен зоной РО, а режим насыщения зоной РН. Между ними находится зона усилительного режима.

Рисунок 9

Рассмотрим сначала режим отсечки транзистора в схеме простейшего ТК (рисунок 8). В этом режиме оба перехода смещены в обратном направлении и, как уже отмечалось ранее, для его запертого состояния необходимо подать отрицательный сигнал. Мы получим режим глубокой отсечки.

Эквивалентная схема ТК для данного режима представлена на рисунке 10. Ток транзистора (как входной, так и выходной) мал и равен I_Ко. Этот ток является остаточным током и протекает от источника E_К через сопротивление R_К, коллекторный переход запертого транзистора, сопротивление R_Б к источнику сигнала E_Б. Протекание через нагрузку теплового тока I_Ко связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R_К от источника питания.

Условие запирания транзистора в этой схеме имеет вид U_БЭ£0. Из рисунка 10 видно:

U_БЭ = E_Б - I_Ко R_Б £ 0 (из второго закона Кирхгофа),

отсюда

R_Б

E_Б / I_{Ко max},

т.к. условие U_БЭ £0 должно выполняться на максимальной температуре, когда I_Ко = I _{Ко max}.

Рисунок 10

Это условие надежного запирания транзистора. Используя схему замещения (рисунок 10), можно найти токи транзистора и напряжения:

I_Б = - I_К0; U _БЭ = - E_Б + I_К0 R_Б;

I_К = I_К0; U _КЭ = E_К - I_К0 R_К;

I _Э = 0.

Как видно из рисунка 9, режим глубокой отсечки отображен рабочей точкой 1 на характеристиках транзистора. Режим отсечки сохраняется также, когда U_БЭ = 0 и заканчивается в рабочей точке 2, когда при изменении полярности Е_Б на обратную (Е_Б > 0), U_БЭ>0, но I_Б = 0. Далее транзистор входит в усилительный режим и по мере увеличения E_Б получаются все большие токи I_Б1, I_Б3, I_Б4. Эти токи обуславливают координаты рабочих точек усилительного режима в семействах характеристик транзисторов.

На выходных характеристиках транзистора нанесена также зависимость I_Э » I_К =

. Пересечение данной входной характеристики с нагрузочной прямой (точка 3) показывает, что при I_Б5 значения U_КЭ и U_БЭ равны. Последнее означает, что коллекторный переход открывается при увеличении I_Б по сравнению с I_Б5, т.е. транзистор входит в режим насыщения. Таким образом, I_Б5=I_БН, а условием формирования РН является I_Б ³ I_БН.

В точке 3 при токе базы I_б5, напряжения U_КЭ и U_БЭ становятся равными U_КН; инжекция коллектора начинает препятствовать дальнейшему увеличению коллекторного тока и этот ток остается далее практически неизменным. Такой максимальный ток коллектора называют током насыщения и обозначают I_КН.

Как видно из рисунка 8:

I_КН = (E_К - U_КН)/R_К,

где U_КН - остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии. Остаточное напряжение U_КН, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с E_К расчет тока I_КН открытого транзистора проводится по формуле:

I_КН = E_К / R_К.

Эквивалентная схема каскада в режиме насыщения показана на рисунке 11.

Рисунок 11

Для нее принято допущение – падение напряжения на переходах транзистора практически равны 0, т.е. транзистор стянут в точку. Так как условием насыщения является неравенство

I_Б ³ I_БН. = I_КН / b, а I_Б = Е_К / R_Б, I_КН = Е_К / R_К,

то можно получить

и .

3. Порядок выполнения работы

3.1. Снятие вольт-амперных характеристик транзистора

1. Соберите схему (рисунок 12) для снятия входных ВАХ транзистора. Получение зависимостей

проводите для двух режимов:

- U_КЭ = 0, тогда используйте перемычку (16-33) и

- U_КЭ = +5 В, тогда используйте перемычку (17-28), (29-73), мультиметр М-832 подключите к гнездам 16 и 33.

Значение U_КЭ = +5 В не превышать! Максимальный ток базы не должен быть больше 100 мкА. Поэтому перед включением источника питания ручки потенциометров источника питания должны быть в крайнем левом положении.

Экспериментальные данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1

IБ, мкА	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	Примечание
UБЭ, В	UКЭ=0
UКЭ, В	UКЭ=+5 В

2. Переберите входную цепь по схеме (рисунок 13) и снимите часть входной характеристики

. Убедитесь, что I_Б=0 при U_БЭ>0.

Экспериментальные данные занесите в таблицу 2.

Таблица 2

IБ, мкА	0	1	2	3	4	5	6	7	8	Примечание
UБЭ, В	UКЭ = +5 В