4. Изучение свойств биполярного транзистора

Note

Данная статья задумывалась как лабораторная работа к курсу Электроника для начинающих, Д.Забарило

Уроки:

  • 20.1 Транзисторы

  • 20.2 Принцип работы биполярного транзистора

  • 20.3 Расчет параметров транзисторного ключа на биполярном транзисторе

  • 20.4 Исследование работы транзисторного ключа

  • 20.5 Транзистор Дарлингтона

Бесплатные материалы по теме:

  1. Транзисторный ключ от А до Я. Практика и теория. Полевые MOSFET и биполярные транзисторы

  2. Транзистор полевой, биполярный, MOSFET, IGBT

  3. Как правильно соединять транзисторы. На реальных примерах

  4. Transistor amplifier Part 1

  5. Transistor amplifier Part 2

  6. Усилители звука - это просто! Усилители звука с нуля для начинающих

Загрузки:

Типы транзисторов по структуре:

../../_images/transistors.png
В данной работе изучается Биполярный транзистор.

4.1. Задачи

  1. Изучить свойства биполярного транзистора в режиме ключа.

  2. Построить графики зависимости тока и напряжения на участке коллектор-эмиттер от тока и напряжения на участке база-эмиттер.

  3. Экспериментально проверить расчетное значение тока и напряжения открытия транзистора на участке база-эмиттер.

4.2. Введение

Обозначение биполярного транзистор n-p-n структуры на принципиальных схемах:

../../_images/bipolar_001.png

  • Коллектор / Drain (-)

  • База / Gate (+) (управляющее напряжение)

  • Эмиттер / Source (+)

Сема подключения транзистора в качестве ключа:

../../_images/bipolar_002.png

  • Rg - сопротивление, ограничивающее ток “база-эмиттер” (G-S).

  • R2 - притягивающий резистор (R2 >> Rg). Он подает (-) на переход “база-эмиттер” (G-S), чтобы транзистор не открывался от помех, наведенных на висящий провод выключателя. Для биполярных транзисторов не так актуально, как для полевых транзисторов, т.к. транзистор открывается при наличии тока.

Переход “коллектор-эмиттер” изначально имеет большое сопротивление. При подаче напряжения на переход “база-эмиттер”, через этот переход начинает протекать ток и сопротивление на переходе “коллектор-эмиттер” снижается.

Для открытия перехода “коллектор-эмиттер” на переход “база-эмиттер” нужно подать напряжение 0.7 В (для кремниевых транзисторов). До насыщения базы электронами ток коллектор-эмиттер изменяется линейно, также как ток и напряжение на переходе “база-эмиттер”. При достижении тока насыщения на база-эмиттерном переходе, сопротивление и, соответственно, ток на переходе “коллектор-эмиттер” перестает изменяться линейно.

Note

Недостатком использования биполярных транзисторов в качестве ключей является большая потеря мощности на транзисторе за счет большого тока “база-эмиттер”.

Important

Для насыщения перехода “база-эмиттер” нужно определенное значение тока!, а не напряжения, как в случае с полевым транзистором!

4.3. Описание опыта

Сема подключения транзистора приведена на рисунке ниже.

../../_images/bipolar_003.png

  • VCC - Uкэ (в закрытом состоянии) = 8.5В

  • VT1 - 2N5551

  • U(Gen1) - 0В - +5В (треугольник) подается от генератора Gen1 с частотой 500 Гц

  • Ids = 75 мА (произвольное значение, но не более Iкэ макс)

  • Ugs = 0.7 В (теоретическое значение для кремниевых транзисторов)

  • hFE - 290 (определено с помощью измерительного прибора). \(hFE=Iкэ / Iбэ\)

Расчетные значения:

  • Rg - 680 Ом (889.33 Ом) - транзистор гарантированно открыт работает в режиме ключа.

  • Rg - 6800 Ом (8893.33 Ом) - транзистор работает на границе режима усиления и ключа.

  • Rn - 100 Ом (113.33 Ом)

Характеристики транзистора 2N5551 (транзистор n-p-n структуры в корпусе TO-92)

  • Iкэ макс = 600 мА

  • Uкэ макс = 160 В

  • hFE = 80-250 (коэффициент усиления по току \(hFE=Iкэ / Iбэ\)).

Расчет сопротивления базы (Rg)
\[Rg = Ug / Ig\]

Для расчетов будем использовать U(Gen1) = 3В, чтобы наблюдать процессы в цепи при превышении расчетных значений.

