БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ РАБОЧЕГО РЕЖИМА

Рабочий режим, т.е. режим усиления транзисторов - это режим, когда транзистор работает с нагрузкой в выходной цепи. На рис. 3.1 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа n-p-n. Данную схему принято называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. В отличие от других схем включения транзистора (ОБ и ОК) схема ОЭ обладает усилительными свойствами и по току, и по напряжению, и, следовательно, дает наибольший коэффициент усиления по мощности. Именно поэтому мы будем рассматривать в данном случае расчет работы транзистора в схеме ОЭ.

Рис. 3.1

Входное переменное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база-эмиттер. На базу подано также положительное (для n-p-n-транзистора) от источника E, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. Чтобы не происходила потеря входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E, он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости. Таким образом, напряжение на участке база-эмиттер транзистора

U_БЭ = U_БЭ0 + U_mБЭ cos w t (3.1)

Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е2.

Для получения усиленного входного напряжения в эту цепь включен резистор Rк источник Е2 зашунтирован конденсатором, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е2. Напряжение источникаЕ2 делится между сопротивлениемRк и участком коллектор-эмиттер транзистора.

E₂ = U_R + U_КЭ = i_К R_К + U_КЭ (3.2)

При отсутствии переменного сигнала во входной цепи в выходной цепи течет постоянный ток коллектора

i_К = I_К0 (3.3)

и напряжение коллектор-эмиттер остается постоянным

u_КЭ = U_КЭ0 = E₂ – I_К0 R_К = E₂ – U_R0 (3.4)

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток коллектора.

i_К = I_К0 + I_mК cos wt (3.5)

При этом переменное напряжение на резисторе Rк может быть в десятки раз больше, чем входное переменное

U_R = U_R0 + U_mR cos w t (3.6)

Изменения тока коллектора во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником E2.

Напряжение на выходе схемы

U_ВЫХ = U_КЭ = U_КЭ0 - U_mКЭ cos w t (3.7)

Перейдем теперь к графоаналитическому расчету рабочего режима транзистора. Этот метод является наиболее точным, так как он проводится по вольт-амперным характеристикам и учитывает нелинейные свойства транзистора. Кроме того, графоаналитический метод позволяет сделать наиболее полный расчет: в нем определяются величины, связанные не только с переменными, но и с постоянными составляющими токов и напряжений.

Описание методики и последовательности будем сопровождать примером, в котором произведем расчет рабочего режима n-p-n -транзистора КТ201А.

Исходными данными для расчета являются параметры схемы: Е2, R_К и амплитуда входных колебаний Imб. Поскольку входным для транзистора является переход эмиттер-база, который в активном режиме смещен в прямом направлении, то входное сопротивление схемы мало, источник колебаний работает в режиме, близком к режиму генератора тока, поэтому в исходных данных указывается не входное напряжение, а входной ток. При необходимости их можно пересчитать по закону Ома, зная входное сопротивление транзистора. При этом необходимо учитывать, что входные сопротивления транзистора переменному и постоянному токам имеют различные значения. Их можно определить для заданной рабочей точки по входным вольт-амперным характеристикам подобно тому, как это указывалось для диода, смещенного в прямом направлении

U_mВХ = R_{ВХ ДИФ} I_mВХ » h₁₁ I_mВХ (3.8)

U_БЭ0 = R_{ВХ 0} I_Б0 (3.9)

Задаемся исходными данными для расчета

E2 = 10В , Rк = 330 Ом , Imб = 0,1 мА (3.10)

Расчет начинается с построения рабочей характеристики, называемой линией нагрузки. Преобразуем уравнение (3.2) к виду

(3.11)

Это уравнение первой степени, следовательно, линия нагрузки представляет собой прямую линию, которую проще всего строить по двум точкам пересечения с осями координат:

1. i_К =0, U_КЭ = E₂ (3.12)

2. U_КЭ =0, i_К = E₂ / R_К (3.13)

Для заданных исходных данных (3.10) строим выходную рабочую характеристику (рис.3.2)

1. i_К =0, U_КЭ = E₂ =10 В точка N (3.14)

2. U_КЭ =0, i_К = E₂ / R_К = 10 В / 330 Ом = 30 мА точка М (3.15)

Рабочую точку ИРТ наносим на пересечении линии нагрузки со статистической характеристикой, соответствующей заданному режиму Iбо =300мкА =const (см.рис.3.2). После этого определяем состояние выходной цепи в режиме покоя (при отсутствии входного сигнала).

Iко = 15 мА, Uкэо = 5 В (3.16)

и мощность Рко, выделяющуюся в транзисторе в режиме покоя

Pко = Iко Uкэо ≤ Pк.max (3.17)

которая должна быть меньше максимально допустимой рассеиваемой мощности.

Для рассматриваемого примера

Pko = Iko Ukэо = 15мА 5В =75мВт (3.18)

По справочным данным определяем, что для транзистора КТ201А постоянная рассеиваемая мощность коллектора при t = -60⁰С…+90⁰С составляет Pk.max =150 мВт, что удовлетворяет расчетам Следовательно, нет необходимости применять дополнительные меры теплоотвода.

Рис 3.2

Часто для проверок режима работы транзистора строят кривую Pк.max=сonst , ограничивающую область допустимых режимов транзистора. Из уравнения (3.17) видно, что эта кривая представляет собой гиперболу.

(3.19)

Построим кривую допустимых режимов работы транзистора КТ201А для Pк.max=150мВт (см. рис. 3.2). Видно, что выбранный режим работы является допустимым.

По заданной амплитуде входного сигнала Imб находим точки находим точки т.А и т.В максимального отклонения от положения ИРТ (рис.3). Эти точки находим на пересечении линии нагрузки со статистическими характеристиками.

т. А: при Iба = Iбо+Imб = 400 мкА (3.20)

т. В: при Iбв = Iбо-Imб = 200 мкА (3.21)

По проекции рабочего участка на оси координат (на ось коллекторного тока и на ось напряжения коллектор-эмиттер) определяется амплитуды переменных составляющих выходного тока и выходного напряжения

I_mК = (I_Ка - I_Кб ) / 2 = ( 22,5 мА –7,5мА ) /2 =7,5 мА (3.22)

U_mКЭ = (U_КЭб - U_КЭа ) /2 = (7,5 В – 2,5 В ) / 2 = 2,5 В (3.23)

После этого можно найти выходную мощность

Pвых = 0.5 Imк Umkэ (3.24)

Pвых = 0,5 7,5 мА 2,5 В = 9,375 мВт (3.25)

Рис 3.3