Основные схемы включения транзисторов

Транзистор, как полупроводниковый прибор, имеющий три электрода (эмиттер, базу, коллектор), можно включить тремя основными способами (рис. 3.1 — 3.6). Как известно, входной сигнал поступает на усилитель по двум проводам; выходной сигнал отводится также по двум проводам. Следовательно, для трех-электродного усилительного прибора при подаче входного и съеме выходного сигнала по двум проводам один из электродов будет непременно общим. Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рис. 3.1. Схема с общим эммитером (ОЭ)

 

Рис. 3.2. Схема с общим коллектором (ОК)

Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. 3.1 — 3.6. Как следует из сопоставления рисунков, схемы эти идентичны и различаются лишь полярностью подаваемого напряжения.

Для определения входного (RBX.) и выходного (RBbix.) сопротивления каждой из схем включения, а также коэффициентов усиления по току (К,), напряжению (Ки) и мощности (КР=К|ХКи) расчетные и экспериментальные значения и формулы приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

 

Таблица с формулами приведена для приближенных расчетов, а для первоначальной, первичной оценки и сравнения свойств основных схем включения транзисторов предназначена вторая таблица с численными оценками.

Рис. 3.3. Схема с общей базой (ОБ)

Обозначения в таблице следующие: RH — сопротивление нагрузки; R3 — сопротивление эмиттера или отношение изменения напряжения на эмиттерном переходе к изменению тока эмиттера в режиме короткого замыкания в выходной цепи по переменному току; RB — сопротивление базы или отношение изменения напряжения между эмиттером и базой к изменению тока коллектора в режиме холостого хода входной цепи по переменному току; а — коэффициент усиления по току для схемы с общей базой; р — коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Рис. 3.4. Схема с общим эммитером (ОЭ)

 

Рис. 3.5. Схема с общим коллектором (ОК)

 

Рис. 3.6. Схема с общей базой (ОБ)

Наиболее часто в практических схемах используют режим включения транзистора с общим эмиттером (как обладающий наибольшим коэффициентом усиления по мощности).

Эмиттерные повторители (схемы с общим коллектором) применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление) используют схемы с общей базой.

В зависимости от наличия, полярности и величины потенциалов на электродах транзисторов различают несколько режимов его работы. Насыщение — транзистор открыт, напряжение на переходе К— Э минимально, ток через переходы максимален. Отсечка — транзистор закрыт, напряжение на переходе К — Э максимально, ток через переходы минимален. Активный — промежуточный между режимом насыщения и отсечки. Инверсный — характеризуется подачей на электроды транзистора обратной (инверсной) полярности рабочего напряжения.

В переключательно-коммутирующих схемах, имеющих только два состояния: включено (сопротивление ключевого элемента близко к нулю) и выключено (сопротивление ключевого элемента стремится к бесконечности), используются режимы насыщения и отсечки. Активный режим широко применяют для усиления сигналов. Инверсный режим используют достаточно редко, поскольку улучшить показатели схемы при таком включении транзистора не удается.

Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем (рис. 3.1, 3.2, 3.4, 3.5), можно принять величину сопротивления в коллекторной (эмиттерной) цепи равной нескольким кОм, а величину сопротивления в цепи базы в 30…50 раз большим. При этом напряжение на коллекторе (эмиттере) должно быть равно половине напряжения питания. Для схемы с общей базой (рис. 3.3, 3.6) величина сопротивления R3, обычно не превышает 0,1… 1 кОм, величина сопротивления R2 составляет несколько кОм.

Величины реактивных сопротивлений конденсаторов С1 — C3 для наиболее низких частот, которые требуется усилить, должны быть примерно на порядок ниже соединенных с ними активных сопротивлений R1 — R3 (рис. 3.1 — 3.6). В принципе, величины этих емкостей можно было бы выбрать со значительным запасом, но в этом случае увеличиваются габариты переходных конденсаторов, их стоимость, токи утечки, длительность переходных процессов и т.д.

В качестве примера приведем таблицу 3.3 для быстрого определения величины реактивного сопротивления конденсаторов для нескольких частот.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле:

Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. Следовательно, для усилителей постоянного тока (нижняя граничная частота усиления равна нулю) переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. Конденсаторы в цепях постоянного тока равносильны обрыву цепи. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами. Разумеется, в этом случае необходимо согласование уровней межкаскадных напряжений.

