Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы. Устройство и способы включения бипролярного транзистора. Определение напряжения источников питания. Расчёт коллекторной цепи транзисторов оконечного каскада и параметров цепей смещения.
Биполярным транзистором называется электронный прибор с двумя взаимодействующими p-n -переходами и тремя или более выводами. P-n-переходы образуются тремя близко расположенными областями с чередующимися типами электропроводности: p-n-p или n-p-n . Такие транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Примерный вид структуры и обозначения на схемах биполярных транзисторов представлены на рис.3.1,а. Жирной чертой показаны невыпрямляющие контакты выводов; на рис.3.1,б даны обозначения n-p-n транзистора и p-n-p транзистора.
Рис. 3.1
Большинство биполярных транзисторов изготавливается на основе кремния. Чаще используется структура n-p-n , так как в этом случае основными носителями являются электроны, а они более подвижны чем дырки. Ниже будут рассматриваться в основном биполярные транзисторы типа n-p-n, однако выводы в основном справедливы и для биполярных транзисторов типа p-n-р , с той лишь разницей, что прямое и обратное напряжение у них имеют противоположный знак по сравнению с n-p-n .
Несмотря на кажущуюся симметрию структуры биполярного транзистора по отношению к базе, p - n -переходы его несимметричны. Область эмиттера имеет более высокую концентрацию основных носителей по сравнению с коллектором. Часто область эмиттера обозначают с плюсом: n - эмиттер, n - коллектор, подчеркивая тем самым более высокую концентрацию электронов в эмиттере. Эмиттер выполняет роль поставщика основных носителей заряда к коллектору. Изза большой концентрации электронов эмиттер имеет высокую проводимость (или малое объемное сопротивление). База является более высокоомной областью по сравнению с эмиттером. Основных носителей в ней - дырок - здесь мало. Однако дырки являются неосновными носителями в областях эмиттера и коллектора.
К эмиттерно-базовому переходу обычно прикладывается относительно небольшое прямое напряжение. Поэтому мощность, рассеиваемая в области эмиттера, сравнительно невелика, коллекторный переход находится обычно под достаточно большим обратным напряжением, что приводит к большой мощности, рассеиваемой в нем. Поэтому этот коллекторный переход имеет гораздо большую площадь по сравнению с эмиттером. По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные.
Рабочей областью транзистора является так называемая активная область кристалла, расположенная непосредственно под эмиттерным переходом. Необходимое взаимодействие между переходами обеспечивается малой толщиной базы, которая у современных транзисторов меньше диффузионной длины L и не превышает нескольких микрометров. При этом ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. База транзистора может быть легирована неравномерно и равномерно по своему объему. В базе с неравномерным распределением атомов примеси (неоднородная база) образуется внутреннее электрическое поле, приводящее к дрейфу носителей заряда и ускорению движения носителей через базу. В однородной базе движение носителей связано только с диффузией. Поэтому первый тип транзисторов называют дрейфовыми, а второй - бездрейфовыми. Дрейфовые транзисторы более быстродействующие.
Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы
В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах транзистора различают следующие режимы его работы: а) активный режим - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход - обратное;
б) режим отсечки - на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт);
в) режим насыщения - на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт);
г) инверсный активный режим - напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном - прямое.
Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в усилителях. Инверсное включение используется редко, например, в схемах двунаправленных переключателей, при этом транзисторы должны иметь симметричные свойства в обоих направлениях. В режиме отсечки оба перехода заперты, через них проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению переходов. В первом приближении можно считать, что все токи равны нулю, а между выводами транзистора имеет место разрыв (см.рис.3.2,а).
Рис. 3.2
В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток. В первом приближении можно считать все выводы закороченными. Говорят, что транзистор «стягивается в точку».
Более сложная картина токов в транзисторе наблюдается при разных полярностях напряжений на переходах, т.е. в активном режиме. Рис. 3.3 иллюстрирует принцип работы транзистора в активном режиме.
