Транзистор – усилительный элемент

September 5, 2012 by admin Комментировать »

    
   

   Транзистор является трехэлектродным полупроводни­ковым прибором. Его основой (базой), как и у полупро-водникового диода, которому был посвящен третий прак­тикум, служит пластинка полупроводника, но в объеме этого полупроводника искусственно созданы две проти­воположные ему по – электропроводности области (рис. 26). Пластинка полупроводника и две области в ней образуют два р-n перехода. Если две крайние области обладают электропроводностью R-типа, а пластинка электропроводностью n-типа, такой транзистор имеет структуру р-n(рис. 26, а). Если, наоборот, электро­проводность крайних областей «-типа, а пластинки — р-типа, такой транзистор имеет структуру n-р-n (рис. 26, б).

   

   Независимо от структуры транзистора, саму пластин­ку полупроводника называют базой (б), крайнюю об­ласть меньшего объема — эмиттером (э), другую край­нюю область большего объема — коллектором (к). Пе­реход между эмиттером и базой называют эмиттерным, между коллектором и базой — коллекторным.

   Условные изображения на схемах транзисторов раз­ных структур отличаются только тем, что стрелка, обо­значающая эмиттер, у транзистора структуры р-nоб­ращена в сторону базы, а у транзистора структуры n-р-n от базы. Стрелка эмиттера символизирует направ­ление тока через транзистор.

   У начинающих радиолюбителей наибольшей популяр­ностью пользуются транзисторы структуры р-n-р. Такую структуру имеют, например, низкочастотные маломощ­ные транзисторы серий МП39…МП42. Для этого прак­тикума можно использовать любой из транзисторов этих серий.

   Переходы транзистора — диоды. Транзистор можно представить себе как два включенных встречно диода, совмещенных в одной пластинке полупроводника и имеющих один общий катод, роль которого выполняет база транзистора. В этом нетрудно убедиться на опыте.

   Между коллектором и базой транзистора включи со­единенные последовательно батарею 3336Л и лампочку накаливания, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,15 А. Если плюс источника напряжения соединен базой, а минус с коллектором, то лампочка гореть не будет (рис. 27), При другой полярности напряжения источника питания лампочка должна гореть.

   В первом случае постоянное напряжение подается на коллекторный переход в обратном, то есть непропускном направлении. В это время коллекторный р-n переход за­крыт, его сопротивление велико и через него, как и че­рез закрытый диод, течет незначительный обратный ток, именуемый в данном случае обратным током коллекто­ра Iкo. У исправного транзистора серий МП39…МП42 об­ратный ток коллектора не превышает, как правило, 20…30 мкА. Такой ток не может накалить нить лампочки. При втором включении батареи ее напряжение подано на коллекторный переход в прямом, то есть пропускном, на-правлении переход открыт и через него течет прямой ток коллектора Iк, сила которого определяется в основ­ном сопротивлением нити лампочки и внутренним сопро­тивлением источника питания.

   Проведи аналогичный опыт с эмиттерным р-n перехо­дом. Результат будет таким же: при обратном напряже­нии переход будет закрыт, при прямом — открыт.

   Различают два основных режима работы транзисто­ра: режим переключения, именуемый иногда ключевым, и режим усиления.

   Транзистор в режиме переключения. Опыт, иллюст­рирующий работу транзистора в таком режиме, проводи по схеме, показанной на рис. 28. Между эмиттером и коллектором транзистора V включи последовательно со­единенные батарею GB (3336Л), выключатель 5 (тумб­лер) и ту же лампочку накаливания (2,5 ВХО,15 А). Они образуют коллекторную цепь транзистора. Положитель­ный электрод батареи должен быть соединен с эмитте-ром, а отрицательный — с коллектором (через выключа­тель и лампочку). Замкни проволочной перемычкой ба­зу с эмиттером (на схеме рис. 28 показано штриховой линией) и включи питание. Лампочка, включенная в кол­лекторную цепь транзистора, не горит. Удали перемычку и на некоторое время включи между этими электродами транзистора последовательно соединенные один гальванический элемент 332 (G) и резистор (Rб) сопротивлением 100…200 Ом, но так, чтобы минус элемента был об­ращен к базе, а плюс к эмиттеру. Лампочка го­рит, хотя, возможно, не­ярко. Поменяй местами полярность элемента. Те­перь лампочка не горит. Повтори этот опыт не­сколько .раз, и ты убе­дишься в том, что лам­почка в коллекторной це­пи горит только тогда, когда на базе относитель­но эмиттера бывает отри­цательное напряжение.

   

   В первом из этих опы­тов, когда ты, соединив перемычкой базу с эмит­тером, замкнул накорот­ко эмиттерный переход, транзистор стал просто диодом, на который по­давалось обратное, за­крывающее его напряжение. Через него шел лишь не­значительный неуправляемый обратный ток коллектор­ного перехода. Транзистор находился в закрытом со­стоянии.