При усилении переменного тока в цепи нагрузки усилительных каскадов зачастую используют индуктивные элементы. Отметим, что реактивное сопротивление индуктивностей растет с увеличением частоты. Соответственно, с изменением сопротивления нагрузки от ч

Для начинающих. Схемы включения транзистора. / Блог им. Nikolay / Блоги по электронике

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером.
— сам термин названия данного включение уже говорит о специфике данной схемы. Общий эмиттер а в крации это ОЭ, подразумевает тот факт, что у входа данной схемы и выхода общий эмиттер.
Рассмотрим схему:


в этой схеме видим два источника питания, первый 1.5 вольт, использован как входной сигнал для транзистора и всей схемы. Второй источник питания 4.5 вольт, его роль питание транзистора, и всей схемы. Элемент схемы Rн – это нагрузка транзистора или проще говоря потребитель.
Теперь проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.5 вольт служит входным сигналом для транзистора, поступая на базу транзистора он открывает его. Если рассматривать полный цикл прохода тока базы, то это будет так: ток проходит от плюса к минусу, то есть исходя от источника питания 1.5 вольт, а именно с клеммы + ток проходит по общему эмиттеру проходя по базе и замыкает свою цепь на клемме – батареи 1.5 вольт. В момент прохождения тока по базе транзистор открыт, тем самым транзистор позволяет второму источнику питания 4.5 вольт запитать Rн. посмотрим прохождение тока от второго источника питания 4.5 вольт. При открывании транзистора входным током базы, с источника питания 4.5 вольт выходит ток по эмиттеру транзистора и выходит из коллектора прям на нагрузку Rн.
Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора.
Теперь рассмотрим схему включения транзистора с общим коллектором:

На данной схеме видим, что тут общий по входу и выходу транзистора коллектор. По этому эта схема называется с общим коллектором ОК.
Рассмотрим её работу: как и в предыдущей схеме поступает входной сигнал на базу, (в нашем случае это ток базы) открывает транзистор. При открывании транзистора ток с батареи 4.5 в проходит от клеммы батареи + через нагрузку Rн поступает на эмиттер транзистора проходит по коллектору и заканчивает свой круг. Вход каскада при таком включении ОК обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада – напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). К данным подробностям еще вернемся в следующих статьях, так как не возможно охватить все и всех за один раз.
Рассмотрим схему включения транзистора с общей базой.

Название ОБ это уже нам теперь говорит о многом – значит по включению транзистора общая база относительно входа и выхода транзистора.
В данной схеме входной сигнал подают между базой и эмиттером – чем нам служит батарея с номиналом 1.5 в, ток проходя свой цикл от плюса через эмиттер транзистора по его базе, тем самым открывает транзистор для прохода напряжения с коллектора на нагрузку Rн. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.
Вот рассмотрели три схемы включения транзистора, для расширения познаний могу добавить следующее:
Чем выше частота сигнала, поступающего на вход транзисторного каскада, тем меньше коэффициент усиления по току.
Коллекторный переход транзистора обладает высоким сопротивлением. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада.

Схемы включения транзистора. » Хабстаб

При любом включении транзистора в схему, через один из его выводов, будет течь входной и выходной ток, этот вывод называют общим.

Существуют три схемы включения биполярного транзистора:

• с общим эмиттером;
  
• с общим коллектором;
  
• с общей базой;
  

Начнём со схемы, с общим эмиттером.

• входной сигнал подаётся на базу;
  
• выходной сигнал снимается с коллектора;
  

Схема с общим эмиттером обладает следующими свойствами:

• большим коэффициентом усиления по току;
  
• большим коэффициентом усиления по напряжению;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

Во всех осциллограммах в статье первый канал — входной сигнал, второй канал — выходной сигнал. Входной сигнал берется после разделительного конденсатора, иначе конденсатор вносит сдвиг фазы.
На осциллограмме видно, что амплитуда выходного сигнала в несколько раз превышает амплитуду входного, при этом сигнал на выходе инвертирован относительно входного сигнала, это значит, что когда сигнал входе возрастает на выходе он убывает и наоборот. На схеме пунктирной линией изображен конденсатор, его можно подключить если надо увеличить коэффициент усиления. Давайте подключим его.

Видим, что выходной сигнал увеличился примерно на порядок, то есть в 10 раз. Такая схема включения транзистора применяется, в усилителях мощности.
При включении конденсатора входное сопротивление схемы уменьшилось, что привело к искажениям сигнала генератора, а следовательно и выходного сигнала.

Схема с общим коллектором.

• входной сигнал подаётся на базу;
  
• выходной сигнал снимается с эмиттера;
  

Схема с общим коллектором обладает следующими свойствами:

• большим коэффициент усиления по току;
  
•  напряжения входного и выходного сигнала отличаются примерно на 0,6 V;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

На осциллограмме видно, что амплитуды сигналов равны потому, что осциллограф отображает только переменную составляющую, если включить осциллограф на отображение постоянной составляющей, то разница между сигналом на входе и выходе составит 0,6 V. Схема сигнал не инвертирует и применяется в качестве буфера или для согласования каскадов.
Под буфером в электронике понимается схема, которая увеличивает нагрузочную способность сигнала, то есть сигнал остается такой же формы, но способен выдать больший ток.

