Схема с общей базой

Содержание

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора для чайников опишем на образце P→N→P транзисторного аппарата на рисунке 3. Принцип работы биполярного транзистора N→P→N вида сходен переходу в прямом направлении, только в этом случае заряды — электрические частицы движутся от «К» до «Э». Для выполнения данного условия необходимо всего на всего изменить полярность подключенного напряжения.

Рисунок 3 — Принцип работы P→N→P транзистора

При отсутствии внешних возмущений, внутри биполярника между его слоями будет существовать разность зарядов. На границах раздела будут установлены единые барьерные мосты, так как в это время доля «дырок» в коллекторе соответствует их численности в эмиттере.

Для точной работы биполярного транзистора переход в коллекторном пласте необходимо сместить в противоположном курсе, в то же время в эмиттере направленность перехода должна быть прямым. В этом случае режим функционирования будет активным.

Для выполнения вышеуказанных условий необходимо применить два питания, один из которых с положительным знаком соединяем с концом эмиттера, «минус» подключаем к базовому слою. Второй источник напряжения соединяем в следующем порядке: «плюс» к базовому концу, «минус» — к концу коллектора. Изобразим подключение на рисунке 4.

Рисунок 4 — Принципиальная схема подключения транзистора

Под воздействием напряжения Uэ, Uк через барьеры совершается переход дырок в эмиттере №1-5 и в базовом слое электрически заряженных частиц №7,8. В данном случае величина тока в эмиттере будет зависеть от количества переходов дырок, так как их больше.

Дырки, которые перешли в базовый слой собираются у барьерного перехода. Тем самым у границы с эмиттерным слоем будет собираться массовое количество дырок, в то же время у границы с «К», концентрация их существенно ниже. В связи с этим начнется диффузия дырок к «К» и близи границы произойдет их ускорение поля «Б» и переход в «К».

При перемещении через средний слой базы дырки рекомбинируют, заряженный электрон 6 замещает дырку 5. Такое перемещение будет совершаться с увеличением плюсового заряда при переходе дырок, соответственно движение зарядов в обратном направлении будет создавать ток определенной величины, а база остается электрически нейтральной.

Число дырок, которые перешли в коллектор будет меньше числа, которые покинули эмиттер. Это значит, что электрический ток «К» будет отличаться от значения тока «Э».

Обратный переход дырок из коллектора нежелателен и снижает эффективность транзистора, потому что переход осуществляется не основными, а вспомогательными носителями энергии и зависит данный переход сугубо от величины температуры. Данный ток носит название тока тепла. По значению теплового тока судят о качестве биполярного транзистора.

Рисунок 5 — Направление токов в биполярном транзисторе

На основании выше изложенного напрашивается вывод: любое изменение тока в структуре слоев эмиттер — база сопровождается изменением величины тока коллектора, причем самое малое изменение «базового» тока приведет к значимой коррекции выходного коллекторного тока.

IGBT-транзистор

IGBT – гибридный полупроводниковый прибор. В нем совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (управление электрическим полем), а второй – для биполярных (управление инжекцией носителей электричества).

Обычно в IGBT используется структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Структура этого транзистора отличается от структуры ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупроводника р-типа.

Обратим внимание на то, что для обозначения электродов IGBT принято использовать термины «эмиттер», «коллектор» и «затвор». Добавления слоя р-типа приводит к образованию второй структуры биполярного транзистора (типа p-n-p)

Таким образом, в IGBT имеется две биполярные структуры – типа n-p-n и типа p-n-p

Добавления слоя р-типа приводит к образованию второй структуры биполярного транзистора (типа p-n-p). Таким образом, в IGBT имеется две биполярные структуры – типа n-p-n и типа p-n-p.

УГО и схема выключения IGBT показаны на рисунке:

Типичный вид выходных характеристик показаны на рисунке:

Для чего нужна коллекторная группа

Распределительный коллектор отопления внешне похож на металлическую гребенку, так как имеет большое количество выводов для подключения приборов отопления. Это позволяет регулировать объем, температуру и давление теплоносителя. Следовательно, с помощью устройства можно контролировать подачу тепла в каждом отдельном помещении дома или квартиры. К распределительному коллектору можно подключать радиаторы, конвекторы, систему теплого пола и даже панельный способ отопления. В наше время коллекторная система отопления достаточно популярна

Важно понимать, для чего нужен коллектор в отоплении.

Большинство российских потребителей пользуются коллекторами европейской марки STOUT, так как они более приспособлены для работы в России. Производство коллекторов осуществляется на итальянских заводах. Использование высокотехнологичного оборудования и строгий контроль качества на каждом производственном этапе позволяет получить продукцию высокого качества.