Здесь показаны области p - n -переходов и потоки электронов и дырок в результате взаимодействия переходов в активном режиме.
Рис. 3.3
Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток, обусловленный движением основных носителей заряда (в данном случае - электронов). Электроны пролетают через p-n-переход и инжектируются (впрыскиваются) в область базы; при этом дырки из области базы проходят через переход в эмиттер (для них p-n-переход также смещен в прямом направлении). Но поскольку эмиттер имеет большую концентрацию примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока дырок из базы в эмиттер. Именно электронный поток и является главным действующим лицом в транзисторе типа n -p-n (аналогично дырки - в транзисторе типа p-n-р).
Изза диффузии и дрейфа (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся в сторону коллекторного перехода, стремясь равномерно распределиться в толще базы. Так как база имеет очень малую толщину и малое число дырок, большинство разогнавшихся еще в эмиттере электронов не успевает рекомбинировать в базе, они достигают коллекторного p-n-перехода, где для них, как для неосновных носителей в области базы, обратное напряжение перехода не является барьером, и уже в коллекторе электроны попадают под притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во внешней цепи коллекторный ток ІК . В результате рекомбинации части электронов с дырками базы образуется ток базы ІБ, направленный в противоположную от коллектора сторону, и коллекторный ток оказывается несколько меньше эмиттерного. Через коллектор также течет обратный ток неосновных носителей - дырок, вызванный обратным смещением коллекторного перехода.
Способы включения бипролярного транзистора
Биполярный транзистор, как управляемый прибор с тремя выводами, может быть описан двумя семействами вольтамперных характеристик (ВАХ): семейством входных ВАХ и семейством выходных ВАХ. Вид их определяется способом включения в схему транзистора, а именно: какой из трех выводов является общим с источниками питания и нагрузки.
Входными ВАХ транзистора являются зависимости входного тока транзистора от входного напряжения при заданном постоянном напряжении на выходе:
выходными ВАХ являются зависимости выходного тока от выходного напряжения при заданном постоянном входном токе (или, реже, напряжении): .
Возможны три схемы включения (по числу выводов) биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис.3.4. представлены эти схемы включения транзистора вместе с полярностью источников питания, причем указанная полярность обеспечивает активный режим. Напряжения обычно отсчитываются относительно общего вывода транзистора.
Рис. 3.4.
В справочниках обычно даются семейства ВАХ транзисторов, включенных по схеме ОБ или ОЭ. Однако основные необходимые параметры транзистора можно рассчитать для остальных схем включения, зная их для какой-либо одной.
Отметим, что включение транзистора, например, отличным от ОБ способом, не отражает никаких новых физических эффектов в транзисторе. Кроме того, при расчетах схем с транзисторами на компьютерах с помощью моделирующих программ чаще всего вообще никак не учитывается способ включения. Программы используют математические модели транзистора, являющиеся едиными для всех схем включения. Однако, анализ характеристик и параметров различных схем включения часто облегчает понимание принципа работы схемы и получение некоторых предварительных результатов.
Расчета усилителя мощности типа ПП2.
Дано: РН = 15Вт; RH = 8Ом; UBX = 2…2,5 В; диапазон рабочих частот f = 40 Гц…16 КГЦ, режим работы - в классе В.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
В эмиттерной цепи транзисторов оконечного каскада (VT7, VT8) включены стабилизирующие резисторы R12= R13.
C учетом этих резисторов напряжение одного источника питания (или суммы двух источников E = US1 US2 при двуполярном питании) в режиме работы усилителя в классе В равно: (1.1)
= 34 В где ? = 0,95-коэффициент использования напряжения источника питания, Обычно принимают: R12 = R13 = 0,05RH (1.2)
R12 = R13 = 0,05•8=0.ЧОМ
6
Окончательно принимаем стандартные значения напряжений US1 = US2 из ряда: 9; 12; 15; 20; 24; 30; 36 В. Принимаем US1 = US2=20 В.