Схема с общей базой.

• входной сигнал подаётся на эмиттер;
  
• выходной сигнал снимается с коллектора;
  

Схема с общей базой обладает следующими свойствами:

•  большим коэффициентом усиления по напряжению;
  
•  близким к нулю усилением по току, ток эмиттера больше тока коллектора на ток базы;
  

Давайте соберём нарисованную выше схему и посмотрим как будет изменяться выходной сигнал в зависимости от входного.

На осциллограмме видно, что амплитуда выходного сигнала примерно в десять раз превышает амплитуду входного сигнала, также сигнал на выходе не инвертирован относительно входного сигнала. Применяется такая схема включения транзистора в радиочастотных усилителях. Каскад с общей базой обладает низким входным сопротивлением, поэтому сигнал генератора искажается, следовательно и выходной сигнал тоже.
Возникает вопрос, почему не использовать для усиления радиочастот схему с общим эмиттером ведь она увеличивает амплитуду сигнала? Все дело в ёмкости перехода база-коллектор, её ещё называют ёмкостью Миллера. Для радиочастот эта ёмкость обладает малым сопротивлением, таким образом, сигнал вместо того, чтобы течь через переход база-эмиттер проходит через эту ёмкость и через открытый транзистор стекает на землю. Как это происходит показано на рисунке ниже.

Пожалуй, это всё, что хотелось рассказать про схемы включения транзистора.  

Схемы включения биполярных транзисторов.

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярных транзисторов и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора, в первую очередь, и используется. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера I_э, на выходе I_к.

I_э = I_к + I_б

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению. Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем…

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает? 🙂 Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту U_{бэ}. Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает U_{бэ}, что приводит к росту тока эмиттера. А рост I_э приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания U_{ос}) – уменьшилось напряжение U_{бэ}.

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала. В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо… Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу 🙂 Если резисторы R_1 и R_2 равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора.

Чем бы еще улучшить нашу схему… Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот! Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 🙂 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи!

с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) — Студопедия

Применяют три основные схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Такая терминология указывает, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепей.

На рис. 2 показана схема с общей базой. Во входную (эмиттерную) цепь последовательно с источником питания Е₁ включен источник входного сигнала, вырабатывающий некоторое переменное напряжение U_ВХ. В коллекторную цепь включено сопротивление нагрузки R_H. Входным током является ток эмиттера I_ВХ = I_Э. Выходным током является ток коллектора I_ВЫХ = I_K. Коэффициент передачи тока для схемы с ОБ равен:

при Е₂ = const.

Коэффициент a всегда меньше 1 и, чем он ближе к 1, тем лучше транзистор.

Поскольку ток эмиттера – наибольший из всех токов транзистора, то схема с ОБ имеет малое входное сопротивление для переменной составляющей тока сигнала. Фактически это сопротивление равно сопротивлению эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении R_BX = r_Э. Низкое входное сопротивление схемы с ОБ (единицы – десятки ом) является её существенным недостатком, т.к. в многокаскадных схемах это сопротивление оказывает шунтирующее действие на сопротивление нагрузки предыдущего каскада и резко снижает усиление этого каскада. Достоинствами схемы с ОБ являются меньшие искажения при усилении, лучшие температурные и частотные свойства, чем у схемы с ОЭ.

Для схемы с ОБ входная характеристика (рис. 3) представляет собой зависимость тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при постоянной величине напряжения между коллектором и базой. Входные характеристики аналогичны ВАХ p-n-перехода для прямого тока. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения U_КБ объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения U_КБ коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Расширение происходит, главным образом, за счет базового слоя, как более высокоомного. Толщина базы и её сопротивление уменьшаются. Это приводит к уменьшению напряжения U_ЭБ и к уменьшению рекомбинации дырок с электронами в базовой области. При этом увеличивается коэффициент a и ток коллектора.

Выходные характеристики транзистора для схемы с ОБ (рис. 3) изображают зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при различных постоянных значениях эмиттерного тока. Как было показано ранее, если коллекторный переход смещен в обратном направлении, то ток коллектора приблизительно равен току эмиттера I_K » I_Э. Это соотношение сохраняется даже при U_КБ = 0, так как большинство дырок, инжектированных в базу, захватываются электрическим полем коллекторного перехода и переносятся в коллектор. Только, если коллекторный переход смещают в прямом направлении (графики слева от точки 0 на рис. 3), встречный поток дырок из коллектора компенсирует поток дырок из эмиттера и ток коллектора становится равным нулю.

