Схемы включения Транзисторов

Транзисторы – это полупроводниковые приборы, выполняющие функции усиления, коммутации и генерации сигналов. Основные типы транзисторов:

• BJT — биполярные транзисторы что управляются током базы.
• MOSFET, JFET — полевые транзисторы, что управляются напряжением на затворе.
• IGBT – гибридные транзисторы, сочетающие свойства биполярных и полевых транзисторов.
• UJT однопереходные транзисторы – используются в генераторах импульсов.

Каждый транзистор может включаться по-разному, изменяя характеристики схемы. Разберём основные схемы включения, расчёты рабочих режимов и их практическое применение.

Схемы включения биполярных транзисторов (BJT)

Биполярные транзисторы имеют три основных режима работы: активный, насыщения и отсечки. Рассмотрим расчёты для каждого из них.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ)

Принцип работы: Эмиттер является общим электродом для входного и выходного сигналов. Входной сигнал подается между базой и эмиттером, выходной снимается между коллектором и эмиттером.

Основные параметры схемы:

Коэффициент усиления по току:
\[
\beta = \frac{I_c}{I_b}
\]
Коэффициент усиления по мощности:
\[
K_p = \beta \times \frac{R_k}{R_b}
\]
Выходное напряжение:
\[
U_{вых} = U_{cc} — I_c R_k
\]
Режимы работы:

• Активный режим: \( U_{бэ} \approx 0.6 \) В, \( U_{кэ} > 0 \).
• Режим насыщения: \( U_{кэ} \approx 0.2 \) В, транзистор полностью открыт.
• Режим отсечки: \( I_b = 0, I_c \approx 0 \), транзистор закрыт.

Пример расчета схемы ОЭ

Дано:

• Источник питания: \( U_{cc} = 12V \)
• Коллекторный резистор: \( R_k = 1k\Omega \)
• База подключена через \( R_b = 100k\Omega \)
• Коэффициент усиления \( \beta = 100 \)

Рассчитать токи:

1. Базовый ток:
\[
I_b = \frac{U_{бэ}}{R_b} = \frac{12V — 0.6V}{100k\Omega} = 0.114mA
\]
2. Коллекторный ток:
\[
I_c = \beta I_b = 100 \times 0.114mA = 11.4mA
\]
3. Напряжение на коллекторе:
\[
U_k = U_{cc} — I_c R_k =
\]
\[
= 12V — (11.4mA \times 1k\Omega) = 0.6V
\]
Это означает, что транзистор находится в режиме насыщения.

Схема включения с общей базой (ОБ)

Принцип работы: База является общим электродом для входного и выходного сигналов.

Основные параметры схемы:

Коэффициент усиления по току:
\[
\alpha = \frac{I_c}{I_e} \approx 0.98 — 0.99
\]
Входное сопротивление:
\[
R_{вх} = \frac{U_{эб}}{I_e}
\]
Выходное напряжение:
\[
U_{вых} = I_c R_k
\]

Особенности: Высокая полоса пропускания. Низкое входное сопротивление.

Схема включения с общим коллектором (ОК)

Принцип работы: Коллектор является общим электродом. Входной сигнал подаётся между базой и коллектором, а выходной снимается между эмиттером и коллектором.

Основные параметры схемы:

Коэффициент усиления по току:
\[
K_i \approx 1
\]
Входное сопротивление:
\[
R_{вх} = \beta R_н
\]
Выходное напряжение:
\[
U_{вых} = U_{вх} — 0.6V
\]

Применение: Повторители напряжения. Буферные каскады

Подлючение однопереходных транзисторов (UJT)

Однопереходные транзисторы (UJT) – это устройства с двумя базами и одним эмиттером, используемые в генераторах импульсов.

Принцип работы: При подаче напряжения эмиттер остаётся закрытым до тех пор, пока не достигнет порогового значения. После открытия транзистор быстро разряжается, формируя импульс.

Основные параметры схемы:

Коэффициент деления напряжения:
\[
\eta = \frac{R_B1}{R_B1 + R_B2}
\]
Напряжение открытия:
\[
U_{вкл} = \eta U_B + 0.6V
\]
Частота генерации:
\[
f = \frac{1}{RC \ln(1 — \eta)}
\]

Применение UJT транзисторов

1. Генераторы пилообразного напряжения
2. Формирователи импульсов
3. Запуск тиристоров

Выбор схемы зависит от параметров: усиления, входного и выходного сопротивления, требуемого режима работы.

Схемы для полевых транзисторов (MOSFET, JFET)

Полевые транзисторы управляются напряжением, а не током, что делает их более эффективными для многих схем. Они делятся на:

• Junction FET (JFET) – транзисторы с p-n переходом.
• Metal-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET) – транзисторы с изолированным затвором.

Схема JFET с общим истоком (ОИ)

Принцип работы: Аналогична схеме с общим эмиттером для биполярных транзисторов. Входной сигнал подаётся между затвором и истоком, выходной снимается между стоком и истоком.

