Как рассчитать коэффициент усиления транзистора?

Как рассчитать коэффициент усиления транзистора?

Как рассчитать коэффициент усиления транзистора?

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V).

Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).

Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

Читайте также  Как рассчитать напор циркуляционного насоса?

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление.

Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.

Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V.

Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V.

А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Источник: https://1000eletric.com/kak-rasschitat-koeffitsient-usileniya-tranzistora/

Расчет усилителя с общим эмиттером

Как рассчитать коэффициент усиления транзистора?

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

Описание работы

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от коэффициента бета, а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку резисторов и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем Rбэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем Rэ. Теперь, конечно же, главный вопрос: “Зачем они нужны в схеме?”

Начнем, пожалуй, с Rэ.

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->Rк —–> коллектор—> эмиттер—>Rэ —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как Iэ = Iк + Iб ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина  будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

Rкэ  – это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения, где

Мы видим, что  на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет  равняться падению напряжения на резисторе Rэ .

А чему равняется падение напряжения на Rэ ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора Rэ . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы Rб и Rбэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения. Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит, что бывает крайне редко.  В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к Rэ .

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Читайте также  Как рассчитать максимальную токовую защиту?

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе Rэ .

б) падение напряжения на резисторе Rэ  – это и есть напряжение на эмиттере Uэ.  Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи Uэ стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение Uб , образованное делителем из резисторов Rб  и Rбэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле Uбэ = Uб – Uэ . Следовательно, Uбэ станет меньше, так как Uэ увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз Uбэ уменьшилось, значит и сила тока Iб , проходящая через базу-эмиттер  тоже уменьшилась. 

е) Выводим из формулы ниже Iк

Iк =β х Iб

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток 😉 Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор Rэ . Забегая вперед, скажу, что Отрицательная Обратная Связь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада

Рассчитать каскад на биполярном транзисторе КТ315Б с коэффициентом усиления равным KU =10,  Uпит = 12 Вольт.

1) Первым делом находим из даташита  максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт.  Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

Pрас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на Uкэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

Uкэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

Iк = Pрас / Uкэ  = 120×10-3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере Uкэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах Rк  и Rэ . То есть получаем:

Rк + Rэ  = (Uпит / 2) / Iк = 6 / 20х10-3 = 300 Ом.

Rк + Rэ  = 300, а Rк =10Rэ  , так как  KU = Rк / Rэ , а мы взяли KU =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10Rэ + Rэ = 300

11Rэ = 300

Rэ = 300 / 11 = 27 Ом

Rк = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы Iбазы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Значит,

Iб = Iк  / β = 20х10-3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения Iдел , образованный резисторами Rб  и Rбэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток Iб :

Iдел = 10Iб = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

Uэ= Iк Rэ= 20х10-3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

Uб =  Uбэ + Uэ

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер Uбэ = 0,66 Вольт. Как вы помните – это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, Uб =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта. Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на Rб называется U1 , а падение напряжения на Rбэ будет U2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

Rб = U1 / Iдел = 10,8  / 1,4х10-3 = 7,7 КилоОм. Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

Rбэ = U2 / Iдел = 1,2 / 1,4х10-3 = 860 Ом. Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой цифровой осциллограф и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма – это входной сигнал, желтая осциллограмма – это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты:

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10.  Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Читайте также  Как рассчитать трансформатор на светодиодную ленту?

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых, эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI.

Во-вторых, ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе мощный и простой усилок.

Источник: https://www.ruselectronic.com/raschet-usilitelya-s-oe/

Измерение коэффициента усиления транзистора

Как рассчитать коэффициент усиления транзистора?

В тех случаях, когда целью проверки является отбор лучших образцов триодов из данной партии, процесс испытания состоит в измерении обратного тока коллектора (рис. 1) и определении коэффициента усиленияβ (рис. 2). Коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме, с общим эмиттером, находят по формуле

β= (R/U)Ik,

где — R сопротивление резистора, кОм,U — напряжение источника питания (например, батареи для карманного фонаря), В, I —ток коллектора, мА.

Величины и и обычно выбирают в пределах R = 5-90 кОм и U=1,5-9 В.

Для облегчения вычисления коэффициента β сопротивление резистора и напряжение источника питания и подбирают такими, чтобы их отношение было равно целому числу, кратному десяти, например, 10, 20, 30 и т. д.

При выборе величин R, Rогр и и учитывают то, что ток

Ik = βпр U(B) / R(кОм),

где βпр — предполагаемое максимальное значение β, не должен превышать допустимый для данного типа транзистора максимальный ток коллектора, а сопротивление резистора Rогр, ограничивающего ток через миллиамперметр в случае соединения коллектора с эмиттером, должно быть приблизительно равно U/7I0, где U — напряжение источника питания в вольтах, I0 — ток полного отклонения миллиамперметра в амперах.

При отсутствии миллиамперметра измерить коэффициент усиления β маломощного транзистора можно с помощью омметра. Выполняют это так.

Соединяют между собой проводники омметра и устанавливают стрелку прибора на нулевую отметку шкалы.

Затем собирают схему, приведенную на рис. 3,а, переводят ползунок переключателя в положение 3—1 и замечают первое показание омметраΩ1. После этого переводят ползунок в положение 3—2 и устанавливают движок резистора R2 в такое положение, при котором показание омметра возрастает на 1000 Ом, то есть становится равным Ω1 + 1000.

Рис. 3. Схема соединения приборов при измерении коэффициента усиления по токуβ с помощью омметра

Выполнив эти измерения, отключают омметр, измеряют сопротивление резистора R2 и вычисляют искомую величину по приближенной формуле:

β= 0,001 (R2 — R1)

В тех случаях, когда проверке усилительной способности подвергается партия транзисторов, желательно упростить процесс измерения. Этого можно достичь, если ввести в участок 2—4 схемы второй резистор R1 (рис. 3,6).

В этом случае разность сопротивлений участков 2—4 и 1—4 равна (R2 + R1) — R1 = R2 и формула для вычисления β принимает простой вид:

β = 0,001 R2

Из последнего выражения нетрудно видеть, что схема рис. 3,б позволяет определять коэффициент усиления β путем простого считывания его со шкалы резистораR2. Для этого необходимо только отградуировать резистор в десятках килоом.

Простым и надежным способом проверки транзисторов, а также методом отбора лучших образцов из имеющихся партий триодов является испытание полупроводникового триода в макете какого-нибудь генератора. Если с вводом транзистора в схему и включением источника питания генератор сразу же начинает работать, то испытываемый транзистор считают исправным. О качестве его судят по показанию вольтметра переменного тока, присоединенного к коллектору-эмиттеру нижнего транзистора через конденсатор емкостью 4700-6800 пФ. Чем больше угол отклонения стрелки прибора, тем лучше проверяемый транзистор.

И, наконец, несколько слов о таком дефекте транзистора, как «плавание»

«Плавание» полупроводникового триода определяют наблюдением за стрелкой омметра, присоединенного к эмиттеру и коллектору проверяемого транзистора. Если стрелка не устанавливается против какой-нибудь отметки шкалы, а меняет свое положение, то триод считают «плывущим».

Источник: http://zadereyko.info/library/proverka_neispravnosti_elektroradiodetaley_26.htm