Принцип работы биполярного транзистора

15. Изобразите структурную схему и объясните принцип работы биполярного транзистора p-n-p.

     Биполярным  транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. Крайние области называются эмиттер и коллектор, а средняя – база. Условное изображение структуры p-n-p и условное графическое обозначение на принципиальных схемах показаны на рис. 1.

Рис. 1

• Э - эмиттер,
• Б - база,
• К - коллектор,
• ЭП - эмиттерный переход,
• КП - коллекторный переход

 

     Принцип работы транзисторов обоих типов  одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n–типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p–типа–дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники тока обратной полярности.

 

     Принцип работы биполярного транзистора  рассмотрим на примере транзистора p-n-p типа включенного по схеме с (ОБ) общей базой (рис.1.2). Между р- и n- областями возникают p-n переходы. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным (ЭП), а переход между коллектором и базой  - коллекторным (КП). Как показано на рис.1.2, коллекторная цепь транзистора подключается к источнику э.д.с. - Е_кб т.е. КП смещен в обратном направлении. В коллекторном переходе напряженность поля под действием Е_кб возрастает. Это приводит к появлению незначительного обратного тока I_ко в коллекторной цепи, обусловленного движением неосновных носителей зарядов. Этот ток существенно возрастает с увеличением температуры, поэтому его называют тепловым током коллектора – I_ко.

     Эмиттерный переход внешним источником напряжения смещен в прямом направлении (ЭП, рис.1.2). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной I_э(n) и дырочной I_э(p) электропроводностями:

     Особенность транзистора состоит, в том, что  концентрация дырок в эмиттере намного  больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной (1). В базе происходит накопление неосновных носителей зарядов–дырок. В результате диффузии дырки перемещаются к коллекторному переходу. Часть дырок при этом рекомбинирует в базе с электронами, что создают ток в цепи базы I_б. Но так как толщина базы очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратновключенного перехода, увлекаются им через переход в коллекторную область и далее – к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником э.д.с, что создает ток в коллекторной цепи I_к.

     Таким образом, ток эмиттера равен сумме  токов базы I_б и коллектора I_к:

     Ток коллектора состоит из потока дырок  инжектируемых эмиттером за вычетом  тока базы и собственного теплового  тока коллекторного перехода:

 где α = I_к/I_э – коэффициент передачи тока эмиттера; I_к0 – тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода.

     Отсюда, ток базы равен:

Этот  ток составляет не более 1% от тока эмиттера.

     Все сказанное справедливо также  для транзистора n-p-n–типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

     

Рис.1.3.

     В зависимости от того какой из выводов  транзистора является общим между  входным источником сигнала и  выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения  транзистора в электрическую  цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с  общим коллектором (ОК), с общей  базой (ОБ) (рис. 1.3).

 
 
 
 
 
 
 

     28. Устройство, принцип  работы, условное  обозначение и  область применения  газоразрядного цифрового  индикатора.

     Для визуальной индикации электрических  сигналов широко используются цифровые и буквенные индикаторы — многоэлектродные приборы тлеющего разряда, в которых имеется несколько катодов в форме арабских цифр (от 0 до 9), букв, символов и других знаков (запятая, минус, плюс и т. д.). При горении разряда яркое свечение того или иного катода наблюдается через купол или боковую стенку баллона лампы.

     Такие индикаторы применяются в счетно-решающих устройствах, в различных измерительных приборах и другой аппаратуре дискретного действия, для визуального представления выходных данных. Индикаторы отличаются высокой яркостью и контрастностью изображения, малой потребляемой мощностью (десятые доли ватта), простотой и надежностью. Индикаторы обычно наполняются неоном и имеют оранжево-красное свечение.

     Катоды  индикатора имеют самостоятельные  выводы и расположены один за другим на расстоянии около 1 мм. Форма катодов и их размеры выбираются так, чтобы создать лишь минимальное перекрытие цифр и знаков, расположенных сзади. Этим же определяются порядок расположения цифр, а также конструкция сетчатого анода. Свечение тлеющего разряда около горящего катода имеет достаточную ширину (до 2 мм), поэтому остальные электроды экранируют не более 20 % светового потока, не ухудшая четкости индикации горящего светового знака.

     Значение  рабочего тока ограничивается сопротивлением в цепи анода (рабочий ток — ток в цепи анода прибора).

     При подаче напряжения на один из катодов  в лампе возникает тлеющий  разряд, при этом ток должен быть таким, чтобы достаточно ярко светился весь катод. В процессе эксплуатации рабочий ток не должен выходить за пределы, указанные в справочных данных. При больших значениях тока возможен переход в область аномального тлеющего разряда, возрастает распыление материала катода и сокращается долговечность прибора.

