Принцип работы биполярного транзистора

15. Изобразите структурную схему и объясните принцип работы биполярного транзистора p-n-p.

     Биполярным  транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. Крайние области называются эмиттер и коллектор, а средняя – база. Условное изображение структуры p-n-p и условное графическое обозначение на принципиальных схемах показаны на рис. 1.

Рис. 1

• Э - эмиттер,
• Б - база,
• К - коллектор,
• ЭП - эмиттерный переход,
• КП - коллекторный переход

     Принцип работы транзисторов обоих типов  одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n–типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p–типа–дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники тока обратной полярности.

     Принцип работы биполярного транзистора  рассмотрим на примере транзистора p-n-p типа включенного по схеме с (ОБ) общей базой (рис.1.2). Между р- и n- областями возникают p-n переходы. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным (ЭП), а переход между коллектором и базой  - коллекторным (КП). Как показано на рис.1.2, коллекторная цепь транзистора подключается к источнику э.д.с. - Е_кб т.е. КП смещен в обратном направлении. В коллекторном переходе напряженность поля под действием Е_кб возрастает. Это приводит к появлению незначительного обратного тока I_ко в коллекторной цепи, обусловленного движением неосновных носителей зарядов. Этот ток существенно возрастает с увеличением температуры, поэтому его называют тепловым током коллектора – I_ко.

     Эмиттерный переход внешним источником напряжения смещен в прямом направлении (ЭП, рис.1.2). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной I_э(n) и дырочной I_э(p) электропроводностями:

     Особенность транзистора состоит, в том, что  концентрация дырок в эмиттере намного  больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной (1). В базе происходит накопление неосновных носителей зарядов–дырок. В результате диффузии дырки перемещаются к коллекторному переходу. Часть дырок при этом рекомбинирует в базе с электронами, что создают ток в цепи базы I_б. Но так как толщина базы очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратновключенного перехода, увлекаются им через переход в коллекторную область и далее – к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником э.д.с, что создает ток в коллекторной цепи I_к.

     Таким образом, ток эмиттера равен сумме  токов базы I_б и коллектора I_к:

     Ток коллектора состоит из потока дырок  инжектируемых эмиттером за вычетом  тока базы и собственного теплового  тока коллекторного перехода:

 где α = I_к/I_э – коэффициент передачи тока эмиттера; I_к0 – тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода.

     Отсюда, ток базы равен:

Этот  ток составляет не более 1% от тока эмиттера.

     Все сказанное справедливо также  для транзистора n-p-n–типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

Рис.1.3.

     В зависимости от того какой из выводов  транзистора является общим между  входным источником сигнала и  выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения  транзистора в электрическую  цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с  общим коллектором (ОК), с общей  базой (ОБ) (рис. 1.3).

     28. Устройство, принцип  работы, условное  обозначение и  область применения  газоразрядного цифрового  индикатора.

     Для визуальной индикации электрических  сигналов широко используются цифровые и буквенные индикаторы — многоэлектродные приборы тлеющего разряда, в которых имеется несколько катодов в форме арабских цифр (от 0 до 9), букв, символов и других знаков (запятая, минус, плюс и т. д.). При горении разряда яркое свечение того или иного катода наблюдается через купол или боковую стенку баллона лампы.

     Такие индикаторы применяются в счетно-решающих устройствах, в различных измерительных приборах и другой аппаратуре дискретного действия, для визуального представления выходных данных. Индикаторы отличаются высокой яркостью и контрастностью изображения, малой потребляемой мощностью (десятые доли ватта), простотой и надежностью. Индикаторы обычно наполняются неоном и имеют оранжево-красное свечение.

     Катоды  индикатора имеют самостоятельные  выводы и расположены один за другим на расстоянии около 1 мм. Форма катодов и их размеры выбираются так, чтобы создать лишь минимальное перекрытие цифр и знаков, расположенных сзади. Этим же определяются порядок расположения цифр, а также конструкция сетчатого анода. Свечение тлеющего разряда около горящего катода имеет достаточную ширину (до 2 мм), поэтому остальные электроды экранируют не более 20 % светового потока, не ухудшая четкости индикации горящего светового знака.