По сравнению с брендами класса «премиум», которые также производятся на заводах в Италии, коллекторы STOUN отличаются более низкой стоимостью.

Для большинства потребителей является актуальным вопрос, как работает коллектор отопления. Особенностью устройства являются две взаимосвязанные части, подающий и возвратный коллектор, объединенные в один блок. Первая составляющая контролирует подачу горячей воды к каждому прибору отопления, при этом с помощью специального клапана каждый действующий контур перекрывается при необходимости. Возвратный коллектор распределяет тепло и регулирует уровень давления, что способствует пропорциональному обогреву каждого помещения в доме.

Нюансы монтажа

Технология крепления коллектора к стене довольно проста: гребенка ТП и лучевой разводки подвешивается на монтажных кронштейнах, петли присоединяются фитингами типа «евроконус». Трубы, идущие к верхней части коллектора (обычно это «обратка»), пропускаются под нижней.

Совет. Никто не заставляет вас монтировать распределитель на скобах. При необходимости трубки можно разнести в стороны и закрепить на стене отдельно. Коллекторный ящик используется в помещениях жилой зоны, при установке коллектора в котельной шкаф не нужен.

Кратко перечислим основные моменты:

Размер гребенки подбирается по диаметру труб, используемых в греющих петлях, – Ø16 или Ø20 мм. Соответственно, берем распределитель на ¾ либо 1 дюйм. Материал изделия роли не играет, по соотношению цена/качество выигрывает нержавейка.
Если количество отводов гребенки превышает 12, соберите коллекторный узел из 2 секций. При установке аксессуаров подмоточные материалы не используются, поскольку детали снабжены резиновыми уплотнителями.
Более тяжелый общедомовой коллектор подвешивается на крюках, усиленных кронштейнах либо устанавливается на пол. Насосы, трубы и прочие элементы обвязки не должны нагружать распределитель собственным весом.
Самый горячий теплоноситель получает бойлер косвенного нагрева. Змеевик и циркуляционный насос водонагревателя подключается к гребенке напрямую, обычно – с торца.
Ветви радиаторного отопления и ТП присоединяются к коллектору через узлы подмеса с трехходовыми клапанами. На каждую линию ставится отдельный насос, подобранный по давлению и производительности.
Тяжелую компланарную гребенку можно устанавливать на пол – сварить металлические подставки

Базовая схема

Рисунок 2: A усилитель отрицательной обратной связи

Схема может быть объяснена, если рассматривать транзистор как находящийся под управлением отрицательной обратной связи. С этой точки зрения общий коллекторный каскад (рис.1) представляет собой усилитель с полной последовательностью . В этой конфигурации (рис.2 с β = 1) все выходное напряжение V_ИЗ размещен напротив и последовательно с входным напряжением V_В. Таким образом, два напряжения вычитаются согласно Закон напряжения Кирхгофа (KVL) (вычитатель из функциональной блок-схемы реализуется только входным контуром) и их необычайной разностью V_{разница} = V_В — V_ИЗ применяется к переходу база-эмиттер. Транзистор постоянно контролирует V_{разница} и регулирует его напряжение эмиттера почти равным (меньше V_BEO) к входному напряжению, пропуская соответствующий ток коллектора через резистор эмиттера R_E. В результате выходное напряжение следует изменения входного напряжения от V_BEO до V₊; отсюда и название, эмиттер-повторитель.

Интуитивно это поведение можно также понять, поняв, что напряжение база-эмиттер в биполярном транзисторе очень нечувствительно к изменениям смещения, поэтому любое изменение напряжения базы передается (с хорошим приближением) непосредственно на эмиттер. Это немного зависит от различных нарушений (допуски транзистора, колебания температуры, сопротивление нагрузки, резистор коллектора, если он добавлен и т. Д.), Поскольку транзистор реагирует на эти нарушения и восстанавливает равновесие. Он никогда не насыщается, даже если входное напряжение достигает положительной шины.

Математически можно показать, что схема общего коллектора имеет почти единства:

Аv=vотытvяп≈1{ displaystyle {A _ { mathrm {v}}} = {v _ { mathrm {out}} over v _ { mathrm {in}}} приблизительно 1}

Рисунок 3: Версия PNP схемы эмиттерного повторителя, все полярности поменяны местами.