   Удалив перемычку, ты восстановил эмиттерный пере­ход. Первым включением элемента на базу было подано небольшое постоянное напряжение Uб в прямом для эмиттерного перехода направлении. Эмиттерный переход открылся, через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым, и по цепи эмиттер — база — коллек­тор пошел ток транзистора, который значительно больше тока в цепи эмиттер — база. Он и накалил нить лам­почки.

   Когда ты изменил полярность включения элемейта на обратную, положительное напряжение Uб закрыло эмиттерный переход, а вместе с ним закрылся и коллек­торный переход. При этом ток через транзистор почти прекратился, и лампочка не горела.

   В этих опытах транзистор был в одном из двух со­стояний: открытом или закрытом. Переключение тран­зистора из одного состояния в другое происходило под действием тока в цепи эмиттер — база, создаваемого напряжением на базе. Это и есть режим переключения. Такой режим работы транзистора широко используют, в частности, в аппаратуре электронной автоматики.

   Измерь миллиамперметром токи базовой и коллек­торной цепей транзистора. Ток в базовой цепи может быть несколько миллиампер, а в коллекторной дости­гать 80…100 мА. Значит, можно сделать вывод: относи­тельно небольшой ток базы управляет значительным то­ком коллекторной цепи транзистора. Транзистор, следо­вательно, усиливает ток.

   Усилительные свойства транзистора характеризуются статическим коэффициентом передачи тока базы h21Э (читают так: аш-два-один-Э). Большая буква Э в обозна­чении говорит о том, что при измерении этого парамет­ра транзистор включают по так называемой схеме с об­щим эмиттером. Практически можно считать, что коэф­фициент h21Э равен частному от деления тока коллекто­ра Iк на ток базы Iб, то есть

   

   Если, например, ток коллектора в 50 раз больше то­ка базы, то можно считать, что статический коэффициент передачи тока этого транзистора равен приблизительно 50. Обычно в радиолюбительских конструкциях усилите­лей или приемников используют транзисторы с коэффи­циентом Ii2ia от 30…40 до 80…100. Чем он больше, тем, естественно, транзистор может дать большее усиление сигнала.

   Какова в проведенных опытах роль резистора R$? Ограничивать ток базы и тем самым предотвращать теп­ловой пробой эмиттерного перехода. Вообще же во вре­мя этих опытов транзистор работал при базовом и кол­лекторном токах, превышающих допустимые. Длитель­ное использование маломощного транзистора при таких токах может привести к выходу его из строя.

   

   Транзистор в режиме уси­ления. Для иллюстрации ра­боты транзистора в этом ре­жиме проведи следующую серию опытов с тем же транзистором. Первый опыт проиллюстрирован на рис. 29. Это простейший одно-транзисторный усилитель низкой частоты (НЧ). Зажи­мы слева («Вход»), ку­да подводится усиливаемый низкочастотный сигнал, яв­ляются входом, а участок коллекторной цепи транзис­тора, в которую включена нагрузка — телефоны BI — выходом усилителя НЧ.

   Между базой транзисто­ра и минусовым проводни­ком батареи GB, питающей усилитель, включи резистор Re, сопротивление которого подбери опытным путем (что на схемах обозначают звездочкой). Через него на базу должно подаваться не­большое, около 0,1…0,15 В, начальное отрицательное на­пряжение, именуемое смещением. Напряжение смеще­ния создает в базовой цепи ток, приоткрывающий тран­зистор. Резистором Rб устанавливают исходный ток кол­лектора IК| соответствующий работе транзистора в ре­жиме усиления. Без смещения транзистор будет иска­жать усиливаемый сигнал.

   Конденсатор Сраз на входе усилителя является разде­лительным элементом: не оказывая заметного сопротив­ления колебаниям НЧ, то есть электрическим колебани­ям звукового диапазона, он в то же время должен пре­пятствовать замыканию постоянной составляющей базо­вой цепи транзистора на плюсовой проводник батареи питания через источник усиливаемого сигнала. Роль раз­делительного, или связывающего элемента, может вы­полнять электролитический конденсатор любого типа (ЭМ, К50-3, К50-6) емкостью 5… 10 мкФ на номинальное напряжение 6…10 В.

   Транзистор V, базовый резистор Rб и электролити­ческий конденсатор Сраз смонтируй на пластинке из кар­тона или сухой фанеры (см. рис, 29 внизу) размерами примерно 60X120 мм. На свободном месте этой мон­тажной платы позже можно будет смонтировать второй каскад усиления колебаний низкой частоты.

   Желательно, чтобы головные телефоны В1, включае­мые в коллекторную» цепь транзистора, были низкоомны-ми (например, ТА-56), с катушками электромагнитов со­противлением постоянному току 60…120 Ом. Можно так­же использовать телефонный капсюль ДЭМ-4М, включив его, как и телефоны, непосредственно в коллекторную цепь транзистора.