     Значение  рабочего тока ограничивается сопротивлением в цепи анода (рабочий ток — ток в цепи анода прибора).

     При подаче напряжения на один из катодов  в лампе возникает тлеющий  разряд, при этом ток должен быть таким, чтобы достаточно ярко светился весь катод. В процессе эксплуатации рабочий ток не должен выходить за пределы, указанные в справочных данных. При больших значениях тока возможен переход в область аномального тлеющего разряда, возрастает распыление материала катода и сокращается долговечность прибора.

     Снижение  рабочего тока также недопустимо, так  как в процессе работы поверхность  катодов загрязняется (из-за распыления с соседних катодов), и для хорошего свечения всей поверхности катодов требуется несколько большее напряжение горения. Поэтому установленное значение рабочего тока обычно должно превышать значение тока индикации. (Ток индикации — ток через прибор, при котором покрытые разрядным свечением катоды — цифры, буквы, символы — обеспечивают надежную визуальную индикацию.)

     В ряде случаев используется питание  анода импульсным напряжением. Ток в импульсе может быть достаточно большим, кажущаяся яркость свечения повышается благодаря инерции зрения, хотя среднее значение тока оказывается ниже номинального. Благодаря этому поддерживаются высокая яркость свечения и надежная индикация цифр — катодов, в то же время долговечность приборов не снижается.

     Долговечность индикаторов уменьшается, если разряд длительное время идет на один и  тот же катод. Желательно, чтобы при работе прибора поочередно использовались все катоды, при этом периоды нагрузки каждого катода должны быть короткими.

     Для нормальной работы индикатора тлеющего разряда необходима определенная начальная ионизация, снижающая время запаздывания зажигания разряда. Такая ионизация обычно создается внешним освещением. В темноте время запаздывания увеличивается и может составлять 1с.

     Газоразрядные индикаторы, класс газоразрядных приборов, предназначенных для визуального воспроизведения информации; разновидность отображения информации приборов. Широко применяются в устройствах автоматики, промышленной электроники, контрольно-измерительных приборах, ЭВМ и др. Условное обозначение представлено на рис.2

   Рис.2 Индикатор тлеющего разряда ИН-1. Катоды в форме арабских цифр высотой 17 мм.

   Индикация осуществляется через  купол баллона.

   Оформление  — стеклянное, с  цоколем (РШ19). Масса 35 г. 

     Среди индикаторов широко представлены цифровые индикаторы: ИН-1 (рис.1), ИН-2, ИН-4, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-14, ИН-16, ИН-1.7, ИН-18. В их числе приборы в миниатюрном и сверхминиатюрном оформлении, с индикацией светящихся катодов — цифр — через купол или боковую поверхность баллона. Используя цифровые индикаторы в сочетании со знакобуквенными (ИН-5А, ИН-5Б, ИН-7, ИН-7А, ИН-7Б, ИН-15А, ИН-15Б, ИН-19А, ИН-19Б, ИН-19В), можно создавать многоразрядные информационные устройства с визуальной индикацией не только чисел, но и единиц измерения, вида электрических сигналов, различных символов. В приборах ИН-8-2, ИН-12Б имеется дополнительный электрод — «запятая», а в индикаторе ИН-14— два катода — «запятые». Один из этих катодов может быть использован как дежурный электрод для создания некоторой начальной ионизации, снижающей время запаздывания зажигания разряда.

     Для построения многоразрядных систем иногда бывает удобно использовать индикаторы в прямоугольном баллоне, так  как при этом уменьшается расстояние между соседними знаками.

     Большинство индикаторов могут работать в  диапазоне температур окружающей среды от —60 до +70°С, однако предельные значения ухудшают надежность приборов и допустимы лишь кратковременно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     44. Выходной трансформатор,  его основные параметры:  коэффициенты трансформации,  сопротивление нагрузки.

     Выходные  трансформаторы применяются для  согласования сопротивления громкоговорителя с сопротивлением анодной цепи выходной лампы. Согласование это необходимо для того, чтобы можно было получить от лампы ту мощность, на которую  она рассчитана. Отдать же наибольшую мощность лампа может только в  том случае, если в анодной цепи ее стоит нагрузка с сопротивлением, являющимся оптимальным для данной лампы. В справочниках эта оптимальная  нагрузка обозначается обычно Rа или Rа опт.