Небольшое изменение напряжения на входной клемме будет воспроизведено на выходе (немного в зависимости от коэффициента усиления транзистора и значения сопротивление нагрузки; см. формулу усиления ниже). Эта схема полезна, потому что у нее большой входное сопротивление, поэтому он не загрузит предыдущую схему:

ряп≈βрE{ displaystyle r _ { mathrm {in}} приблизительно beta _ {0} R _ { mathrm {E}}}

и небольшой выходное сопротивление, поэтому он может управлять низкоомными нагрузками:

ротыт≈рE‖рsотырcеβ{ displaystyle r _ { mathrm {out}} приблизительно {R _ { mathrm {E}}} | {R _ { mathrm {source}} over beta _ {0}}}

Как правило, эмиттерный резистор значительно больше и его можно исключить из уравнения:

ротыт≈рsотырcеβ{ displaystyle r _ { mathrm {out}} приблизительно {R _ { mathrm {source}} over beta _ {0}}}

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Виды впускных коллекторов

Существуют такие виды впускных коллекторов:

стальные;
алюминиевые;
пластиковые;
с изменяемой геометрией;
с клапанами контроля выхлопных газов (EGR);
с турбонаддувом;
с точечным впрыском топлива и др.

На современных двигателях довольно широко распространены коллекторы с точечным впрыском топлива. В такой модификации топливо подается при помощи электромагнитных форсунок, установленных в каждой из его труб-каналов.

Принципиальная схема впускного коллектора с точечным впрыском топлива

Впускной коллектор, как и двигатель в целом, продуктивно работает в определенном диапазоне оборотов. Устройство и тип установленного коллектора зависит от компоновки блока цилиндров, от целевой направленности двигателя и от конструктивных решений в целом.

Все выше перечисленные коллекторы, делятся на две группы:

одноплоскостные;
двухплоскостные.

Одноплоскостной коллектор подает топливовоздушную смесь через один общий канал, многоплоскостной же изначально делит поток смеси на два потока.

Одноплоскостной коллектор

Как правило, двигатели с двухплоскостным коллектором выдают больше мощности на низких и средних оборотах в пределах 2000-4000 об/мин. На высоких же — из-за образующихся завихрений мощность будет несколько ниже.

Двухплоскостной коллектор

Коллектор с общей камерой без перегородок раскрывает свой потенциал на оборотах от 5000 и выше.

Устройство выпускного коллектора

Задача выпускного коллектора – отведение выхлопных газов. На такте выпуска одноименные клапана открываются, и под воздействием движущегося наверх поршня газы попадают в коллектор.

Он тоже подсоединен через прокладку разветвленной частью к ГБЦ, однако, посадочное место у него свое. Пройдя через коллектор, выхлопные газы попадают в приемную трубу, далее (на современных авто) в катализатор, где оседает значительная часть вредных веществ, потом в резонатор, снижающий громкость выхлопа, затем в глушитель, где звук исчезает полностью, и отводятся в атмосферу. У моторов с турбонаддувом газы после коллектора оказываются в специальном канале и крутят турбину, и только потом уходят в приемную трубу.

У инжекторных двигателей и современных дизелей в конструкции выпускного коллектора предусмотрено место для установки лямбда-зонда – датчика, который контролирует количество различных газов в выхлопе.

Основываясь в том числе и на показаниях лямба-зонда, электронный блок управления двигателем соответствующим образом дозирует подачу топлива, что приводит к возникновению взаимосвязи при работе коллекторов.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными.

Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.

Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в заводской упаковке.

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…

Проверка

Самый простой способ измерить h21e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

Недостатки эмиттерного повторителя

Есть, конечно, большой минус эмиттерного повторителя. Заключается он в том, что сигнал на выходе тупо срезается при отрицательной полуволне при сильной низкоомной нагрузке. Поставив резистор в 100 Ом, у нас получается вот такой ералаш:

Но почему так произошло?

Не хочу приводить дотошные формулы и выводить их, просто скажу, что из-за слишком низкоомной нагрузки, у нас получается так, что на эмиттере напряжение стает больше, чем на базе, а следовательно, транзистор тупо “затыкается”, так как в этом случае PN-переход оказывается включен в обратном направлении.

Как же с этим бороться?

Можно уменьшить R_э, но тогда и ток покоя будет больше, что приведет опять же к расточительству электроэнергии и нагреву транзистора.

Другой вариант, взять так называемый транзистор Дарлингтона, который имеет очень большое входное сопротивление порядка 10 Мегаом и обладает большим коэффициентом усиления β . Все дело в том, что такой транзистор состоит из двух транзисторов, коэффициент усиления которого будет равен:

β_общее = β₁х β₂

где

β₁– коэффициент усиления первого транзистора

β₂– коэффициент усиления второго транзистора

Вот так выглядит транзистор Дарлингтона:

Если Вам будет понятнее в видео, то вот для Вас:

https://youtube.com/watch?v=2b21VsHSi8w

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы. I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.