20.4. Исследование биполярного транзистора. Способ исследования потока тепла.
Определение:
Если в схеме с ОБ измерять напряжение на входе и ток на выходе, то такую схему будем называть схемой с ОБ для исследования потока тепла: схема с ОБ для ИПТ.
Для исследования потока тепла характерны характеристики, которые связывают входное напряжение и ток выхода.
Графики и характеристики такой схемы также будем называть вольт-амперными характеристиками схемы с ОБ для ИПТ.
Рис. 20.9. Схема с ОБ для ИПТ.
На рис. 20.9. показана схема с ОБ для ИПТ, где отмечены входная и выходная цепи схемы.
Рассмотрим модификации схем для ИПТ.
Рис. 20.10. Инверсная схема с ОБ для ИПТ.
На рис. 20.10. показана инверсная схема с ОБ для ИПТ.
Если в схеме измеряется ток входа и ток выхода, то такая схема дополнительно будет называться схемой регистрации усиления. Это необходимо для того, чтобы отметить, что в измерительной схеме исследуется процесс усиления сигнала.
Рис. 20.11. Схема РУ с ОБ для ИПТ.
На рис. 20.11. показана схема регистрации усиления с общей базой для исследования потока тепла: схема РУ с ОБ для ИПТ.
Кроме схем с общей базой (ОБ), возможно построить схемы для ИПТ на основе схем с общим эмиттером (ОЭ).
Рис. 20.12. Схема с ОЭ для ИПТ.
На рисунке 20.12 показана схема с ОЭ для ИПТ.
Рис. 20.13. Схема РУ с ОЭ для ИПТ.
На рисунке 20.13 показана схема с РУ с ОЭ для ИПТ.
20.5. Опыт с биполярным транзистором, показывающий положительную обратную связь.
Для исследования биполярного транзистора мы применили схему с РУ с ОЭ для ИПТ.
Рис. 20.14. Схема РУ с ОЭ для ИПТ. Исследование ПОС биполярного транзистора.
На рисунке 20.14. приведена такая схема и отмечены все измеряемые параметры. Резисторы R1 и R2 – защищают транзистор от пробоя и равны порядка 100 Ом.
На рисунке 20.14 обозначены:
Ube – напряжение на переходе База-Эмиттер;
Ubk – напряжение на переходе База-Коллектор;
Ib – ток в цепи базы;
Ik – ток в цепи коллектора.
Исследование следует проводить при Ubk = const.
Для этого мы используем дополнительный вольтметр, который подключим к переходу База-Коллектор.
Следует выбирать очень высокоомный вольтметр, так как, сопротивление между Базой и Коллектором может сильно повлиять на схему с общим эмиттером и создать дополнительную отрицательную обратную связь.
Транзистор помещают в резиновую изоляцию, затем помещают в воду. Для этой цели можно использовать двухлитровый стеклянный вакуумный термос с водой. Температура воды поддерживается 20 градусов по Цельсию.
Для исследования ПОС проведём измерения для схемы на рис. 20.14. при Ubk = const. Для исследования возьмём транзистор КТ312В.
Проведём исследование при Ubk = 15 Вольт.
Порядок проведения измерений.
Первоначально источником тока (стабилизатором тока) выставляем ток базы Ib.
Затем, плавно изменяя напряжение источника напряжения ИН, добиваемся, чтобы Ubk было равно 15 Вольт.
После этого измеряем все параметры схемы: Ube, Ik, Ib.
Когда первое измерение проведено, изменяем Ib, и проводим второе измерение. Таким образом будем проводить измерения, пока не получим графики Ik и Ib в зависимости от Ube, при Ubk = 15 Вольт.
Значения токов, логарифмируются и строятся графики в полулогарифмическом масштабе.
Рис. 20.15. Графики экспериментальных данных входного и выходного тока для транзистора КТ312В, построенные в полулогарифмическом масштабе.
На рисунке 20.15 построены графики экспериментальных данных для транзистора КТ312В. Они имеют вид прямых линий, переходящих в дугу, которая отклоняется влево. На рисунке 20.15 показано два графика – для тока коллектора (Ik) и тока базы (Ib).
При исследовании графиков, выяснилось, что графики представляют собой ПОС.
Эмиссионное уравнение остаётся прежним, но коэффициент RD меняет свой знак. График для ПОС как и для ООС имеет вид логарифмического уравнения.
Для того чтобы получить решение логарифмического уравнения с ООС, при реализации подпрограммы использовалась обратная функция. При решении не возникало проблем, так, как обратная функция была монотонной.
