Режимы работы транзистора

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, соответствующие трем режимам работы транзистора (рис. 6.18).

Первая область – активная область или активный режим.

Вторая область – область отсечки.

Третья область – область насыщения или режим насыщения.

Рис. 6.18. Семейство выходных характеристик

Первый режим – активный (режим малого сигнала). Ток на выходе зависит от тока на входе.

Эмиттерный переход П₁ смещен в прямом направлении, а коллекторный П₂ – в обратном.

Активная область используется при работе транзистора при усилении и генерировании монотонно изменяющихся сигналов с малой амплитудой.

Второй режим. Оба перехода закрыты. Сигнал на входе отсутствует и биполярный транзистор усилительными свойствами не обладает. Для обеспечения режима отсечки необходимо: на эмиттерный переход подать запирающее напряжение при запертом коллекторном переходе, через оба перехода протекает ток I_КО.

За счет модуляции базы переход П₁ смещается в прямом направлении. Для обеспечения его надежного запирания предусмотрена цепь смещения для получения положительного потенциала базы относительно эмиттера (для транзисторов p-n-p-типа).

Третий режим. Открыты оба перехода, через транзистор протекает прямой ток, ограничиваемый внешним сопротивлением.

В преобразовательных устройствах биполярные транзисторы используются в качестве ключевых элементов, то есть биполярные транзисторы работают в режиме переключения из области насыщения (соответствующая включенному состоянию – кривая А (рис. 6.21)) в область отсечки (соответствующая выключенному состоянию – кривая Б), кратковременно находясь в активном режиме в процессе переключения.

Режим ключа – сочетание режимов отсечки и насыщения, то есть режим большого сигнала. Режим работы биполярного транзистора с включенной нагрузкой выходной цепи называется режимом нагрузки. При работе биполярного транзистора в этом режиме в его входную цепь подают переменный (гармонический или импульсный) сигнал, а в выходную – включают нагрузочный резистор, обмотку трансформатора или реле.

Схема включения биполярного транзистора с нагрузкой в коллекторной цепи, входным переменным сигналом и источником питания в коллекторной (выходной) цепи и цепи смещения на входе, называют усилительным каскадом (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Схема усилительного каскада

Рис. 6.21. Семейство выходных характеристик

Для выходной цепи, по второму закону Кирхгофа, можно записать уравнение равновесия

U_кэ=Е_к - I_к×R_к. (6.7)

Из этого уравнения следует, что с увеличением тока коллектора I_к, напряжение U_кэ уменьшается, так как увеличивается падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Таким образом, изменение напряжения и тока входной цепи приводит к одновременному изменению не только выходного тока, но и выходного напряжения U_кэ.

Это уравнение является уравнением нагрузочной прямой, которая строится на выходных характеристиках по двум точкам, соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания.

Прямая АВ (рис. 6.21) – нагрузочная прямая, рабочий ее участок А^/В^/. По нагрузочной прямой строится входная нагрузочная характеристика по соответственным токам базы и напряжениям U_КЭ.

По точкам пересечения нагрузочной прямой со статистическими выходными характеристиками можно найти параметры работы транзистора в режиме нагрузки при U_КЭ=const, R_К= const и разных токах базы.

Рис. 6.22. Семейство входных характеристик

За входную нагрузочную характеристику принимается одна из статических (обычно для U_КЭ= -5В). Для полного воспроизведения на выходе усиливаемого входного сигнала источника тока i_вх, с помощью источника смещения постоянного тока напряжением U_БЭ, задают точку покоя (рабочую точку) усилительного каскада, которой соответствует определенный постоянный ток покоя на входе I_Б(0) и на выходе I_К(0) при отсутствии переменного сигнала.

Выбором значения U_БЭ можно задать необходимый режим (класс) усиления. Выходные характеристики имеют ограничения по максимальным значениям тока коллектора, напряжения U_КЭ и мощности, рассеиваемой на коллекторе.