Мы знаем, что у полупроводникового диода имеется один p-n переход. В отличие от диода полупроводниковый транзистор имеет два p-n перехода и три p-n-p или n-p-n слоя.
Транзисторы типа p-n-p и n-p-n работают одинаково, разница заключается только в полярности подаваемого на них напряжения. Рассмотрим для примера принцип действия транзистора типа p-n-p. Если к торцам полупроводника структуры p-n-p подключить источник питания, как показано на рис. 1, то тока в цепи не будет.
Расположение p-n-p областей напоминает включенные навстречу друг другу диоды (рис. 2), а при таком включении диодов тока в цепи нет. Будем называть область к которой, отрицательным полюсом, подключен источник питания U1 - коллектор, среднюю область - база и область к которой подключен положительный полюс источника питания - эмиттер (см. Рис. 1).
Если между базой и эмиттером включить источник постоянного напряжения (Рис. 2) U2 порядка нескольких милливольт, то в цепи базы появится небольшой ток Iб, а большинство положительных зарядов из эмиттера (Iэ) минуя базу напрявятся к коллектору и в цепи коллектора появится электрический ток (Iк). Очевидно, что Iэ = Iб + Iк.
Чем больше ток базы (который зависит он напряжения источника U2), тем больше ток коллектора.
При очень низком напряжении U2 ток коллектора Ik практически равен 0 (режим отсечки). При повышении напряжения источника U2 ток коллектора плавно нарастает (рабочий режим транзистора) и при определенном напряжении U2 ток коллектора перестает нарастать (режим насыщения). Смотрите график. Очевидно, изменяя небольшой ток базы мы можем управлять значительным током коллектора.
Построить график зависимости тока коллектора от тока базы мы можем применив схему показанную на рисунке 1.
Плавно изменяя положение движка переменного резистора от 0 до максимального значения и снимая показания амперметров убедимся, что график зависимости тока коллектора от тока базы именно такой, как показано на рисунке 2. Отношение изменения тока коллектора dIк = Iк2 - Iк1 к изменению тока базы dIб = Iб2 - Iб1 назывется коэффициентом усиления h21э = dIк / dIб.
Схема определения зависимости тока коллектора от тока базы не очень удобна, так как требует два источника постоянного тока. Аналогичную схему измерения, с одним источником питания, можно собрать как показано на рисунке 1.
Примем за рабочую точку, точку А на графике (Рис. 2). Обычно эта точка получается при напряжении на базе равном 1/10 напряжения на коллекторе, следовательно, отношение сопротивлений R1 к R2 будет 10/1 (смотрите Рис. 3). Напряжение на базе Uб называется напряжением смещения.
Предположим, что в окрестностях рабочей точки, приращение тока коллектора равно 3 мА, а приращение тока базы - 3мкА (Рис.1).
Найдем коэффициент усиления транзистора h21э = 3мА/0,03мА. h21э = 100. Итак рабочая точка установлена. Уберем из схемы все миллиамперметры, а миллиамперметр РА2 заменим на сопротивление R3. Подадим на базу от генератора Г переменное синусоидальное напряжение (Рис. 2). Конденсатор С1 нужен для того, чтобы на базу поступало только переменное напряжение генератора.
К коллектору транзистора подключим осциллограф для иследования полученного сигнала.
Если подавать с генератора сигнал амплитудой, например 20мВ, то на осциллографе мы обнаружим сигнал с амплитудой 2В, то есть в 100 раз больше чем амплитуда входного сигнала генератора. Это очевидно так как малый входной ток генератора управляет значительным током коллектора. Мы подсчитали, что коэффициент усиления транзистора h21э=100. Зная h21э найдем амплитуду выходного сигнала Uвых = Uвх * h21э, Uвых = 20vмВ * 100 = 2000мВ = 2В.
Теперь мы знаем, что если на базу транзистора подать сигнал переменного тока небольшой амплитуды, то на коллекторе получим такой же сигнал, но с амплитудой равной произведению амплитуды входного сигнала (Uвх) на коэффициент усиления (h21э) транзистора. Очевидно, что транзистор обладает усилительными свойствами и, чем больше коэффициент h21э, тем больше усиление. Схема, с которой мы до сих пор имели дело, называется схемой включения транзистора с общим эмиттером.
Эмиттер в схеме включен на землю (земля - это общий провод). Схема называется "транзистор с ОЭ".