Первый вариант расчета сопротивления Rb для работы в режиме ключа,

Для расчета сопротивления базы для схемы, работающей в режиме ключа можно взять коэффициент усиления по току (hFE) деленный на десять, чтобы транзистор был гарантированно открыт.

\[hFE(расчетное) = hFE / 10\]

Рассчитаем сопротивление базы (Rg):

\[\begin{split}Rg = Ug / Ig = (U(Gen1) - Ugs) / (Ids / hFE(расчетное))\\ = (3 - 0.7) / (0.075 / (290 / 10)) = 889.33 Ом\end{split}\]

Ближайшее стандартное значение Rg = 680 Ом

Второй вариант расчета сопротивления Rb для работы транзистора на границе режима усиления и ключа

Для этого случая возьмем коэффициент усиления по току (hFE) как он есть.

\[\begin{split}Rg = Ug / Ig = (U(Gen1) - Ugs) / (Ids / hFE(расчетное))\\ = (3 - 0.7) / (0.075 / 290) = 8893.33 Ом\end{split}\]

Возьмем ближайшее стандартное значение Rg = 6800 Ом

Расчет значения Rn
\[Rn = Un / Ids\]

Для расчетов примем падение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” равным нулю (Uds = 0 В).

\[Rn = Un / Ids = (VCC - Uds) / Ids = (8.5 - 0) / 0.075 = 113.33 Ом\]

Возьмем ближайшее значение Rn = 100 Ом

4.4. Лабораторная работа

4.4.1. Сопротивление базы 680 Ом (режим ключа)

С генератора (Gen1) подаются прямоугольные импульсы.

  • Частота: 500 Гц

  • Амплитуда: 0 В - 5 В

../../_images/bipolar_rb_680_gen1.png

Сигнал генератора Gen1

Ниже представлен график падения напряжения на сопротивлении базы Rg (осц. Ch1) и на переходе “база-эмиттер” (осц. Ch2). До достижения уровня напряжения порядка 0.7 В на переходе “база-эмиттер”, переход закрыт, ток через него не идет и на сопротивлении базы (Rg) нет падения напряжения.

При достижении напряжения 0.7 В , переход “база-эмиттер” открывается и через него начинает протекать ток. Причем, падение напряжения на сопротивлении базы (Rg) и, соответственно, ток увеличиваются линейно в зависимости от поданного напряжения. А на переходе “база-эмиттер” падение напряжения не изменяется. Т.е. сопротивление на переходе “база-эмиттер” изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

../../_images/bipolar_rb_680_urg_urgs.png

Падение напряжения на Rg (осц. Ch1) и на переходе “база-эмиттер” (осц. Ch2)

На графике ниже показано изменение сопротивления перехода “база-эмиттер” в зависимости от протекающего через переход тока, на интервале времени, когда переход открыт и падение напряжения на нем неизменное (0.7 В).

../../_images/bipolar_rb_680_rgs.png

Зависимость сопротивления перехода “база-эмиттер” от протекающего тока

Минимальное значение сопротивления перехода “база-эмиттер” составило 119 Ом, максимальное 5712 Ом.

Падение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” изменяется как показано на рисунке ниже. Когда переход “база-эмиттер” закрыт, переход “коллектор-эмиттер” имеет большое сопротивление и все напряжение падает на нем. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки близко к нулю. Когда переход “база-эмиттер” открывается, сопротивление перехода “коллектор-эмиттер” снижается и через переход начинает протекать ток. Когда переход “база-эмиттер” полностью открыт, он имеет очень низкое сопротивление и на нем практически нет падения напряжения. Все напряжение падает на сопротивлении нагрузки (Rn).

../../_images/bipolar_rb_680_urds.png

Падение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” (осц. Ch3)

При этом, на сопротивлении нагрузки (Rn), наблюдается обратная картина. Когда переход “база-эмиттер” закрыт, падения напряжения на сопротивлении нагрузки (Rn) нет, поскольку сопротивление перехода “коллектор-эмиттер” значительно выше сопротивления нагрузки. Когда переход “база-эмиттер” открыт, все напряжение падает на сопротивлении нагрузки (Rn), поскольку сопротивление перехода “коллектор-эмиттер” имеет минимальное значение.

../../_images/bipolar_rb_680_urn.png

Падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rn (осц. Ch4)

Ниже представлен график изменения сопротивления перехода “коллектор-эмиттер” на интервале времени, когда переход “база-эмиттер” открыт.

../../_images/bipolar_rb_680_rds.png

Сопротивление перехода “коллектор-эмиттер”

Минимальное значение сопротивления перехода “коллектор-эмиттер” составило 1.5 Ом, максимальное 43625 Ом.

График изменения коэффициента усиления на интервале времени, когда переход “база-эмиттер” открыт представлен на рисунке ниже.

../../_images/bipolar_rb_680_hfe.png

Изменение коэффициента усиления (hFE)

Минимальное значение коэффициента усиления (hFE) составило 11.9, максимальное 122.3.

4.4.2. Сопротивление базы 6800 Ом (режим усиления)

С генератора (Gen1) подаются прямоугольные импульсы.

  • Частота: 500 Гц

  • Амплитуда: 0 В - 5 В

../../_images/bipolar_rb_6800_gen1.png

Сигнал генератора Gen1

Ниже представлен график падения напряжения на сопротивлении базы Rg (осц. Ch1) и на переходе “база-эмиттер” (осц. Ch2). До достижения уровня напряжения порядка 0.7 В на переходе “база-эмиттер”, переход закрыт, ток через него не идет и на сопротивлении базы (Rg) нет падения напряжения.