Схема с общим эмиттером показана на рис. 4. Входным током в ней является малый по величине ток базы, а выходным – ток коллектора. Следовательно, коэффициент передачи тока для схемы с ОЭ равен:

.

Соотношение между коэффициентами a и b можно получить в виде b = a / (1 – a). Если a = 0,98, то b = 49, т.е. можно получить коэффициент усиления тока порядка нескольких десятков.

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ. Это следует из очевидного неравенства:

DU_BX / DI_Б >> DU_BX / DI_Э.

Достоинством схемы с ОЭ следует также считать возможность её питания от одного источника напряжения. Поэтому схема с ОЭ является наиболее распространенной.

Входная характеристика схемы с ОЭ (I_б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const) подобна ВАХ p-n-перехода при прямом смещении (рис. 5). При U_КЭ = 0 – это прямые ветви эмиттерного и коллекторного переходов, включенных параллельно. С ростом U_КЭ ток базы уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении U_КЭ растет напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в базе, т.к. почти все носители быстро втягиваются в коллектор. Поэтому ток электронов, входящих в базу для рекомбинации с инжектированными дырками, уменьшается.

Выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ (рис. 5) представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы: I_K = f (U_КЭ) при I_б = const.

Схема с общим коллектором (ОК) в некоторых учебниках не рассматривается вообще или кратко представлена в виде, изображенном на рис. 6. В других учебниках схема изображена в виде рис. 7 (и называется эмиттерным повторителем). В этой схеме действительно коллектор является общей точкой для входного и выходного переменного тока: источники питания Е₁ и Е₂ имеют малое сопротивление и всегда шунтированы конденсаторами большой емкости, поэтому для переменного тока они могут считаться короткозамкнутыми. Поэтому к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения U_ВХ и сопротивление нагрузки.

Входным током является ток базы, а выходным – ток эмиттера. Поэтому коэффициент прямой передачи тока для этой схемы:

.

Для переменных входных и выходных напряжений справедливо равенство
DU_BX = DU_БЭ + DU_ВЫХ (т.е. усиления по напряжению нет). Само напряжение U_БЭ и особенно переменная составляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей входного напряжения DU_BX приблизительно равна амплитуде переменной составляющей выходного напряжения DU_ВЫХ. В соответствии с этим схема с ОК и называется эмиттерным повторителем.

Достоинством схемы с ОК является её большое входное сопротивление.

В таблице представлены коэффициенты усиления по току k_i, напряжению k_U, мощности k_p, входное сопротивление R_BX схем с ОБ, ОЭ и ОК и фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями.

Параметр	ОБ	ОЭ	ОК
ki	меньше 1	10 – 100	10 – 100
kU	до 1000	10 – 100	меньше 1
kp	до 1000	до 10 000	10 – 100
RBX, Ом	1 – 100	100 – 1000	больше 10 000
Фазовый сдвиг	0°	180°	0°

Восемь простых схем на транзисторах для начинающих радиолюбителей

Приведены несколько схем простых устройств и узлов, которые могут быть изготовлены начинающими радиолюбителями.

Однокаскадный усилитель ЗЧ

Это простейшая конструкция, которая позволяет продемонстрировать усилительные способности транзистора Правда, коэффициент усиления по напряжению невелик — он не превышает 6, поэтому сфера применения такого устройства ограничена.

Тем не менее его можно подключить, скажем, к детекторному радиоприемнику (он должен быть нагружен на резистор 10 кОм) и с помощью головного телефона BF1 прослушивать передачи местной радиостанции.

Усиливаемый сигнал поступает на входные гнезда X1, Х2, а напряжение питания (как и во всех остальных конструкциях этого автора, оно составляет 6 В — четыре гальванических элемента напряжением по 1,5 В, соединенных последовательно) подается на гнезда ХЗ, Х4.

Делитель R1R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации работы усили теля.

Рис. 1. Схема однокаскадного усилителя ЗЧ на транзисторе.

Как происходит стабилизация? Предположим, что под воздействием температуры увеличился ток коллекто ра транзистора Соответственно увеличится падение напряжения на резисто ре R3. В итоге уменьшится ток эмитте ра, а значит, и ток коллектора — он достигнет первоначального значения.

Нагрузка усилительного каскада — головной телефон сопротивлением 60.. 100 Ом. Проверить работу усилителя несложно, нужно коснуться входного гнезда Х1 например, пинцетом в телефоне должно прослушиваться слабое жужжание, как результат наводки пере менного тока. Ток коллектора транзис тора составляет около 3 мА.

Двухкаскадный УЗЧ на транзисторах разной структуры

Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации — резистор R4, работаю щий аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции

Усилитель более «чувствительный” по сравнению с однокаскадным — коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.

Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 — в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.