     Снижение  рабочего тока также недопустимо, так  как в процессе работы поверхность  катодов загрязняется (из-за распыления с соседних катодов), и для хорошего свечения всей поверхности катодов требуется несколько большее напряжение горения. Поэтому установленное значение рабочего тока обычно должно превышать значение тока индикации. (Ток индикации — ток через прибор, при котором покрытые разрядным свечением катоды — цифры, буквы, символы — обеспечивают надежную визуальную индикацию.)

     В ряде случаев используется питание  анода импульсным напряжением. Ток в импульсе может быть достаточно большим, кажущаяся яркость свечения повышается благодаря инерции зрения, хотя среднее значение тока оказывается ниже номинального. Благодаря этому поддерживаются высокая яркость свечения и надежная индикация цифр — катодов, в то же время долговечность приборов не снижается.

     Долговечность индикаторов уменьшается, если разряд длительное время идет на один и  тот же катод. Желательно, чтобы при работе прибора поочередно использовались все катоды, при этом периоды нагрузки каждого катода должны быть короткими.

     Для нормальной работы индикатора тлеющего разряда необходима определенная начальная ионизация, снижающая время запаздывания зажигания разряда. Такая ионизация обычно создается внешним освещением. В темноте время запаздывания увеличивается и может составлять 1с.

     Газоразрядные индикаторы, класс газоразрядных приборов, предназначенных для визуального воспроизведения информации; разновидность отображения информации приборов. Широко применяются в устройствах автоматики, промышленной электроники, контрольно-измерительных приборах, ЭВМ и др. Условное обозначение представлено на рис.2

     
 
 
 
 
 
 
 

     
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис.2 Индикатор тлеющего разряда ИН-1. Катоды в форме арабских цифр высотой 17 мм.

   Индикация осуществляется через  купол баллона.

   Оформление  — стеклянное, с  цоколем (РШ19). Масса 35 г. 

     Среди индикаторов широко представлены цифровые индикаторы: ИН-1 (рис.1), ИН-2, ИН-4, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-14, ИН-16, ИН-1.7, ИН-18. В их числе приборы в миниатюрном и сверхминиатюрном оформлении, с индикацией светящихся катодов — цифр — через купол или боковую поверхность баллона. Используя цифровые индикаторы в сочетании со знакобуквенными (ИН-5А, ИН-5Б, ИН-7, ИН-7А, ИН-7Б, ИН-15А, ИН-15Б, ИН-19А, ИН-19Б, ИН-19В), можно создавать многоразрядные информационные устройства с визуальной индикацией не только чисел, но и единиц измерения, вида электрических сигналов, различных символов. В приборах ИН-8-2, ИН-12Б имеется дополнительный электрод — «запятая», а в индикаторе ИН-14— два катода — «запятые». Один из этих катодов может быть использован как дежурный электрод для создания некоторой начальной ионизации, снижающей время запаздывания зажигания разряда.

     Для построения многоразрядных систем иногда бывает удобно использовать индикаторы в прямоугольном баллоне, так  как при этом уменьшается расстояние между соседними знаками.

     Большинство индикаторов могут работать в  диапазоне температур окружающей среды от —60 до +70°С, однако предельные значения ухудшают надежность приборов и допустимы лишь кратковременно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     44. Выходной трансформатор,  его основные параметры:  коэффициенты трансформации,  сопротивление нагрузки.

     Выходные  трансформаторы применяются для  согласования сопротивления громкоговорителя с сопротивлением анодной цепи выходной лампы. Согласование это необходимо для того, чтобы можно было получить от лампы ту мощность, на которую  она рассчитана. Отдать же наибольшую мощность лампа может только в  том случае, если в анодной цепи ее стоит нагрузка с сопротивлением, являющимся оптимальным для данной лампы. В справочниках эта оптимальная  нагрузка обозначается обычно Rа или Rа опт.

     Анодная нагрузка выходных низкочастотных ламп составляет обычно несколько тысяч  ом, в то время как сопротивление обмоток современных громкоговорителей равна единицам ом. Если громкоговоритель с такой низкоомной звуковой катушкой включить прямо в анодную цепь лампы, то только маленькая доля мощности будет расходоваться на громкоговорителе, а вся остальная мощность будет бесполезно тратиться на нагрев лампы. При включение же в анодную цепь лампы понижающего трансформатора, к выходной обмотке которого подключен громкоговоритель, положение резко изменится.

     Трансформатор, понижая напряжение, действующее  в анодной цепи лампы, в то же время  как бы «повышает» сопротивление, подключенное к анодной цепи. Если коэффициент трансформации выходного трансформатора равен 20:1, т.е. во вторичной (выходной) обмотке в 20 раз меньше витков, чем в первичной (анодной), то напряжение, подводимое к громкоговорителю, будет в 20 раз меньше действующего на аноде лампы, а сопротивление, «ощущаемое» лампой, станет в 400 раз больше сопротивления обмотки громкоговорителя, т.е.  возрастет в 20*20=20² раз.