Режимы работы транзистора

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, соответствующие трем режимам работы транзистора (рис. 1).

Рис 1. Семейство выходных характеристик транзистора

Область I – активная область или активный режим (режим малого сигнала).

Ток на выходе зависит от тока на входе Iвых = f (Iвх) = var. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

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

Область II – область (режим) отсечки.

Оба перехода закрыты. Сигнал на входе отсутствует. 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 Iко.

За счет модуляции базы эмиттерный переход 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).

Область III – область насыщения или режим насыщения.

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

В преобразовательных устройствах биполярные транзисторы используются в качестве ключевых элементов, то есть они работают в режиме переключения из области насыщения (соответствует включенному состоянию) в область отсечки (соответствует выключенному состоянию), 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 в 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 цепь включают нагрузочный резистор, обмотку трансформатора или реле. Так как процесс работы транзистора связан с изменением его состояния во времени, нагрузочный режим можно считать квазистатическим. Нагрузочные характеристики можно получить экспериментально или построить графически по статическим характеристикам.

Схема включения биполярного транзистора с нагрузкой в коллекторной цепи, входным переменным сигналом и источниками питания в коллекторной (выходной) цепи и цепи смещения на входе называется усилительным каскадом (рис. 2).

На выходные характеристики (рис. 3) нанесены ограничения по максимальным значениям тока коллектора Iк макс, напряжения коллектор-эмиттер Uкэо и мощности, рассеиваемой на коллекторе Pк макс = Uкэ Iк = const.

Нагрузочные характеристики строятся в рабочей области, ограниченной максимальными значениями тока, напряжения и мощности. Для выходной цепи на основании второго закона Кирхгофа можно записать уравнение равновесия

Uкэ = Ек – Iк×Rк.

Из уравнения следует, что с увеличением тока коллектора Iк, напряжение Uкэ уменьшается, так как увеличивается падение напряжения на сопротивлении нагрузки URк = Iк × Rк. Таким образом, изменение напряжения и тока входной цепи приводит к одновременному изменению не только выходного тока, но и выходного напряжения Uкэ.

Рис. 2. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.

Уравнение сопротивления нагрузки является уравнением прямой, которую можно построить на выходных характеристиках (рис. 3) по двум точкам, соответствующим: холостому ходу (А) (Iк = 0 и Uкэ = Eк) и короткому замыканию (Б) (Iк = Eк / Rк и Uкэ = 0). Прямая АВ называется нагрузочной прямой. Она имеет рабочий участок А’В’. По нагрузочной прямой (рис. 3) строится входная нагрузочная характеристика (рис. 4) по соответствующим токам базы и напряжениям UКЭ (а, О, б).

Рис. 3. Семейство выходных характеристик

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

За входную нагрузочную характеристику принимается одна из статических (обычно для Uкэ= – 5 В). Для полного воспроизведения на выходе усиливаемого входного сигнала источника тока iвх с помощью источника смещения постоянного тока EБЭ, задают точку покоя (рабочую точку) усилительного каскада (точка О на рис. 4), которой соответствует определенный постоянный ток покоя на входе Iб(0) и на выходе Iк(0) при отсутствии переменного сигнала.

Выбором значения Eбэ можно задать необходимый режим (класс) усиления.

Рис. 4. Семейство входных характеристик