Рис. 2. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах разной структуры.

Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов например, от микрофона. И конечно он позволит значительно усилить сигнал ЗЧ, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.

Двухкаскадный УЗЧ на транзисторах одинаковой структуры

Здесь также использована непосредственная связь между каскадами, но стабилизация режима работы несколько отличается от предыдущих конструкций.

Допустим, что ток коллектора транзистора VТ1 уменьшился Падение напряжения на этом транзисторе увеличится что приведет к увеличению напряжения на резисторе R3, включенном в цепи эмиттера транзис тора VТ2.

Благодаря связи транзисторов через резистор R2, увеличится ток базы входного транзистора, что приведет к увеличению его тока коллектора. В итоге первоначальное изменение тока коллектора этого транзистора будет скомпенсировано.

Рис. 3. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах одинаковой структуры.

Чувствительность усилителя весьма высока — коэффициент усиления достигает 100. Усиление в сильной степени зависит от емкости конденсатора С2 — если его отключить, усиление снизится. Входное напряжение должно быть не более 2 мВ.

Усилитель хорошо работает с детекторным приемником, с электретным микрофоном и другими источниками слабого сигнала. Ток, потребляемый усилителем — около 2 мА.

Двухтактный усилитель мощности ЗЧ на транзисторах

Он выполнен на транзисторах разной структуры и обладает усилением по напряжению около 10. Наибольшее входное напряжение может быть 0,1 В.

Усилитель двухкаскадный первый собран на транзисторе VТ1 второй — на VТ2 и VT3 разной структуры. Первый ка скад усиливает сигнал ЗЧ по напряжению причем обе полуволны одинаково. Второй — усиливает сигнал по току но каскад на транзисторе VТ2 “работает” при положительных полуволнах, а на транзисторе VT3 — при отрицательных.

Рис. 4. Двухтактный усилитель мощности ЗЧ на транзисторах.

Режим по постоянному току выбран таким что напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов второго каскада равно примерно половине напряжения источника питания.

Это достигается включением резистора R2 обратной связи Ток коллектора входного транзистора, протекая через диод VD1, приводит к падению на нем напряжения. которое является напряжением смещения на базах выходных транзисторов (относительно их эмиттеров), — оно позволяет уменьшить искажения усиливаемого сигнала.

Нагрузка (несколько параллельно включенных головных телефонов либо динамическая головка) подключена к усилителю через оксидный конденсатор С2.

Если усилитель будет работать на динамическую головку (сопротивлением 8 -.10 Ом), емкость этого конденсатора должна бы ь минимум вдвое больше Обратите внимание на подключение нагрузки первого каскада — резистора R4 Его верхний по схеме вывод соединен не с плюсом питания, как это обычно делается, а с нижним выводом нагрузки.

Это так называемая цепь вольтодобавки, при которой в базовую цепь выходных транзисторов поступает небольшое на пряжение ЗЧ положительной обратной связи, выравнивающее условия работы транзисторов.

Двухуровневый индикатор напряжения

Такое устройство можно использовать. например, для индикации “истощения” батареи питания либо индикации уровня воспроизводимого сигнала в бытовом магнитофоне. Макет индикатора позволит продемонстрировать принцип его работы.

Рис. 5. Схема двухуровневого индикатора напряжения.

В нижнем по схеме положении движка переменного резистора R1 оба транзистора закрыты, светодиоды HL1, HL2 погашены. При перемещении движкарезистора вверх, напряжение на нем увеличивается. Когда оно достигнет напряжения открывания транзистора VТ1 вспыхнет светодиод HL1

Если продолжать перемещать движок. наступит момент, когда вслед за диодом VD1 откроется транзистор VТ2. Вспыхнет и светодиод HL2. Иными словами, малое напряжение на входе индикатора вызывает свечение только светодиода HL1 а большее обоих светодиодов.

Плавно уменьшая входное напряжение переменным резистором, заметим что вначале гаснет светодиод HL2, а затем — HL1. Яркость светодиодов зависит от ограничительных резисторов R3 и R6 при увеличении их сопротивлений яркость падает.

IGBT-транзистор

— основные сведения, характеристики, схема переключения и приложения

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором , комбинация биполярного переходного транзистора (BJT) и Металлооксидный полевой транзистор (MOS-FET) , Это полупроводниковое устройство, используемое для переключения связанных приложений.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию полевого МОП-транзистора и транзистора , он обладает преимуществами обоих транзисторов и полевого МОП-транзистора.MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а с другой стороны, BJT имеет преимущество в виде высокого коэффициента усиления и низкого напряжения насыщения, оба присутствующих в транзисторе IGBT. IGBT — это полупроводник с регулируемым напряжением , который обеспечивает большие токи коллектора-эмиттера с почти нулевым током затвора.