При ПОС, обратная функция логарифмического уравнения имеет максимум. Потому, программно можно реализовать решение уравнения, разбивая решение на две части: до максимума и после максимума.
Для решения этой задачи необходимо знать точку максимума. Найдём точку максимума. Покажем решение этой задачи.
1. Эмиссионное уравнение имеет вид:
(19.33)
Где UA и TC – переменные аргументов,
IA – переменная функции.
KT, UD, TF, RD, UV – коэффициенты.
2. Найдём обратную функцию для эмиссионного уравнения:
(20.01)
Далее
(20.02)
Далее
(20.03)
3. Обозначим как Ln(IA) = x; UA = y.
(20.04)
4. Найдём производную:
(20.05)
5. Найдём максимум:
(20.06)
Следует:
(20.07)
x – это ток (для координаты максимума) в полулогарифмическом масштабе.
6. Отсюда формула для UМАКС:
(20.08)
Затем, было получено две подпрограммы поиска решения логарифмического уравнения при условии ПОС.
Две подпрограммы на языке Паскаль, приведены ниже.
procedure MidI_x01_01(x,z,Tf,Ud,Kt,Uv,Rd:real;var y:real;var c0:integer);
var
Ymax, Ymin, X0, E, Xmax_ex, Ymax_ex: real;
Ub,Uf:real;
A,B,C,D:real;
begin
c0:=0;
E:=0.000001;
Ymax_ex:= 1/(Rd*Kt*(z-Tf));
Xmax_ex:= (Ln(1/(Rd*Kt*(z-Tf)))/Kt - z*Ud)/(Tf-z) + Uv + 1/(Kt*(z-Tf));
Ymax:= Ymax_ex;
Ymin:=0;
if x = Xmax_ex then y:= Ymax_ex;
if x >= Xmax_ex then c0:=6;
repeat
begin
y:=(Ymax+Ymin)/2;
Tf:= Tf;// обратная функция для z
Ub:= Uv+ y*Rd; // обратная функция для x
if x >= Xmax_ex then
begin
c0:=5;
break;
end;
if y >= Ymax_ex then
begin
c0:=3;
break;
end;
if y <= 0 then
begin
c0:=1;
break;
end;
A:=Ln(y);
B:=A/(-Kt);
C:=B+z*Ud;
D:=z-Tf;
if D=0 then
begin
c0:=2;
break;
end;
X0:=(C/D)+Ub;
if X0 >= Xmax_ex then
begin
c0:=4;
break;
end;
if X0 > x then Ymax:=y else Ymin:=y;
end until (X0+E > x) and (X0-E < x);
end;
procedure MidI_x02_01(x,z,Tf,Ud,Kt,Uv,Rd:real;var y:real;var c0:integer);
var
Ymax, Ymin, X0, E, Xmax_ex, Ymax_ex: real;
Ub,Uf:real;
A,B,C,D:real;
begin
c0:=0;
E:=0.000001;
Ymax_ex:= 1/(Rd*Kt*(z-Tf));
Xmax_ex:= (Ln(1/(Rd*Kt*(z-Tf)))/Kt - z*Ud)/(Tf-z) + Uv + 1/(Kt*(z-Tf));
Ymax:=exp(((Tf-z)*x + z*Ud)*Kt);
Ymin:= Ymax_ex;
if x = Xmax_ex then y:= Ymax_ex;
if x >= Xmax_ex then c0:=6;
repeat
begin
y:=(Ymax+Ymin)/2;
Tf:= Tf;// обратная функция для z
Ub:= Uv+ y*Rd; // обратная функция для x
if x >= Xmax_ex then
begin
c0:=5;
break;
end;
if y <= Ymax_ex then
begin
c0:=3;
break;
end;
if y <= 0 then
begin
c0:=1;
break;
end;
A:=Ln(y);
B:=A/(-Kt);
C:=B+z*Ud;
D:=z-Tf;
if D=0 then
begin
c0:=2;
break;
end;
X0:=(C/D)+Ub;
if X0 >= Xmax_ex then
begin
c0:=4;
break;
end;
if X0 > x then Ymin:=y else Ymax:=y;
end until (X0+E > x) and (X0-E < x);
end;
В процессе исследования экспериментальных данных для выходного тока (Ik) были получены следующие коэффициенты эмиссионного уравнения:
KT = 0,112781 Вольт-1 ∙ Кельвин-1;
TF =631,905 Kельвин;
UD = 0,238687Вольт;
Uv = 1,045712 Вольт;
RD = -1,1 Ом.
