Какова полярность постоянных напряжений

Вы здесь:
Главная
Уроки начинающим
Часть1 — Постоянный ток
2. Закон Ома
8. Полярность напряжения

8. Полярность напряжения

Полярность напряжения

В любой схеме мы можем проследить направление и путь движения электронов, вытекающих из отрицательного (-) контакта батареи, и возвращающихся к ее положительному (+) контакту. Если проанализировать схему из предыдущего урока, то можно увидеть, что электроны двигаются против часовой стрелки из точки 6 к точке 5, затем к точке 4, к точке 3, к точке 2, к точке 1, и обратно к точке 6.

Поскольку на пути потока электронов находится только резистор сопротивлением 5 Ом, то получается что напряжение батареи приложено к выводам этого резистора. Полярность напряжения на резисторе мы можем пометить знаками «+» и «-» в соответствии направлением потока электронов: отрицательным (-) будет тот контакт, в который поток входит, а положительным (+) — тот из которого поток выходит. Таким образом, полярность отрицательна (-) в точке 4 и положительна (+) в точке 3:

Ниже представлена полная таблица напряжений (с указанием полярности) для каждой пары точек этой схемы:

Напряжение между точками 1 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 2 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 3 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 1 (+) и 5 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 2 (+) и 5 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 3 (+) и 5 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 1 (+) и 6 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 2 (+) и 6 (-) = 10 вольт
Напряжение между точками 3 (+) и 6 (-) = 10 вольт

Определение полярности напряжения на различных компонентах схемы имеет очень важное значение для освоения электроники. Правильное определение полярности критически важно при анализе сложных схем, содержащих множество различных компонентов.

Следует понимать, что полярность не имеет ничего общего с законом Ома: ни в одном из уравнений этого закона вы никогда не увидите отрицательных значений силы тока, напряжения или сопротивления. В электронике существуют другие математические инструменты, которые учитывают полярность (+ или -), но закон Ома к ним не относится.

Источник

Биполярные транзисторы

Полупроводниковые приборы, имеющие два взаимодействующих между собойр-n – перехода с тремя выводами, называются биполярными транзисторами. Транзисторы называются биполярными по причине того, что в процессы в обоих переходах происходят за счет носителей зарядов двух типов: электронов и дырок.

В первом приближении биполярные транзисторы могут быть представлены двумя встречно включенными полупроводниковыми диодами, от общей точки которых делается вывод, называемый базой (рис. 1.43, а и б). При этом выводы, сделанные от анодов (катодов) диодов, называются эмиттером и коллектором. В кристалле полупроводника биполярных транзисторов площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода. Различают биполярные транзисторы прямой и обратной проводимостей, обозначаемые соответственно p-n-p и n-p-n . В нашем случае, если диоды соединены катодами, то транзистор обладает прямой проводимостью, если диоды соединены анодами, то транзистор обладает обратной проводимостью. Упрощенные структуры транзисторов прямой и обратной проводимостей представлены на рис. 1.44, а и б, а на рисунке 1.45, а и б представлены условные графические обозначения биполярных транзисторов прямой и обратной проводимостей соответственно.

p-n-pа) n-p-n б)	а) б)	p-n-pа) n-p-nб)
Рис. 1.43	Рис. 1.44	Рис. 1.45

Основную роль в электрических процессах транзисторов прямой проводимости p-n-p играют дырки, а в транзисторах обратной проводимости n-p-n – электроны. Так как электроны имеют подвижность в два-три раза большую, чем дырки, то транзисторы n-p-n имеют лучшие показатели параметров по отношению к транзисторам p-n-p. Поэтому они получили более широкую сферу применения в электронной аппаратуре различного назначения.

Переходы транзистора сильно взаимодействуют друг с другом. Это означает, что, в отличие от схемы с двумя диодами (см. рис. 1.43), ток одного перехода в транзисторе влияет на ток другого его перехода. Эффекту взаимодействия переходов в транзисторе способствует то, что ширина области базы существенно уже, чем ширина областей коллектора и эмиттера, и составляет (20÷1,0) мкм и меньше. В условной схеме с диодами ток каждого из них зависит только от напряжения на самом диоде и никак не зависит от тока другого диода. Электрод базы расположен ближе к эмиттеру. Ширина области базы влияет на частотный диапазон транзистора – с уменьшением ширины верхняя граничная частота транзистора увеличивается.