Как уже говорилось, IGBT имеет преимущества как MOSFET, так и BJT, IGBT имеет такой же изолированный затвор, как и типичные MOSFET, и такие же выходные характеристики передачи. Хотя BJT — это устройство с управлением по току, но для IGBT управление зависит от MOSFET, поэтому это устройство с управлением напряжением, эквивалентное стандартным MOSFET.

Эквивалентная схема IGBT и символ

На изображении выше показана эквивалентная схема IGBT. Такая же структура схемы используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены одинаковым образом. Как мы можем видеть на изображении выше, IGBT объединяет два устройства, N-канальный MOSFET и PNP-транзистор . N-канальный MOSFET управляет PNP-транзистором. Выводы стандартного BJT включают коллектор, эмиттер, базу, а стандартный вывод MOSFET включает затвор, сток и исток.Но в случае контактов IGBT транзистора , это Gate , который поступает от N-канального MOSFET, а коллектор и Emitter исходят от PNP-транзистора.

В транзисторе PNP коллектор и эмиттер являются проводящими путями, а когда IGBT включен, они проводят ток через него. Этот путь контролируется N-канальным MOSFET.

В случае BJT, , мы вычисляем коэффициент усиления, который обозначается как Beta ( ), путем деления выходного тока на входной.

  β = выходной ток / входной ток  

Но, как мы знаем, полевой МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор полевого МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления BJT, неприменима для технологии MOSFET. Затвор полевого МОП-транзистора изолирован от пути прохождения тока. Напряжение затвора полевого МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой отношение изменения выходного напряжения к изменениям входного напряжения.Это верно для IGBT. Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменений выходного тока к изменениям входного напряжения затвора .

Из-за возможности высокого тока высокий ток BJT контролируется напряжением затвора MOSFET.

На приведенном выше изображении показан символ IGBT . Как мы видим, символ включает часть коллектора-эмиттера транзистора и часть затвора полевого МОП-транзистора. Три терминала показаны как Gate, Collector и Emitter.

В проводящем или включенном режиме « ON » ток течет от коллектора к эмиттеру . То же самое происходит с транзистором BJT. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate. Разница между напряжением затвора и эмиттера называется Vge , а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , Ie = Ic .Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, у Vce очень низкий ток.

Узнайте больше о BJT и MOSFET здесь.

Приложения IGBT:

IGBT в основном используется в приложениях, связанных с питанием. Стандартные силовые BJT обладают очень медленным откликом, тогда как MOSFET подходит для приложений с быстрым переключением, но MOSFET — дорогостоящий выбор, когда требуется более высокий номинальный ток. IGBT подходит для замены силовых BJT и силовых MOSFET .

Кроме того, IGBT предлагает более низкое сопротивление включения по сравнению с BJT, и благодаря этому свойству IGBT является термически эффективным в приложениях с высокой мощностью.

IGBT широко применяются в области электроники. Из-за низкого сопротивления , очень высокого номинального тока, высокой скорости переключения, привода с нулевым затвором, IGBT используются в системах управления двигателями большой мощности, инверторах, импульсных источниках питания с областями высокочастотного преобразования.

На приведенном выше изображении показано базовое коммутационное приложение с использованием IGBT. RL — это резистивная нагрузка, подключенная через эмиттер IGBT к земле. Разница напряжений на нагрузке обозначается как VRL . Нагрузка также может быть индуктивной. А справа показана другая схема. Нагрузка подключается через коллектор, а резистор для токовой защиты подключается к эмиттеру. В обоих случаях ток будет течь от коллектора к эмиттеру.

В случае BJT нам необходимо обеспечить постоянный ток через базу BJT.Но в случае IGBT, как и MOSFET, нам нужно обеспечить постоянное напряжение на затворе, и насыщение поддерживается в постоянном состоянии.

В левом случае разность напряжений VIN , которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей / VSS, управляет выходным током, протекающим от коллектора к эмиттеру. Разница напряжений между VCC и GND практически одинакова на нагрузке.

В правой цепи ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .

  I  RL2  = V  IN  / R  S   

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) может быть переключен « на » и « OFF » путем активации затвора. Если мы сделаем затвор более положительным, подав напряжение на затвор, эмиттер IGBT будет поддерживать IGBT в состоянии « ON », и если мы сделаем затвор отрицательным или нулевым нажатием, IGBT останется в состоянии « OFF ». Это то же самое, что и переключение BJT и MOSFET.