Для входного тока (Ib) кэффициенты эмиссионного уравнения были следующие:
KT = 0,048085 Вольт-1 ∙ Кельвин-1;
TF =885,8322 Kельвин;
UD = 0,416718Вольт;
Uv = 1,25799 Вольт;
RD = -190 Ом.
На рисунке 20.16. были построены графики математической модели для входного и выходного тока.
Рис. 20.16. Графики математической модели входного и выходного тока для транзистора КТ312В, построенные в полулогарифмическом масштабе.
Для схем исследования потока тепла (ИПТ) эмиссионное уравнение может быть применимо к биполярным транзисторам, что мы и показали своим опытом.
Исключение составляет область малых токов базы: там где ток может поменять своё направление и стать отрицательным. Также представляет трудность применять эмиссионное уравнение для низкоомных PN-переходов. К ним могут быть отнесены некоторые диоды Шоттки, германиевые диоды. Характеристики таких диодов недостаточно линейны из-за их терморезистивных свойств. Обычно невозможно исследовать и мощные транзисторы из-за их сложных конструктивных решений: когда мощный транзистор состоит из нескольких параллельно соединённых маломощных транзисторов. Наиболее подходящими для исследования являются маломощные кремниевые транзисторы.
Рис. 20.17. Совпадение графиков экспериментальных данных и математической модели входного и выходного тока для транзистора КТ312В, построенные в полулогарифмическом масштабе.
Выводы.
1. Явление положительной обратной связи в вольт-амперных характеристиках транзистора позволяет объяснить эффект Кирка и эффект Эрли.
2. Явление положительной обратной связи в вольт-амперных характеристиках транзистора доказывает несостоятельность теории электронно-дырочной проводимости, которая не может объяснить явления, происходящие в биполярном транзисторе.
3. Явление положительной обратной связи в вольт-амперных характеристиках транзистора осуществляется согласно эмиссионному уравнению, и доказывает применимость этого уравнения для описания термоэлектрических процессов в электронных приборах.
4. На основе уравнения для ПОС можно разработать математическую модель работы транзистора. Модель будет работать на основе законов физики.
Заключение
Когда-то у меня была идея: «Хорошо бы обнаружить обратные связи в физике». И я обычно представлял инерциальное движение тела как систему с обратной связью. Как эта система работает было непонятно, но назначение этой системы заключалось в противодействии быстрому изменению движения.
Но однажды я решил написать статью о релаксациях. В тепловой иерархии энергий этих релаксаций всего три: магнитная, электрическая и тепловая.
Я начал обдумывать статью, и обнаружил, что дифференциальное уравнение описывает накопительную отрицательную обратную связь. Это было открытием для меня самого. А дальше всё было просто. Надо было просто описать аналогию между всеми релаксациями. И даже ту самую аналогию, которую не признавали при описании закона Фурье, боясь поддержать теорию теплорода (теплового заряда). Но я старательно рассмотрел все аналогии.
Решение задачи было следующим:
1. Система с НООС отлично рассматривалась в электрической релаксации. Там присутствовала и энергия системы, и заряд системы.
2. Магнитная система релаксации была парадоксальной, так, как зарядом системы являлось время. Но у магнитной релаксации ( закон о самоиндукции) было нечто более ценное – это правило Ленца. И я понял: правило Ленца должно присутствовать в каждой релаксации. Правило Ленца описывает отрицательную обратную связь.
3. Когда были получены две первые идеи, то была рассмотрена тепловая релаксация. Эта релаксация уникальна тем, что в современной физике она существует в недостроенном виде. Достроить её можно было, только добавив четвёртый уровень энергии. Практически, это означало: перевести термодинамику на рельсы теплового заряда. Для меня это был понятный и рациональный шаг.
4. Наконец, когда всё здание тепловой иерархии энергий было построено, следовало рассмотреть механическую иерархию. В механической иерархии: релаксация для движения была столь же парадоксальной, как и магнитная релаксация в тепловой иерархии. Для неё зарядом системы также являлось время.
Применяя метод аналогии, я прошёл весь путь. Это путь решения задачи. Задача о двух иерархиях энергий, и способах преобразования их друг в друга. Решение моё не похоже на то, что представлено в современной физике. Настало время проверять ошибки в современной физике и создавать новую теорию. Первый шаг к созданию этой теории я попытался сделать. Это значит, что физика должна измениться в ближайшие сто лет. Должны уйти старые модели на основе механики, и должны появиться модели на основе эфира. Должны исчезнуть ложные квантовые теории, и им на смену должна прийти теория теплового заряда.
Багницкий Валерий
Nether0@list.ru