Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е)

Хоровиц Пауль

Обязательно следует разобраться в том, как работает транзистор, даже если вам придется пользоваться в основном интегральными схемами. Дело в том, что, для того чтобы собрать электронное устройство из интегральных схем и подключить его к внешним цепям, необходимо знать входные и выходные характеристики каждой используемой ИС. Кроме того, транзистор служит основой построения межсоединений, как внутренних (между ИС), так и внешних. И наконец, иногда (и даже довольно часто) случается, что подходящей ИС промышленность не выпускает и приходится прибегать к схемам, собранным из дискретных компонентов. Как вы сами вскоре убедитесь, транзисторы сами по себе очень интересны, и ознакомление с их работой доставит вам удовольствие.

Мы будем рассматривать транзисторы совершенно не так, как авторы других книг. Обычно

изучая транзистор, пользуются его эквивалентной схемой и h– параметрами. На наш взгляд, такой подход сложен и надуман. И дело не только в том, что, глядя на мудреные уравнения, вы едва ли поймете, как работает схема, скорее всего вы будете иметь смутное представление о параметрах транзистора, их значениях и самое главное диапазонах изменения.

Мы предлагаем вам другой подход. В этой главе мы построим простую модель транзистора и с ее помощью создадим несколько схем. Как только начнут проявляться ограничения модели, дополним ее с учетом уравнений Эберса-Молла. Полученная таким образом модель даст правильное представление о работе транзистора; с ее помощью вы сможете создавать самые хорошие схемы, не прибегая к большим расчетам. Кроме того, характеристики ваших схем не будут серьезно зависеть от таких неуправляемых параметров транзистора как, например, коэффициент усиления по току.

И наконец, несколько слов о принятых в инженерной практике условностях.

Напряжение на выводе транзистора, взятое по отношению к потенциалу земли, обозначается буквенным индексом (К, Б или Э): например, U_к– это напряжение на коллекторе. Напряжение между выводами обозначается двойным индексом, например, U_БЭ – это напряжение между базой и эмиттером. Если индекс образован двумя одинаковыми буквами, то это — напряжение источника питания: U_KK– это напряжение питания (обычно положительное) коллектора, U_ЭЭ — напряжение питания (обычно отрицательное) эмиттера.

2.01. Первая модель транзистора: усилитель тока

Итак, начнем. Транзистор — это электронный прибор, имеющий три вывода (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Условные обозначения транзистора и маленькие транзисторные модули.

Различают транзисторы n-р-n– и p-n-p– типа. Транзисторы n-р-n– типа, подчиняются следующим правилам (для транзисторов р-n-р– типа, правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 2.2). Обычно диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор смещен в обратном направлении, т. е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через, него.

Рис. 2.2. Выводы транзистора с точки зрения омметра.

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями I_K, I_Б и U_КЭ. За превышение этих значений приходится расплачиваться

новым транзистором (типичные значения приведены в табл. 2.1).

Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности (I_КЭU_КЭ), температуры, U_БЭ и др.

4. Если правила 1–3 соблюдены, то ток I_К прямо пропорционален току I_Б и можно записать следующее соотношение:

I_K = h_21ЭI_Б = I_Б

где h_21Э – коэффициент усиления по току (обозначаемый также ), обычно составляет около 100. Токи I_K и I_Э втекают в эмиттер. Замечание: коллекторный ток не связан с прямой проводимостью диода база-коллектор; этот диод смещен в обратном направлении. Будем просто считать, что «транзистор так работает».

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Запомните: параметр h_21Э нельзя назвать «удобным»; для различных транзисторов одного и того же типа его величина может изменяться от 50 до 250. Он зависит также от тока коллектора, напряжения между коллектором и эмиттером, и температуры. Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра h_21Э.

Рассмотрим правило 2. Из него следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как если потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6–0,8 В (прямое напряжение диода), то возникнет очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжения на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: U_Б = U_Э + 0,6 В (U_Б = U_Э + U_БЭ). Еще раз уточним, что полярности напряжений указаны для транзисторов n-р-n– типа, их следует изменить на противоположные для транзисторов р-n-р– типа.

Обращаем ваше внимание на то, что, как уже отмечалось, ток коллектора не связан с проводимостью диода. Дело в том, что обычно к диоду коллектор-база приложено обратное напряжение. Более того, ток коллектора очень мало зависит от напряжения на коллекторе (этот диод подобен небольшому источнику тока), в то время как прямой ток, а следовательно, и проводимость диода резко увеличиваются при увеличении приложенного напряжения.

Некоторые основные транзисторные схемы

2.02. Транзисторный переключатель

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Пример транзисторного переключателя.

Эта схема, которая с помощью небольшого управляющего тока может создавать в другой схеме ток значительно большей величины, называется транзисторным переключателем. Его работу помогают понять правила, приведенные в предыдущем разделе. Когда контакт переключателя разомкнут, ток базы отсутствует. Значит, как следует из правила 4, отсутствует и ток коллектора. Лампа не горит.