     Анодная нагрузка выходных низкочастотных ламп составляет обычно несколько тысяч  ом, в то время как сопротивление обмоток современных громкоговорителей равна единицам ом. Если громкоговоритель с такой низкоомной звуковой катушкой включить прямо в анодную цепь лампы, то только маленькая доля мощности будет расходоваться на громкоговорителе, а вся остальная мощность будет бесполезно тратиться на нагрев лампы. При включение же в анодную цепь лампы понижающего трансформатора, к выходной обмотке которого подключен громкоговоритель, положение резко изменится.

     Трансформатор, понижая напряжение, действующее  в анодной цепи лампы, в то же время  как бы «повышает» сопротивление, подключенное к анодной цепи. Если коэффициент трансформации выходного трансформатора равен 20:1, т.е. во вторичной (выходной) обмотке в 20 раз меньше витков, чем в первичной (анодной), то напряжение, подводимое к громкоговорителю, будет в 20 раз меньше действующего на аноде лампы, а сопротивление, «ощущаемое» лампой, станет в 400 раз больше сопротивления обмотки громкоговорителя, т.е.  возрастет в 20*20=20² раз. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     60. Начертите схему  блокинг-генератора  и объясните назначение  каждого элемента  схемы, принцип  работы и области  его применения.

     Блокинг-генератор, одноламповый или однотранзисторный генератор с сильной трансформаторной обратной связью, создающий импульсы малой длительности, периодически повторяющиеся через сравнительно большие промежутки времени. Рабочая схема блокинг-генератора приведена на рис. 4

   Рис. 4 Автоколебательный блокинг-генератор.

   Выходное  напряжение (пнк импульса) ≈ напряжение источника питания, где

   Тр_i = 1:1, Tp₁ = 5 : 1 (типовой случай); частота = 1/R₁C₁; максимальная импульсная мощность = (выходное напряжение) ²/полное сопротивление нагрузки; средняя рассеиваемая мощность ≈ максимальная импульсная мощность x рабочий цикл; C₁ ≈ 0,1 - 10 мкФ;

   R₁ ≈ 0,5 МОм или меньше. 

      Блокинг-генератор представляет собой один из наиболее простых полупроводниковых генераторов и работает на принципе релаксации. Транзистор первоначально смещен в прямом направлении и обеспечивает  прохождение  тока через первичную обмотку трансформатора. Это приводит к тому, что сигнал через конденсатор С₁ поступает на базу транзистора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис.4.1 Форма выходного сигнала типового блокинг-генератора.

   Длительность  импульса зависит  от отношения С и R; длительность одного периода зависит от постоянной времени RC; рабочий цикл  = длительность импульса/длительность одного периода. 

     Поскольку база жестко смещена в прямом направлении, конденсатор С₁ быстро заряжается через смещенный в прямом направлении переход эмиттер — база транзистора. Вследствие быстрого включения коллекторного тока на вторичной обмотке трансформатора Тр₁ создается выходной импульс, крутизна которого ограничивается только индуктивностью рассеяния трансформатора Тр₁. Прямолинейность вершины этого импульса определяется насыщением тока коллектора. При достижении транзистором режима насыщения сигнал обратной связи спадает и более не создает прямого смещения на транзисторе. При разряде конденсатора С₁ транзистор Т₁ смещается в обратном направлении; разряд конденсатора происходит медленно (через резистор R₁). При появлении прямого смещения на транзисторе цикл колебаний начинается вновь. Постоянная времени R₁C₁ определяет время выключения (паузы) между импульсами и, следовательно, частоту колебаний блокинг-генератора.

     Форма выходного сигнала блокинг-генератора изображена на рис 4.1.

     Блокинг-генераторы не пригодны для диапазона звуковых частот или в тех случаях, когда  требуется сигнал синусоидальной формы (или хотя бы близкий к синусоидальной форме). Однако блокинг-генераторы представляют собой превосходные формирователи  импульсов с крутыми фронтами, которые необходимы в переключающих  устройствах. Выходные сигналы блокинг-генератора со временем нарастания импульса порядка 0,1 мкс не являются редкостью.

   Рис. 4.2. Ждущий блокинг-генератор.