Амплитудное и действующее значения напряжения на нагрузке: UH m = US1 / (1,1…1,2) UH m = 20/ 1,1=18.1 В (2.1)
UH = UH m / v2 UH = 18.1 / v2=12.8 (2.2)
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером
UKЭ max ? Е UKЭ max ? 34 В (2.3)
Максимальный ток коллектора
IK8 max = UH m / RH IK8 max = 18.1 / 8=2.3 А (2.4)
Постоянная составляющая тока коллектора
(2.5)
Мощность, потребляемая от источника питания
(2.6)
Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора
(2.7)
Для оконечного каскада выбираются транзисторы, с паспортными параметрами [8,9, 15], превышающими расчетные:: РК max ПАСП > РК8 max; IK max ПАСП > IK8 max ; UKЭ max ПАСП > UKЭ max
Выполнив данные условия принимаем транзистор КТ 817Б паспортные параметры которого равны: РК max ПАСП = 25Вт; IK max ПАСП =3А; UKЭ max ПАСП = 45 B;UБЭ =5В. Дополнительные необходимые параметры транзистора h21E = 25, ток базы отсечки Іб0=0.6 MA.
ІБ= ІК / h21E
124MA
0.6MA
Ток коллекторов транзисторов VT7 и VT8 в режиме покоя: ; (2.8)
Токи базы оконечных транзисторов
, (2.9) где, h21 E - паспортное значение динамического коэффициента усиления выбранных транзисторов по току.
РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ТРАНЗИСТОРОВ VT5 И VT6
Наибольший ток коллектора (рис.2)
ІК5 max = IK6 max = ІБ7 max =124МА. (3.1)
Наибольшая рассеиваемая на коллекторе мощность: ,= 20 •0.037=0.75Вт (3.2) где: ІБ7 СР = IK5 СР = ІБ7 max /? = 0.124/3.14=0.037 A (3.3)
Наибольшее напряжение: =20 18.1=38.1B (3.4)
Выбираем (комплементарные пары транзисторов),следующих типов: КТ 807А (n-p-n), КТ216А (p-n-p) с параметрами: =10Вт =0.75Вт
= 100В =60В
= 0.5А = 10MA h21E = 20 h21E=20
=4 В =30 В
Максимальный ток базы транзисторов VT5 и VT6
ІБ5 max = IK5 max / h21E ІБ5 max = 0.5 / 20 =0.025 A (3.5)
Исходя из сказанного ниже по закону Ома UR7 = 0.6 В.
Задаваясь током = (0,2…0,5) МА и принимая R7 = 3 КОМ, получим R6 , в качестве которого выбираем подстроечный резистор с сопротивлением, большим расчетного, принимаем подстроечный резистор СП5 - 35А.
Выбираем резистор R7 по ряду Е24
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ВЫБОРА ТРАНЗИСТОРА VT3
Наибольший ток коллектора транзистора VT3: (5.1)
Наибольшая мощность, рассеиваемая на коллекторе
(5.2)
0.79 Вт
Напряжение
UКЭ max = (US1 UCM/2) UКЭ max = (20 19.1/2)=29.55 В (5.3)
Выбираем транзистор типа, КТ911В, со следующими паспортными параметры: , , , , 20.
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ВЫБОРА ТРАНЗИСТОРА VT4.
Наибольший ток коллектора транзистора VT4
IK6 max =124MA; h21E =20.
ІБ6 max = IK6 max / h21E =124/20=6.2MA.
(6.1)
Наибольшая мощность, рассеиваемая на коллекторе: (6.2)
Выбираем транзистор, например, КТ3102Д с паспортными параметрами: , , , , 200.
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
=3*0.025=0.075A Расчет резисторов R8, R9
(7.1)
Om
=210 Ом
- Выбираем резисторы по ряду Е24.
(7.2)
Выбираем конденсаторы по ряду Е24, типа К10-47 А с номинальным напряжением 100В.
Подходящими для дифференциальной ступени (VT1, VT2) являются транзисторы с большим коэффициентом усиления (например, КТ3102Д). Параметры транзисторов: , , , , 200.