Кривая I-V IGBT и передаточные характеристики

На приведенном выше изображении показаны ВАХ в зависимости от разного напряжения затвора или Вge . Ось X обозначает напряжение коллектора-эмиттера или Vce , а ось Y обозначает ток коллектора . В выключенном состоянии ток, протекающий через коллектор и напряжение затвора, составляет ноль .Когда мы меняем Vge или напряжение затвора, устройство переходит в активную область. Стабильное и постоянное напряжение на затворе обеспечивает непрерывный и стабильный ток через коллектор. Увеличение на Vge пропорционально увеличивает ток коллектора, Vge3> Vge2> Vge3 . BV — напряжение пробоя IGBT.

Эта кривая почти идентична кривой передачи I-V BJT, но здесь показано Vge , потому что IGBT — это устройство, управляемое напряжением.

На изображении выше показана передаточная характеристика IGBT. Он практически идентичен PMOSFET . IGBT перейдет в состояние « ON » после того, как Vge превысит пороговое значение в зависимости от спецификации IGBT.

Вот сравнительная таблица, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT и POWER BJT и Power MOSFET .

Характеристики устройства	IGBT	МОП-транзистор питания	ПИТАНИЕ BJT
Номинальное напряжение	Более 1 кВ (очень высокое)	Менее 1 кВ (высокое)	Менее 1 кВ (высокое)
Текущий рейтинг	Более 500 А (высокий)	Менее 200 А (высокий)	Менее 500 А (высокий)
Устройство ввода	Напряжение, Vge, 4-8В	Напряжение, Вгс, 3-10В	Ток, hfe, 20-200
Входное сопротивление	Высокая	Высокая	Низкая
Выходное сопротивление	Низкая	Средний	Низкая
Скорость переключения	Средний	Быстро (нС)	Медленно (США)
Стоимость	ВЫСОКИЙ	Средний	Низкая

В следующем видео мы увидим схему переключения транзистора IGBT .

,

Работа транзисторов в качестве переключателя и усилителя

Первый транзистор с биполярным переходом был изобретен в 1947 году в лабораториях Bell. «Две полярности» сокращенно обозначают как биполярный, отсюда и название Транзистор с биполярным соединением . BJT — трехконтактное устройство с коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E). Для идентификации выводов транзистора требуется схема выводов конкретной части BJT, она будет доступна в таблице данных. Есть два типа BJT — NPN и PNP транзисторов.В этом уроке мы поговорим о транзисторах NPN. Давайте рассмотрим два примера NPN-транзисторов — BC547A и PN2222A, показанных на изображениях выше.

В зависимости от процесса изготовления конфигурация выводов будет изменяться, и подробности будут доступны в соответствующем техническом описании. По мере увеличения номинальной мощности транзистора необходимо прикрепить радиатор к корпусу транзистора. Несмещенный транзистор или транзистор без напряжения, приложенного к клеммам, аналогичен двум диодам, соединенным задними сторонами , как показано на рисунке ниже.

Диод D1 имеет свойство обратной проводимости, основанное на прямой проводимости диода D2. Когда через диод D2 протекает ток, диод D1 воспринимает ток, и пропорциональный ток может течь в обратном направлении от вывода коллектора к выводу эмиттера при условии, что на выводе коллектора приложен более высокий потенциал. Константа пропорциональности — это усиление (β).

Работа NPN транзисторов:

Как обсуждалось выше, транзистор представляет собой устройство с управляемым током, которое имеет два обедненных слоя с определенным барьерным потенциалом, необходимым для диффузии обедненного слоя.Потенциал барьера для кремниевого транзистора составляет 0,7 В при 25 ° C и 0,3 В при 25 ° C для германиевого транзистора. В основном используются транзисторы кремниевого типа, поскольку кремний является самым распространенным элементом на Земле после кислорода.

Внутренний оператор:

Конструкция npn-транзистора заключается в том, что области коллектора и эмиттера легированы материалом n-типа, а базовая область легирована небольшим слоем материала p-типа.Область эмиттера сильно легирована по сравнению с областью коллектора. Эти три области образуют два стыка. Это переход коллектор-база (CB) и переход база-эмиттер.

Когда на переход база-эмиттер прикладывается потенциал VBE, возрастающий от 0 В, электроны и дырки начинают накапливаться в обедненной области. Когда потенциал увеличивается выше 0,7 В, достигается барьерное напряжение и происходит диффузия. Следовательно, электроны текут к положительному выводу, и ток базы (IB) протекает противоположно потоку электронов.Кроме того, ток от коллектора к эмиттеру начинает течь, если на выводе коллектора подано напряжение VCE. Транзистор может действовать как переключатель и усилитель.

Рабочий регион в зависимости от режима работы:

1. Активная область, IC = β × IB — работа усилителя

2. Область насыщения, IC = ток насыщения — переключение (полностью включено)

3. Область отключения, IC = 0 — переключение (полностью выключено)

Транзистор как переключатель:

Для объяснения с PSPICE была выбрана модель BC547A.Первое, что нужно иметь в виду — использовать в базе резистор, ограничивающий ток. Более высокие базовые токи повредят BJT. В таблице данных максимальный ток коллектора составляет 100 мА, и указано соответствующее усиление (hFE или β).