   Выходное  напряжение (пик импульса) ≈ напряжение источника питания, где Тp = 1:1;  частота = 1/R₁C₁; максимальная импульсная мощность = (выходное напряжение) ²/полное сопротивление нагрузки; R₁ ≈ 0,5 МОм или меньше ≈ входное полное сопротивление генератора; С₁ ≈ 0,1 — 10 мкФ; средняя рассеиваемая мощность ≈ максимальная импульсная мощность x рабочий цикл; обратное смещение ≈ пиковое значение импульса запуска X 0,5; С₁ ≈ 1/частота x R_1. 

     Блокинг-генераторы можно использовать и в качестве ждущих генераторов, где после подачи запускающего импульса формируется  одиночный выходной импульс. Для  этого требуется сместить переход  эмиттер - база транзистора в обратном направлении, как показано на рис. 4.2. В этой структуре транзистор первоначально находится в режиме отсечки, при этом запускающий импульс смещает рабочую точку транзистора в активную область, что достаточно для начала цикла импульса.

     Достоинства блокинг-генератора  это простота устройства; лёгкая  синхронизация  и стабилизация колебаний; возможность  получения большой мощности в  импульсе при малой средней мощности. Одно из основных достоинств блокинг-генератора состоит в том, что между импульсами он потребляет незначительный ток. Следовательно, в течение короткого времени с его выхода можно снять мощные импульсы тока без превышения мощностных параметров транзистора.

     Его применяют в импульсной технике  для получения мощных импульсов  малой длительности, в телевизионных  и радиолокационных развёртывающих устройствах, в делителях частоты  и др.

     При расчете схем необходимо принимать во внимание следующие специальные характеристики.

     Напряжение  выходного сигнала. Если первичная и вторичная обмотки трансформатора Тр₁ имеют одинаковое число витков (соотношение числа витков 1:1), то выходное напряжение (пик импульса) приблизительно равно напряжению источника питания. Как правило, вторичная обмотка трансформатора Тр₁ содержит меньшее число витков, чем первичная обмотка, что обеспечивает пониженное выходное напряжение. При использовании разновидности схем (рис. 4.2), реализованной на трансформаторе без отвода (конденсатор С₁ подключен ко вторичной обмотке), полное выходное напряжение в течение короткого пика импульса прикладывается к базе транзистора. В определенных условиях это может привести к выходу транзистора из строя. Можно рекомендовать использовать соотношение числа витков обмоток 5: 1, при этом выходное напряжение составит приблизительно одну пятую напряжения источника питания.

     Выбор трансформатора. В блокинг-генераторе можно применять трансформаторы любого типа при условии, что первичная обмотка выдерживает работу при токах и напряжениях, соответствующих подключению к вторичной обмотке требуемого выходного полного сопротивления. На первичной обмотке трансформатора существует мгновенный выброс напряжения, равный приблизительно удвоенному значению напряжения источника питания. Для использования в блокинг-генераторах часто конструируются специальные трансформаторы. Такие трансформаторы снабжаются справочными данными по расчету схем блокинг-генераторов. Эту информацию и необходимо использовать при проектировании.

     Выбор транзистора. Выбранный транзистор должен обеспечивать режим генерации на требуемой частоте и выдерживать длительное время приложенное полное напряжение источника питания. Мгновенное напряжение, сосредоточенное на первичной обмотке трансформатора, также прикладывается к транзистору. Таким образом, в течение пика импульса коллектор транзистора может находиться при удвоенном напряжении источника питания. Этого можно избежать, если включить в первичную обмотку трансформатора диод CR₁ который обозначен на рис. 4 штриховой линией. Выбранный диод должен быть рассчитан на двойное приложенное напряжение источника питания (без пробоя). Поскольку любой диод характеризуется некоторым током утечки и прямым падением напряжения, то введение в схему этого диода может привести к уменьшению напряжения выходного сигнала.

В блокинг-генераторе трудно рассчитать ток через транзистор и результирующую мощность рассеяния. Поделив квадрат предполагаемого выходного напряжения (на вторичной обмотке трансформатора) на предполагаемое полное сопротивление нагрузки, найдем в первом приближении максимальную мощность импульса. Средняя же мощность, которую рассеивает транзистор, зависит от расстояния между импульсами (скважности импульсов).