Различают диффузионные (бездрейфовые) и дрейфовые биполярные транзисторы. В первых концентрация примесей равномерно распределена в области базы, поэтому ионы атомов примесей не создают дополнительного электрического поля, которое влияло бы на движение носителей заряда через базу. При этом движение этих носителей происходит главным образом в форме диффузии. В дрейфовых транзисторах концентрация примесей различна в разных областях базы. Это приводит к появлению дополнительного электрического поля, которое оказывает существенное влияние на движение носителей заряда через базу. При этом движение носителей, в отличие от первого случая, происходит в основном в форме дрейфа. Дрейф ускоряет движение носителей заряда через базу, поэтому дрейфовые транзисторы являются более быстродействующими по отношению к диффузионным транзисторам.

Технология изготовления транзисторов (сплавные, диффузионные, эпитаксиальные) в значительной степени определяет характеристики транзисторов.

1.9.1. Режимы работы

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Качественные показатели схем включения разнятся и приведены в таблице 1.1, в которой К_U , К_I и К_P – коэффициенты усиления по напряжению, по току и мощности соответственно.

Схема вклю- чения	Входное сопротив- ление r_вх	Выходное сопротив- ление r_вых	К_U	К_I	К_P
ОЭ	среднее	высокое	большой	большой	очень большой
ОК	очень большое	очень низкое	≈ 1	большой	большой
ОБ	малое	очень высокое	большой	большой

С учетом полярности постоянных напряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны следующие его режимы работы: линейный, насыщения, отсечки, инверсный, а также аварийный режим – режим пробоя. Рассмотрим перечисленные режимы работы транзистора при различных смещениях его переходов.

Линейный режим, т.е. режим линейного усиления входного сигнала, получается, когда переход база-эмиттер (Б-Э) смещен в прямом направлении (открыт), а переход база-коллектор Б-К смещен в обратном направлении (более отрицательным потенциалом коллектора по отношению к базе) (рис. 1.46). При этом через переход Б-Э протекает ток базы i_б, а ток коллектора равен

Рис. 1.46

i_к = β i_б, где β – коэффициент передачи транзистора по току – главный параметр транзистора, отражающий его усилительные возможности.

Ток коллектора значительно больше тока базы, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно β составляет 10÷300; у очень широкополосных транзисторов β может быть меньше, порядка 2÷5; или значительно больше, 5000 ÷ 10000 – у супербетатранзисторов, обладающих сверхтонким слоем базы.

Таким образом, ток базы транзистора очень мал I_б 0.

В любом случае увеличение тока базы приводит к увеличению тока коллектора. В результате увеличивается падение напряжения в нагрузочной цепи и уменьшается напряжение на коллекторе u_кэ. При u_кб = 0 режим называется граничным режимом, т.к. он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения.

Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения

q = . (1.34)

Схема замещения транзистора в режиме насыщения может быть представлена последовательной цепью с замкнутым ключом Кл (рис. 1.49).

Рис. 1.49

В соответствии с этой схемой замещения U_кэ _нас = I_к R_нас + Е_п, (1.35) где R_нас – сопротивление насыщения ключа; Е_п = (0,5 ÷ 0,1) В.

В справочных данных обычно приводится значение U_кэ _нас при заданном токе коллектора.

Режим отсечки. При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе (см. рис. 1.46) транзистор переходит в режим отсечки и I_{к обр} = I_кб0. При этом из (1.27) следует

Граничным режимом в этом случае является выполнение условия U_бэ = 0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис. 1.50.

Рис. 1.50

Транзистор имеет некоторое достаточно большое сопротивление и параллельно включенный ему источник небольшого тока утечки I_ут ≈ I_кб0. В справочных данных для режима отсечки обычно приводится обратный ток коллектор-эмиттер I_кэ _R при заданном напряжении на коллекторе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером.

Два рассмотренные ключевые режимы транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ Кл. Остальные элементы на приведенных схемах замещения транзистора в этих режимах соответствуют неидеальности транзисторных ключей. Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах, в частности в цифровой электронике, в силовых частотных преобразователях, в коммутаторах сигналов измерительной техники и др. В ключевом режиме транзистор поочередно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. При этом важным является скорость переключения, которая характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.

Инверсный режим. Это режим, при котором коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. Коллектор и эмиттер по существу меняются местами, и роль коллектора выполняет эмиттер. Усиление при этом снижается β_инв f > 30 мГц; высокочастотные (ВЧ) 30 > f > 300 мГц; сверхвысокочастотные (СВЧ) f > 300 мГц.

Источник

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

обратный ток коллектор-эмиттер
время включения
обратный ток колектора
максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Источник