Основные параметры схемы:

Коэффициент усиления по напряжению:
\[
K_u = \frac{g_m R_D}{1 + g_m R_s}
\]
где \( g_m \) – крутизна транзистора, \( R_D \) – стоковый резистор, \( R_s \) – резистор в цепи истока.

Режимы работы:

• Ограниченный (активный) режим: \( U_{си} > U_{зс(off)} \)
• Режим отсечки: \( U_{си} \leq U_{зс(off)} \)
• Режим насыщения: \( U_{си} < 0 \)

Пример расчета JFET в активном режиме

Дано:

Источник питания: \( U_{cc} = 12V \) — \( R_D = 1k\Omega \), \( R_s = 470\Omega \) — \( g_m = 3mS \)

Пороговое напряжение \( U_{зс(off)} = -4V \)

Рассчитаем:

1. Ток стока в активном режиме: \[ I_D = g_m (U_{зи} — U_{си}) \] Подставляя \( U_{зи} = 0V \), получаем \( I_D \approx 3mA \).
2. Напряжение на стоке: \[ U_C = U_{cc} — I_D R_D = 12V — 3 = 9V \]

Транзистор работает в активном режиме, обеспечивая усиление.

Схема MOSFET с общим истоком

Принцип работы: Аналогично включению JFET, но MOSFET управляется напряжением затвора.

Основные параметры:

• Крутизна: \[ g_m = \frac{2 I_D}{U_{зи} — U_{th}} \]

Режимы работы:

• Линейный (омический) режим: \( U_{си} > (U_{зи} — U_{th}) \)
• Активный режим: \( U_{си} < (U_{зи} — U_{th}) \)
• Режим отсечки: \( U_{зи} < U_{th} \)

Пример расчета MOSFET в активном режиме

Дано:

• Источник питания: \( U_{cc} = 12V \)
• \( R_D = 1k\Omega \)
• \( U_{th} = 2V \)
• \( k = 1mA/V^2 \)

Рассчитаем ток стока: \[ I_D = k (U_{зи} — U_{th})^2 \]

При \( U_{зи} = 5V \):

\[ I_D = 1mA/V^2 \times (5V — 2V)^2 = 9mA \]

Напряжение на стоке: \[ U_C = U_{cc} — I_D R_D =
\]
\[
= 12V — (9mA \times 1k\Omega) = 3V \]

MOSFET работает в активном режиме.

Схемы включения IGBT с расчетами

Транзисторы IGBT сочетают свойства MOSFET и BJT, используются в мощных схемах.

Принцип работы

• Включён (ON): Если \( U_{зи} > U_{th} \), ток протекает между коллектором и эмиттером.
• Выключен (OFF): Если \( U_{зи} < U_{th} \), ток не протекает.

Расчёт режима работы

Дано:

• Источник питания \( U_{cc} = 300V \)
• Нагрузочный резистор \( R_L = 50\Omega \)
• \( U_{th} = 5V \)
• \( I_C = 10A \)

Рассчитаем напряжение на выходе:
\[
U_{вых} = U_{cc} — I_C R_L =
\]
\[
= 300V — (10A \times 50\Omega) = 200V
\]

IGBT работает в ключевом режиме, пропуская ток в нагрузку.

Подключение составных транзисторов

Составные транзисторы представляют собой комбинацию двух транзисторов, объединённых таким образом, чтобы улучшить их характеристики. Они позволяют получить высокий коэффициент усиления, снизить нагрузку на управляющий сигнал и использовать меньшее напряжение для управления мощными нагрузками. Основные виды составных транзисторов – схема Дарлингтона и схема Шиклаи (две слева).

Составной транзистор Дарлингтона

Схема Дарлингтона состоит из двух последовательно соединённых биполярных транзисторов одного типа (npn или pnp). Коллектор первого транзистора соединён с коллектором второго, а эмиттер первого подключён к базе второго. Это создаёт общий коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления каждого транзистора:

βобщ = β1 × β2

Например, если оба транзистора имеют коэффициент усиления 100, общий коэффициент усиления составит 10 000.

Основные свойства и преимущества

• Очень высокий коэффициент усиления, что позволяет управлять большими токами малыми управляющими сигналами.
• Высокое входное сопротивление, снижает нагрузку на управляющую цепь.
• Используется в мощных выходных каскадах усилителей и переключающих схемах.

Недостатки

• Высокое напряжение насыщения (обычно 1-2 В), что приводит к потерям мощности.
• Медленная скорость переключения, так как вторая ступень требует значительного времени для разряда.
• Повышенная чувствительность к температуре, требует дополнительного теплового контроля.

Области применения

• Усилители мощности в аудиотехнике и электронике.
• Силовые ключи в схемах управления электродвигателями.
• Импульсные блоки питания.