     Требования  по организации смещения. Автоколебательная разновидность схемы блокинг-генератора в начальном состоянии имеет прямое смещение, которое задается через резистор R₁. Уровень этого смещения не является критичным. Чтобы схема перешла в режим возбуждения, к переходу эмиттер — база прикладывается полное прямое смещение и полное обратное смещение при заряде и разряде конденсатора С₁. Для ждущей разновидности блокинг-генератора (рис. 4.2) требуется создание обратного смещения перехода эмиттер — база. Это смещение не должно превышать напряжения запускающего сигнала. Ориентировочно выбирают это напряжение обратного смещения равным приблизительно половине напряжения импульса запуска.

     Рабочая частота колебаний. Рабочая частота колебаний приблизительно обратно пропорциональна постоянной времени R₁C₁. Точное же значение этой частоты вычислить трудно, поскольку на процесс заряда и разряда конденсатора оказывают влияние и параметры транзистора, и параметры трансформатора. Напряжение источника питания также может влиять на частоту колебаний. Однако блокинг-генераторы обладают очень высокой стабильностью относительно пульсаций напряжения источника питания. Для обеспечения заданной постоянной времени (следовательно, частоты колебаний) можно использовать любые номиналы R и С. Однако в основном целесообразно придерживаться следующего правила. Для работы автоколебательного блокинг-генератора в диапазоне звуковых частот при номинале конденсатора С₁ в пределах 0,1 —10 мкФ значения резистора не должны превышать 0,5 МОм. При увеличении номинала конденсатора С (при соответствующем снижении номинала резистора R), который определяет требуемую постоянную времени RC, возрастает длительность импульса относительно полного цикла, т. е. возрастает время включения транзистора (цикл полезной работы). При этом возрастает рассеиваемая транзистором мощность, а также и средняя мощность выходного сигнала. 
 
 
 
 
 

77. Начертите схему электронного параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока на полупроводниковом стабилитроне, объясните принцип его работы, достоинства недостатки.

     В большинстве случаев радиоэлектронные устройства требуют для своей  работы стабильного напряжения, которое  не должно зависеть от колебаний сетевого напряжения, а также от изменения  тока в нагрузке. Для стабилизации напряжения применяются параметрические  стабилизаторы.

     Принцип действия основан на свойствах полупроводниковых  стабилитронов. Полупроводниковые стабилитроны, работающие в режиме пробоя р-n перехода, можно успешно использовать в качестве стабилизаторов напряжения.

     Различные типы стабилитронов имеют номинальные  напряжения пробоя от 2,4 до 200 В с допустимым отклонением 5—20 % номинального значения. В стабилизаторах этого типа используется нелинейное свойство вольтамперных характеристик стабилитронов, а именно свойство сохранять почти постоянным напряжение при изменении тока через прибор, при этом изменяется сопротивление стабилитрона по постоянному току, определяемое как результат деления напряжения пробоя на ток, протекающий через стабилитрон. Так как напряжение почти постоянно, то сопротивление уменьшается с ростом тока и, напротив, увеличивается, если ток уменьшается. 

Рис.5 

     В параметрических стабилизаторах напряжения стабилитрон включен последовательно  с балластным резистором Rs, имеющим постоянное сопротивление, и параллельно с нагрузкой R_L (рис. 5). Поэтому параметрические стабилизаторы относятся к разряду параллельных стабилизаторов. Для получения отрицательного выходного напряжения достаточно изменить полярность входного напряжения и последовательность включения электродов стабилитрона. Ток, протекающий через резистор Rs, равен сумме токов стабилитрона и нагрузки. При изменениях входного нестабилизированного напряжения напряжение на стабилитроне и нагрузке постоянно, и, следовательно, все изменение входного напряжения выделяется на резисторе Rs. Это приводит к изменению тока через резистор Rs и тока стабилитрона. Следует помнить, что нормальная работа стабилитрона гарантируется, если ток стабилитрона лежит в допустимых пределах.

     10. Импульсный трансформатор, устройство, назначение, область применения.

     Импульсный  трансформатор (ИТ) — трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе. Импульсные трансформаторы , предназначенные для трансформирования коротких импульсов с минимальными искажениями и работающие в режиме переходных процессов, находят применение в различных импульсных устройствах.