Шаги по выбору компонентов,

1. Найдите ток коллектора — это ток, потребляемый вашей нагрузкой. В этом случае это будет 60 мА (катушка реле или параллельные светодиоды) и резистор = 200 Ом.

2. Чтобы перевести транзистор в состояние насыщения, должен быть подан достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью открыт.Вычисление тока базы и соответствующего резистора, который будет использоваться.

Для полного насыщения базовый ток составляет примерно 0,6 мА (не слишком высокий или слишком низкий). Таким образом, ниже приведена схема с 0 В на базу, во время которой переключатель находится в выключенном состоянии.

a) Имитация PSPICE BJT в качестве коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Теоретически переключатель полностью разомкнут, но практически может наблюдаться протекание тока утечки.Этим током можно пренебречь, поскольку они находятся в пА или нА. Для лучшего понимания управления током транзистор можно рассматривать как переменный резистор между коллектором (C) и эмиттером (E), сопротивление которого изменяется в зависимости от тока через базу (B).

Первоначально, когда ток не течет через базу, сопротивление на CE очень велико, и ток не течет через него. Когда на базовый вывод подается потенциал 0,7 В и выше, переход BE диффундирует и вызывает диффузию перехода CB.Теперь ток течет от коллектора к эмиттеру в зависимости от коэффициента усиления.

a) Имитация PSPICE BJT в качестве коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Теперь давайте посмотрим, как контролировать выходной ток, управляя базовым током. Учитывая IC = 42 мА и следуя той же формуле выше, мы получаем IB = 0,35 мА; RB = 14,28кОм ≈ 15кОм.

a) Имитация PSPICE BJT в качестве коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Отклонение практического значения от расчетного связано с падением напряжения на транзисторе и используемой резистивной нагрузкой.

Транзистор как усилитель:

Усиление — это преобразование слабого сигнала в пригодную для использования форму. Процесс усиления был важным этапом во многих приложениях, таких как беспроводные передаваемые сигналы, беспроводные принимаемые сигналы, Mp3-плееры, мобильные телефоны и т. Д. Транзистор может усиливать мощность, напряжение и ток в различных конфигурациях.

Некоторые из конфигураций, используемых в схемах усилителя:

1. Усилитель с общим эмиттером
2. Усилитель с общим коллектором
3. Усилитель с общей базой

Из вышеперечисленных типов распространенный тип эмиттера является популярной и наиболее часто используемой конфигурацией.Работа происходит в активной области. Примером может служить схема одноступенчатого усилителя с общим эмиттером. Стабильная точка смещения постоянного тока и стабильное усиление по переменному току важны при разработке усилителя. Назовите одноступенчатый усилитель, когда используется только один транзистор.

Выше представлена ​​схема одноступенчатого усилителя , где слабый сигнал, подаваемый на вывод базы, преобразуется в β, умноженный на фактический сигнал на выводе коллектора.

Назначение детали:

CIN — это конденсатор связи, который передает входной сигнал на базу транзистора.Таким образом, этот конденсатор изолирует источник от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. CE — это байпасный конденсатор, который действует как путь с низким сопротивлением для усиленного сигнала. COUT — это конденсатор связи, который передает выходной сигнал с коллектора транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует выход от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. R2 и RE обеспечивают стабильность усилителя, тогда как R1 и R2 вместе обеспечивают стабильность в точке смещения постоянного тока, действуя как делитель потенциала.

Операция:

Схема работает мгновенно для каждого временного интервала. Чтобы просто понять, когда напряжение переменного тока на клемме базы увеличивается, соответствующее увеличение тока протекает через резистор эмиттера. Таким образом, это увеличение тока эмиттера увеличивает ток коллектора, протекающий через транзистор, что снижает падение напряжения коллектора-эмиттера VCE. Аналогичным образом, когда входное переменное напряжение экспоненциально уменьшается, напряжение VCE начинает расти из-за уменьшения тока эмиттера.Все эти изменения напряжений мгновенно отражаются на выходе, который будет инвертированной формой волны входа, но усиленной.

Характеристики	Общая база	Общий эмиттер	Общий коллектор
Коэффициент усиления по напряжению	Высокая	Средний	Низкий
Текущее усиление	Низкий	Средний	Высокая
Прирост мощности	Низкий	Очень высокий	Средний

Таблица: Таблица сравнения коэффициентов усиления

На основании приведенной выше таблицы можно использовать соответствующую конфигурацию.

,