Составной транзистор Шиклаи

В схеме Шиклаи используются два транзистора разной проводимости (npn и pnp или наоборот). В отличие от схемы Дарлингтона, второй транзистор управляется через эмиттер первого, что снижает напряжение насыщения. Общий коэффициент усиления определяется как:

βобщ = β1 + β1 × β2

Это приводит к меньшему усилению по сравнению с Дарлингтоном, но снижает потери на насыщение.

Основные свойства и преимущества

• Высокий коэффициент усиления, но меньше, чем у Дарлингтона.
• Малое напряжение насыщения (около 0.7 В), что снижает потери мощности.
• Более быстрая скорость переключения из-за меньшей паразитной ёмкости.
• Меньшая чувствительность к температуре.

Недостатки

• Коэффициент усиления ниже, чем у схемы Дарлингтона.
• Требует использования транзисторов разной проводимости, что может усложнить подбор элементов.

Области применения

• Высокочастотные усилители.
• Блоки питания с малым напряжением насыщения.
• Быстродействующие переключатели.

Сравнительная таблица Дарлингтона и Шиклаи

Параметр	Схема Дарлингтона	Схема Шиклаи
Количество транзисторов	2 (одинаковой проводимости)	2 (разной проводимости)
Коэффициент усиления βобщ	β1 × β2	β1 + β1 × β2
Напряжение насыщения	Высокое (~1.2-2 В)	Низкое (~0.7 В)
Скорость переключения	Медленная	Высокая
Температурная стабильность	Низкая	Высокая
Область применения	Усилители мощности, ключи	Высокочастотные усилители, быстрые коммутаторы

Составные транзисторы позволяют значительно увеличить коэффициент усиления и упростить управление мощными нагрузками.

• Схема Дарлингтона даёт высокий коэффициент усиления, но обладает высоким напряжением насыщения и низкой скоростью переключения.
• Схема Шиклаи обеспечивает меньшее напряжение насыщения и более быстрое переключение, но не даёт столь высокого усиления.

Выбор конкретного типа составного транзистора зависит от требований к напряжению, скорости работы и мощности.

Применение транзисторных схем

Усилители (BJT, MOSFET, JFET)

• Однокаскадные и многокаскадные схемы – для звуковых усилителей, радиопередатчиков.
• Операционные усилители – в схемах обработки сигналов.

Ключевые схемы (BJT, MOSFET, IGBT)

• Транзисторы как переключатели – в логических схемах, микроконтроллерах.
• Управление электродвигателями – в ШИМ-регуляторах.

Генераторы импульсов (UJT, MOSFET, BJT)

• Генераторы колебаний (LC, RC, кварцевые).
• ШИМ-регуляторы – управление мощностью.

Таблица сравнения различных типов транзисторов

Параметр	Биполярный транзистор (BJT)	Полевой транзистор (JFET, MOSFET)	Изолированный биполярный транзистор (IGBT)
Тип управления	Управляется током (база-эмиттер)	Управляется напряжением (затвор-исток)	Управляется напряжением (затвор-эмиттер)
Входное сопротивление	Низкое (от 100 Ом до 10 кОм)	Высокое (мегаомы и выше)	Среднее (килоомы)
Выходное сопротивление	Среднее	Высокое	Низкое (в насыщении)
Коэффициент усиления по току β или hfe	От 20 до 1000	Не определяется (управляется полем)	Аналогично BJT, но зависит от режима
Скорость переключения	Средняя	Высокая (MOSFET быстрее BJT)	Средняя (медленнее MOSFET)
Мощность рассеяния	Средняя	Низкая – средняя	Высокая (до сотен кВт)
Использование в ключевых схемах	Ограничено (из-за потерь мощности)	Отлично подходит (MOSFET)	Хорошо подходит для мощных ключей
Использование в усилителях	Очень часто используется	Используется, но с оговорками (MOSFET в ВЧ схемах)	Реже (в основном в мощных каскадах)
Линейная работа (усиление сигнала)	Отлично (низкие шумы)	Возможна, но менее линейна	Практически не используется
Применение	Усилители, маломощные ключи	Усилители ВЧ, мощные ключи	Высокомощные инверторы, преобразователи
Рабочее напряжение	От 1В до 1000В	MOSFET – до 1000В, JFET – до 100В	До 6000В и выше
Максимальный ток коллектора/стока	До 100А (редко больше)	MOSFET – до 500А	До 1000А и выше

Эта таблица позволяет быстро сравнить различные типы транзисторов и выбрать оптимальный вариант для конкретного применения.

Итоги работы

Мы подробно рассмотрели: Биполярные транзисторы (BJT) и их схемы включения (ОЭ, ОК, ОБ) с расчетами. Полевые транзисторы (MOSFET, JFET) – их работу и ключевые параметры. IGBT – расчёты режима работы в мощных схемах. Однопереходные транзисторы (UJT) – принцип работы и применение в генераторах. Таким образом, транзисторы являются основой современной электроники и применяются в усилителях, ключевых схемах, генераторах импульсов и инверторах.

Литература

• Принцип работы и расчеты режимов транзисторов — онлайн учебник PDF