В системах управления электроники в качестве усилителей, коммутаторов, компараторов, а также различного типа генераторов широко используются транзисторы.
При расчете системы управления на транзисторах необходимо знать параметры статического режима, которые принимаются по справочным данным или определяются по статическим характеристикам.
В справочниках обычно изображают характеристики для одной из схем. Входные и выходные ВАХ аналогичны характеристикам полупроводниковых диодов. Так как эмиттерный переход при подаче входного напряжения смещается в прямом направлении, то и его входные характеристики подобны прямым ветвям ВАХ диода. К коллекторному переходу транзисторов прикладывается обратное напряжение и выходной ток определяется неосновными носителями базы и коллектора, поэтому выходная характеристика по форме совпадает с обратной ветвью ВАХ диода. Если входной ток транзистора равен нулю, что соответствует разомкнутой входной цепи, то выходной ток равен сквозному току, то есть току собственных носителей коллекторного перехода.
|
|
Следовательно, при Iвх = 0 выходная характеристика полностью совпадает с обратной ветвью ВАХ диода. Увеличение входного тока ведет к увеличению выходного, поэтому все выходные характеристики при Iвх > 0 располагаются выше относительно характеристики с Iвх = 0. Например, для схемы с общим эмиттером входным является ток базы, а выходным – ток коллектора (на рис. 13.1 при Iб > 0 все выходные характеристики смещены вверх). Увеличение тока базы Iб, который является составной частью тока эмиттера Iэ, возможно только при увеличении последнего. Токи эмиттера, базы и коллектора связаны между собой соотношением: .
Рис. 13.1. Характеристики транзистора: а – входные; б – выходные (для КТ312А, КТ312Б DIб = 0,1 мА; для КТ312В DIб = 0,05 мА)
Основные носители из эмиттера при открытом эмиттерном переходе попадают в базу, где, являясь неосновными, втягиваются увеличенным внешним полем коллекторного перехода и большей частью попадают в коллектор. Таким образом, чем больше ток базы, тем больше и ток коллектора при неизменном напряжении на коллекторе. Это подтверждают выходные статические характеристики транзистора (рис. 13.1).
По статическим входным и выходным характеристикам рассчитываются параметры транзистора, определяющие возможности его использования в различных схемах. С помощью этих параметров можно определить практически все элементы любой схемы в соответствии с поставленной задачей.
Параметры транзисторов разделяют на первичные (собственные) и вторичные. Первичные характеризуют свойства самого транзистора и не зависят от схемы его включения. Они определяются эквивалентной схемой замещения с генератором напряжения или тока. На рис. 13.2 представлен пример такой Т-образной схемы замещения с общим эмиттером и генератором тока.
|
|
Рис. 13.2. Схема замещения транзистора с общим эмиттером |
Данную Т-образную схему можно считать несколько упрощенной. На схеме замещения показаны основные первичные (собственные) параметры транзистора: сопротивление эмиттера rэ, базы rб и коллектора rк.
Первичные и вторичные параметры между собой находятся во взаимной связи.
Расчеты вторичных параметров основаны на том, что транзистор представляется в виде активного четырехполюсника. При расчете и анализе схем информационной электроники пользуются системой h-параметров. Если входные ток и напряжение обозначить Iвх, Uвх, а выходные – Iвых, Uвых, то их связь через h-параметры выражается в виде уравнений:
.
Из уравнений независимо от схемы включения можно определить все h-параметры: h11, h12, h21, h22.
Как правило, в справочниках приводятся данные только по некоторым из h-параметров, чаще всего – h21. Этого недостаточно для расчета транзисторных схем.
Для определения остальных h-параметров, а также уточнения h21, используются статические входные и выходные характеристики. При этом на прямолинейных участках ВАХ выбираются рабочие точки, строятся характеристические треугольники, где отмечаются приращения токов и напряжений, и по их отношению рассчитываются все h-параметры, соответствующие выбранной схеме включения. Далее по рассчитанным значениям h-параметров определяются первичные или собственные параметры транзистора.
Расчета h-параметров для одного из транзисторов малой мощности, например КТ 312А. По семейству входных характеристик можно определить входное сопротивление и коэффициент обратной связи по напряжению. Для расчета этих параметров на характеристиках выбирается прямолинейный участок, строятся характеристические треугольники и определяются приращения напряжений и токов.
Входное сопротивление h11 при коротком замыкании на входе (, ): Ом, В.
Коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутой входной цепи (, ): , мА.
Выходные характеристики транзисторов дают возможность определить параметры, характеризующие не только усилительные свойства транзистора, но и выходное сопротивление, которое важно знать для согласования с последующим усилительным каскадом.
Коэффициент усиления по току определяется при коротком замыкании на выходе по приращениям тока коллектора и базы (, ): , В.
Выходная проводимость рассчитывается при неизменном токе базы по приращениям тока и напряжения коллекторной цепи (холостой ход на входе):
См.
Выходное сопротивление – это параметр, обратный выходной проводимости.
По рассчитанным вторичным параметрам можно определить первичные по следующим соотношениям:
– входное сопротивление: ;
– коэффициент обратной связи: ;
– коэффициент усиления: ;
– выходную проводимость: .
Собственные параметры схемы замещения определяются путем совместного решения этих уравнений, откуда .
Сопротивление коллекторного перехода можно рассчитать по формуле через вычисленные ранее вторичные параметры:
кОм.
Сопротивление эмиттерного перехода:
Ом.
Сопротивление цепи базы: Ом.
При расчетах значение rб может оказаться отрицательной величиной, это означает, что рассчитанные для выбранной рабочей точки параметры являются несовместимыми.
При несовместимости параметров необходимо выбрать другую рабочую точку, для которой h-параметры будут иными, и снова повторить расчет до получения положительного значения сопротивления базы. Эта точка может быть выбрана не обязательно на прямолинейных участках входных и выходных характеристик. Иногда при несовместимости h-параметров в качестве исходных данных за верные принимают три из четырех, а затем четвертый определяют с учетом трех остальных.
|
|
Статические параметры определяют свойства самого транзистора и являются вспомогательными для расчетов при наличии нагрузки. При работе транзистора под нагрузкой все напряжения и токи в его цепях изменяются одновременно. Этот режим называют динамическим, и он характеризуется динамическими параметрами, которые в общем случае являются комплексными величинами. К ним относятся: динамические входное zвх и выходное zвых сопротивления, а также коэффициенты усиления по току кi, напряжению кu и мощности кp. При работе биполярного транзистора на низких частотах сопротивления можно считать чисто активными и использовать любую систему параметров и схему замещения. Используя общеизвестную Т-образную схему замещения, можно получить формулы для определения динамических параметров:
,
где zи – внутреннее сопротивление источника; zн – сопротивление нагрузки.
Параметр определяется по рассчитанным ранее h-параметрам из выражения
.