   Обрати особое внимание на полярность включения электролитического конденсатора Сраз: отрицательной обкладкой он должен быть соединен с базой, где отно­сительно эмиттера действует наибольшее (0,1…0,2 В) от­рицательное напряжение смещения, открывающее тран­зистор, а положительной обкладкой — с эмиттером (че­рез источник усиливаемого сигнала).

   Проверь монтаж — нет ли ошибок. Если монтаж вы­полнен точно по принципиальной схеме усилителя, то включи в коллекторную цепь транзистора миллиампер­метр (на схеме эта точка обозначена крестом), подключи батарею и, подбирая резистор Rб, установи в коллектор­ной цели ток покоя, равный 1…2 мА. Если ток меньше рекомендуемого, то в базовую цепь включай резистор меньшего сопротивления, если, наоборот, больше, — ре­зистор большего сопротивления. Вообще же, чем боль­ше коэффициент H21Э транзистора, тем больше должно быть сопротивление базового резистора.

   Затем подай на вход усилителя низкочастотный сиг­нал, источником которого может быть, например, або­нентский громкоговоритель .(на рис. 29 — В2), который можно использовать как электродинамический микро­фон. Если говорить перед таким «микрофоном», то создаваемые им колебания звуковой частоты будут уси­ливаться транзистором, а телефоны, включенные в кол­лекторную цепь, преобразовывать их в звук.

   Чтобы лучше ощутить эффект усиления, подключи этот источник низкочастотного сигнала сначала непосред­ственно к телефонам, выключив предварительно питание, !

   а затем вновь ко входу усилителя. Разница в громкости звучания телефонов должна быть значительной.

   На вход усилителя можно включить звукосниматель (прибор, преобразующий механические колебания иглы в электрические колебания) и проиграть грампластин­ку — в телефонах на выходе усилителя будут слышны достаточно громкие звуки мелодии или голос певца, за­писанные на грампластинку.

   Отключи временно резистор Re, от базы или минусо­вого проводника источника питания. Как теперь звучат телефоны? Тише и, кроме того, со значительными иска­жениями звука. Так и должно быть, так как транзистор работает без смещения. В этом случае эмиттерный пе­реход транзистора открывается только при отрицатель­ных полупериодах входного сигнала, а при положитель­ных полупериодах он остается закрытым. Отсюда и иска­жения.

   На предыдущем практикуме, посвященном колеба­тельному контуру, ты сделал детекторный приемник. Те­перь, пользуясь рис. 30, добавь к нему усилитель низ­кой частоты. Здесь резистор RH сопротивлением 10…12 кОм, заменивший головные телефоны детектор­ного приемника, выполняет роль нагрузки детектора VI. Создающиеся на нем колебания низкой частоты через разделительный конденсатор Сраз поступают на вход уси­лителя.

   Обрати внимание на включение диода VI, выполняю­щего роль детектора: катодом он соединен с колеба­тельным контуром, а анодом — с нагрузочным резисто­ром.

   Теперь телефоны звучат значительно громче, чем в детекторном приемнике.

   

   В этих опытах на вход усилителя подавалось переменное напряжение низкой частоты, источником которого были: в первом опыте — электродинамическая головка абонентского громкоговорителя, преобразующая звуко­вые колебания в электрические, во втором — выходная цепь детекторного приемника. Эта переменное напряже­ние Uб (см. графики на рис. 29) создавало в цепи эмит­тер — база слабый переменный ток, управляющий значительно большим током коллектора IК: при отрица­тельных полупериодах на базе коллекторный ток увели­чивался, при положительных — уменьшался. Происходило усиление, а усиленный сигнал преобразовывался теле­фонами в звуковые колебания. Транзистор работал в ре­жиме усиления.

   В опытах этого практикума использовался транзистор структуры р-n-р. Аналогичные опыты можно провести и с маломощными транзисторами структуры n-р-n, напри­мер, серий МП35…МП38, КТ315. В этом случае надо толь­ко изменить полярность включения источника питания и электролитического конденсатора. Запомни; коллектор транзистора структуры n-р-n должен соединяться через нагрузку с плюсом, а эмиттер — с минусом источника пи­тания.

   В заключение — коротко о способах включения тран­зистора. Во всех опытах этого практикума, кроме самого первого, транзистор был включен по схеме с общим эмиттером. Усиливаемый сигнал подводился к выводам базы и эмиттера, а усиленный сигнал снимался с участка цепи между выводами эмиттера и коллектора. Эмиттер, таким образом, был общим для входной и выходной це­пей транзистооа. Отсюда и название способа включения транзистора: с общим эмиттером, оно особенно распро­странено в радиолюбительской практике.

   

Литература:
Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты