2. Транзисторы

Транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, используемый как усилитель и электронный ключ в различных схемах генерации и преобразования импульсных и синусоидальных сигналов. По используемому полупроводниковому материалу транзисторы подразделяются на германиевые и кремниевые. Электроды транзисторов имеют наименование «эмиттер», «коллектор» и «база». Транзисторы различаются между собой по структуре: существуют транзисторы типа n-p-n и транзисторы типа p-n-p. Условные графические обозначения транзисторов и токи, протекающие через транзисторы показаны на рис. 5. Для облегчения запоминания, какое условное графическое обозначение соответствует какому типу транзистора, достаточно усвоить, что направление стрелки соответствует направлению базового тока открытого транзистора.

Рис. 5. Условные графические обозначения транзисторов.

Важнейшим свойством транзистора является то, что током, протекающим в цепи коллектор-эмиттер транзистора можно управлять, воздействуя на величину тока, протекающего в цепи база-эмиттер. Рассмотрим принцип работы транзистора типа p-n-p (рис. 6 а).

Допустим, что в коллекторной цепи транзистора присутствует некоторое сопротивление R_к (так называемое, коллекторное сопротивление). В качестве этого сопротивления в реальных схемах может выступать резистор, обмотка трансформатора или электромагнитного реле, другая транзисторная схема и т.п.

Если потенциал базы транзистора будет установлен выше потенциала эмиттера (обычно это обеспечивается за счет наличия источника напряжения смещения), в цепи коллектора и базы будет протекать очень незначительный ток, называемый обратным током коллектора. При анализе работы схем его обычно не учитывают и считают, что ток коллектора отсутствует. В таком случае принято говорить, что транзистор заперт или находится в режиме отсечки. Падение напряжения на R_к будет близким к нулю и потенциал коллектора транзистора можно считать равным потенциалу положительного полюса источника питания коллекторной цепи. Следует отметить, что режим отсечки обеспечивается и при наличии строгого равенства потенциалов базы и эмиттера.

Если потенциал базы установить ниже потенциала эмиттера на несколько десятых долей вольта, через переход база-эмиттер начнет протекать базовый ток (I_б)_. Переход база-эмиттер ведет себя в этом случае подобно диоду, смещенному в прямом направлении, падение напряжения на нем мало зависит от базового тока и обычно имеет величину менее одного вольта. Появление базового тока приводит к возникновению тока в коллекторной цепи (I_к). Через вывод эмиттера в этом случае протекает, так называемый, эмиттерный ток, который является суммой коллекторного и базового тока. При увеличении базового тока коллекторный ток также будет увеличиваться, а значит, будет возрастать падение напряжения на R_к, и уменьшаться напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, вследствие чего потенциал коллектора будет повышаться. В этом случае говорят, что транзистор открыт и работает в режиме линейного усиления. Коллекторный ток в режиме линейного усиления связан с базовым током следующим соотношением:

I_к = h_21э I_б,

где h_21э – коэффициент усиления по току.

Численное значение коэффициента усиления по току находится в пределах от десятков до сотен, в зависимости от типа транзистора. Таким образом, относительно слабый ток, подаваемый в базовую цепь, будет управлять значительно более сильным током в коллекторной цепи, т.е. транзистор можно рассматривать как усилитель тока.

Принципиальное различие в работе германиевых и кремниевых транзисторов состоит в том, при какой величине напряжения база-эмиттер начинает протекать базовый ток и осуществляется переход транзистора из режима отсечки в режим линейного усиления. Для германиевых транзисторов это напряжение близко к нулю, для кремниевых транзисторов оно составляет 0,2В. Указанная особенность кремниевых транзисторов позволяет строить схемы без использования напряжения смещения, так как для надежного запирания таких транзисторов не требуется обеспечивать на базе более высокий потенциал, чем на эмиттере.

При определенной величине базового тока падение напряжения на R_к становится близким к величине напряжения источника питания коллекторной цепи, а величина напряжения между коллектором и эмиттером транзистора снижается до десятых долей вольта. В этом режиме ток коллектора будет ограничен сопротивлением R_к и дальнейшее увеличение базового тока уже не будет приводить к росту тока коллектора. Потенциал коллектора станет близким к потенциалу эмиттера. В этом случае принято говорить, что транзистор открыт и находится в режиме насыщения. Иногда, для большей наглядности, транзистор, находящийся в режиме насыщения обозначают на принципиальной схеме заштрихованным.

Транзисторы n-p-n – типа работаю аналогично (рис 6 б). Отличие состоит в том, что полярности напряжений источников питания, направления токов и соотношения величин потенциалов меняются на противоположные. К коллектору транзистора n-p-n – типа подключается положительный полюс источника питания, к эмиттеру - отрицательный. В режиме отсечки потенциал базы n-p-n – транзистора должен устанавливаться ниже потенциала эмиттера (или, при использовании кремниевых транзисторов, быть близким к потенциалу эмиттера), а в режимах линейного усиления и насыщения потенциал базы должен быть выше потенциала эмиттера. Очевидно, что при открытии транзистора и увеличении коллекторного тока потенциал коллектора n-p-n – транзистора будет вести себя противоположно потенциалу коллектора p-n-p – транзистора, т.е. будет понижаться.

Большинство схем, в которых действуют импульсные сигналы, рассчитываются таким образом, чтобы в процессе работы транзисторы переходили из режима отсечки в режим насыщения, или наоборот. В этом случае принято говорить, что транзисторы работают в ключевом режиме.

Рис. 6. Режимы работы транзистора.

На основании вышесказанного можно сформулировать ряд простейших правил, определяющих работу транзисторов. Эти правила целесообразно принять за основу при анализе изучаемых систем телемеханики.

p-n-p - транзисторы:

1. для надежного запирания транзистора на его базе должен быть обеспечен более высокий потенциал, чем на эмиттере (для кремниевых транзисторов потенциал базы может быть и ниже потенциала эмиттера, но не более чем на 0,2В)

2. для обеспечения режима линейного усиления потенциал базы должен быть ниже потенциала эмиттера и должен обеспечиваться базовый ток такой величины, чтобы падение напряжения на коллекторном сопротивлении, вызванное протеканием коллекторного тока, было больше нуля, но существенно меньше напряжения источника питания.

3. для обеспечения режима насыщения потенциал базы должен быть ниже потенциала эмиттера и базовый ток должен быть больше той величины, при которой обеспечивается максимальное приближение напряжения на коллекторном сопротивлении к напряжению источника питания.

n-p-n - транзисторы:

1. для надежного запирания транзистора на его базе должен быть обеспечен более низкий потенциал, чем на эмиттере (для кремниевых транзисторов потенциал базы может быть и выше потенциала эмиттера, но не более чем на 0,2В)

2. для обеспечения режима линейного усиления потенциал базы должен быть выше потенциала эмиттера и должен обеспечиваться базовый ток такой величины, чтобы падение напряжения на коллекторном сопротивлении, вызванное протеканием коллекторного тока, было больше нуля, но существенно меньше напряжения источника питания.

3. для обеспечения режима насыщения потенциал базы должен быть выше потенциала эмиттера и базовый ток должен быть больше той величины, при которой обеспечивается максимальное приближение напряжения на коллекторном сопротивлении к напряжению источника питания.

И, наконец, вне зависимости от типа транзистора, если состояние транзистора меняется, то повышение потенциала на базе соответствует понижению потенциала коллектора и наоборот - понижение потенциала на базе соответствует повышению потенциала коллектора.