При этом ток базы
ІБ1 = IK1 max/h21E ІБ1 = 100/200=0.5MA (8.1)
Напряжение на базах транзисторов VT1, VT2
UБ1 = UБ2 = - R1* ІБ1 (8.2)
R1=4 Ом
Выбираем резистор R1 по ряду Е24
ІБ3 = IK3 max/h21E = 0.075/20=3.8 MA (8.3)
РАСЧЕТ ОСТАВШИХСЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ СХЕМЫ
Сопротивления резисторов R2, и R3: R2 = UБЭ 3 / (IK1 - ІБ3) R2 = 3 / (4 -3.8 ) = 15 Om (8.4)
Выбираем резистор R2 по ряду Е24
R3 = (UБ1 - UБЭ 1 - US2) / (IK1 IK2) . (8.5)
R3 = (2 - 0.7 20) / (0.1 0.1) = 100 Ом.
Выбираем резистор R3 по ряду Е24
, где k-коэффициент усиления предпоследней ступени.
=10 Ом (8.6)
Вибираем резистор R5 =50Ом по ряду Е24
Вибираем резистор R4 по ряду Е24
Определение емкости конденсаторов
, отсюда
Используя формулу , где и находим
(9.1)
Выбираем конденсаторы по ряду Е24, типа К10-47 А с номинальным напряжением 100В.
, где отсюда
(9.2)
=2.8 МКФ
Выбираем конденсаторы по ряду Е24, типа К50-16 с номинальным напряжением 50В.
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ТИПА ПП2
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ТИПА ПП2
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Обозначение Наименование Кол Примеч.
Резисторы
R1 1
R2 1
R3 1
R4 1
R5 1
R6 СП5-35А 1
R7 1
R8 1
R9 1
R10
R11
R12
R13
КОНДЕНСАТОРЫ
С1 К10-47 А 1
С2 К50-16 1
С3 К10-47 А 1
ТРАНЗИСТОРЫ
VT1 КТ3102Д 1 n-p-n
VT2 КТ3102Д 1 n-p-n
VT3 КТ911В 1 n-p-n
VT4 КТ3102Д 1 n-p-n
VT5 КТ807А 1 n-p-n
VT6 КТ216А 1 p-n-p
VT7 КТ817Б 1 n-p-n
VT8 КТ817Б 1 n-p-n
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Скаржепа В.А. ,Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. ч.1.Электронные устройства информационной автоматики: Учебник/ Под общ. ред. А.А. ЩАКРАСНОПРОШИНОЙ.-К.: Ви шк., 1989.-431 с.
Гусев В.Г. , Гусев Ю.М. Электроника.Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш.шк., 1991.-622 с.
Алексенко А.Г. , Шагурин И.И. Микросхемотехника.-М.: Радио исвязь, 1990.-496с.
Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов.-М.: Высш.шк.,1982.-496 с.
Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника / Под ред. В.А. Лабунцова.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-320 с.
Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.- К.: Вища шк., 1985.-400 с.
Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций.- СПБ.6 КОРОНА принт, 1998.- 400 с.
Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Г.С.Найвельт, К.Б.Мазель, Ч.И.Хусаинов и др., Под ред.Г.С.Найвельта.-М.: Радио и связь, 1985.- 576 c.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство.- М.: 1983.
Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник.- М.: Радио и связь, 1990,-304 с.
Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств: Учеб. Пособие.- М.: Высш. шк. 1989, -223 с.
Александров К.К., Кузьмина Е.Т. Электротехнические чертежи и схемы.- М.:Энергоатомиздат, 1990.- 288 с.
Партала О.Н. Радиокомпоненты и материалы: Справочник.-К.: Радіоаматор, М.: КУБК-а, 1998, -720 с.
Бирюков С.А. Применение интегральных микросхем серии ТТЛ.-М.: «Патриот», МП «Символ-Р», Радио,1992.-120 с.
Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах .- М.: Радио и связь, 1996.-196 с.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