Вспомним, что ток эмиттера транзистора Iэ равен сумме тока коллектора Iэ и тока базы Iб. Так как ток от источника питания протекает от эмиттера к коллектору и управляется током базы, то мы можем (условно) рассматривать транзистор как переменное сопротивление.
Очевидно, что если изменяется ток от эмиттера к коллектору, то изменяется и сопротивление коллектор - эмиттер Rкэ. Увеличение тока базы - уменьшает сопротивление коллектор - эмиттер. В коллекторе обязательно должно стоять сопротивление нагрузки (Rн на рисунке). Без него, при большом токе коллектора, произойдет электрический пробой p-n-p переходов. Рассмотрим зависимость выходного напряжения Uкэ (измеренное вольтметром РА2), от напряжения на базе транзистора (вольтметр РА1).
Сопротивление Rд включено для ограничения тока базы, в случае когда ползунок резистора R1 будет находиться в верхнем положении. Если ползунок R1 находится в нижнем положении то напряжение на базе и ток базы практически равны 0, следовательно ток коллектора тоже равен 0 и сопротивление Rкэ очень велико (транзистор закрыт). Напряжение от источника GB практически без потерь, через резистор Rк, поступает на вольтметр и показания вольтметра практически равно напряжению источника питания. Будем увеличивать напряжение на базе (перемещать ползунок резистора R1 в верхнее положение), ток базы будет увеличиваться, а сопротивление Rкэ будет уменьшаться и, соответственно уменьшаться напряжение Uкэ. Мы видим на графике (Рис. 1),
что при увеличении тока базы Iб, увеличивается напряжение на базе, а на коллекторе (Рис. 2) все наоборот, при увеличении тока базы напряжение коллектор-эмиттер Uкэ наоборот уменьшается. Если входной сигнал увеличивает ток базы, то соответственно уменьшается напряжение Uкэ, и наоборот уменьшение сигналом тока базы, увеличивает напряжение Uкэ. Фактически выходной сигнал сдвинут относительно входного на половину периода (график на Рис. 3). Использование транзисторов структуры n-p-n аналогично включению транзисторов структуры p-n-p. Разница заключается в том, что у транзисторов структуры n-p-n полярность подключения источника питания меняется на обратную (см. рисунок).
Коллектор подключается к положительному полюсу, а эмиттер к отрицательному полюсу, соответственно смещение на базе (Uбэ) положительное. Транзисторные усилители по схеме с общим эмиттером обладают высоким усилением. Усиление современных транзисторов (h21э) может достигать 1000 и более.
Кроме включения транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ), транзистор так-же можно включать по схеме с общим коллектором (ОК) или с общей базой (ОБ). Схема включения по схеме с общим коллектором показана на рисунке.
Здесь нагрузка Rн включена не в цепи коллектора, а в цепи эмиттера. При таком включении транзистор практически не обладает усилением по напряжению, но зато имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление. Это свойство транзистора используют в схемах для согласования различных каскадов усилителей с нагрузкой, а саму схему называют усилителем тока.
Транзисторный каскад по схеме с общей базой показан на рисунке.
Здесь сигнал подается не на базу, а на эмиттер. При таком включении транзистора усилитель имеет небольшое усиление (порядка 2 ... 100) и используется, в основном, в усилителях высокой частоты (ВЧ), так как обладает хорошими частотными свойствами и хорошо согласуется, например с колебательным контуром или детектором.
Конструктивно транзисторы выполняются в металлических или пластмассовых корпусах. Так как транзисторы имеют различное назначение, т.е. используются в усилителях, стабилизаторах тока или напряжения, устройсвах управления и так далее, то и подбирать транзисторы нужно по определенным параметрам.
Например транзистор для усилителя высокой частоты должен иметь высокую граничную частоту усиления сигнала (Fгр), а транзистор используемый в стабилизаторе тока должен иметь высокое значение рабочего тока коллектора (Iк). В связи с выше сказанным в справочной литературе указываются основные параметры транзисторов:
h21э - коэффициент усиления;
Iк - рабочий (или максимально допустимый) ток коллектора;
Pк - рассеиваемая мощность коллектора;
Fгр - максимальная частота усиления транзистора.
На рисунке показаны наиболее распространенные типы транзисторов применяемые в настоящее время. Мощные транзисторы, для создания нормального теплового режима устанавливаются на радиаторы.