При достижении напряжения 0.7 В , переход “база-эмиттер” открывается и через него начинает протекать ток. Причем, падение напряжения на сопротивлении базы (Rg) и, соответственно, ток увеличиваются линейно в зависимости от поданного напряжения. А на переходе “база-эмиттер” падение напряжения не изменяется. Т.е. сопротивление на переходе “база-эмиттер” изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

../../_images/bipolar_rb_6800_urg_urgs.png

Падение напряжения на Rg (осц. Ch1) и на переходе “база-эмиттер” (осц. Ch2)

На графике ниже показано изменение сопротивления перехода “база-эмиттер” в зависимости от протекающего через переход тока, на интервале времени, когда переход открыт и падение напряжения на нем неизменное (0.7 В).

../../_images/bipolar_rb_6800_rgs.png

Зависимость сопротивления перехода “база-эмиттер” от протекающего тока

Минимальное значение сопротивления перехода “база-эмиттер” составило 1008 Ом, максимальное 30185 Ом. Нужно отметить, что при сопротивлении базы 6800 Ом минимальное сопротивление перехода “база-эмиттер” значительно выше, чем при сопротивлении базы 680 Ом. Это можно объяснить тем, что в данном случае переход “база-эмиттер” не достиг насыщения и открылся не полностью.

Падение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” изменяется как показано на рисунке ниже. Когда переход “база-эмиттер” закрыт, переход “коллектор-эмиттер” имеет большое сопротивление и все напряжение источника питания (порядка 8.5 В) падает на нем. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки близко к нулю. Когда переход “база-эмиттер” открывается, сопротивление перехода “коллектор-эмиттер” снижается и через переход начинает протекать ток. Когда переход “база-эмиттер” полностью открыт, он имеет очень низкое сопротивление и на нем практически нет падения напряжения. Все напряжение падает на сопротивлении нагрузки (Rn).

../../_images/bipolar_rb_6800_urds.png

Падение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” (осц. Ch3)

При этом, на сопротивлении нагрузки (Rn), наблюдается обратная картина. Когда переход “база-эмиттер” закрыт, падения напряжения на сопротивлении нагрузки (Rn) нет. Когда переход “база-эмиттер” открыт, значительная часть напряжения источника питания падает на сопротивлении нагрузки (Rn).

../../_images/bipolar_rb_6800_urn.png

Падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rn (осц. Ch4)

Ниже представлен график изменения сопротивления перехода “коллектор-эмиттер” на интервале времени, когда переход “база-эмиттер” открыт.

../../_images/bipolar_rb_6800_rds.png

Сопротивление перехода “коллектор-эмиттер”

Минимальное значение сопротивления перехода “коллектор-эмиттер” составило 38 Ом, максимальное 5429 Ом.

График изменения коэффициента усиления на интервале времени, когда переход “база-эмиттер” открыт представлен на рисунке ниже.

../../_images/bipolar_rb_6800_hfe.png

Изменение коэффициента усиления (hFE)

Минимальное значение коэффициента усиления (hFE) составило 87, максимальное 229.

На данном графике нас больше всего интересуют плечи, т.к. на этих участках транзистор работает в режиме усиления. Т.е., можно сказать, что коэффициента усиления (hFE) данного транзистора, при работе в режиме усиления, составляет порядка 160-190.

4.5. Выводы

  1. Напряжение “база-эмиттер” (Ugs), при котором открывается переход “коллектор-эмиттер” равно 0.7В

  2. Падение напряжения на переходе “база-эмиттер” не изменяется, когда переход открыт. Т.е. сопротивление открытого перехода “база-эмиттер” изменяется в зависимости от тока.

  3. Ток, проходящий через открытый переход “база-эмиттер”, изменяется линейно в зависимости от приложенного напряжения.

  4. Падение напряжения на на сопротивлении базы (Rb) при открытом переходе “база-эмиттер” изменяется линейно, в зависимости от приложенного напряжения.

  5. При закрытом переходе “база-эмиттер”, падение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” будет равно напряжению источника питания (~8.5В).

  6. При превышении напряжения “база-эмиттер” (Ugs) 0.7В, сопротивление перехода “коллектор-эмиттер” будет снижаться, падение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” будет стремиться к нулю.

  7. Напряжение напряжения на переходе “коллектор-эмиттер” изменяется линейно, когда на переход “база-эмиттер” подается напряжение от 0.7В до 2.3В.

  8. На сопротивлении нагрузки (Rn) падение напряжения увеличится с нуля до 5.7В при Rn=6800 Ом, и до 7.76В при Rn=680 Ом. напряжение на Rn увеличилось до 5.7В при Rn=6800 Ом из-за того, что транзистор был открыт не полностью и имел небольшое сопротивление.

  9. Значение hFE в режиме усиления составило 160 - 190.

  10. При Rb = 680 Ом, минимальное сопротивление перехода “коллектор-эмиттер” составило 1.5 Ом и ток нагрузки достиг заданных значений 75 мА.

  11. При Rb = 6800 Ом, минимальное сопротивление перехода “коллектор-эмиттер” составило 38 Ом и ток нагрузки не достиг заданных значений 75 мА из-за наличия сопротивления перехода “коллектор-эмиттер”.

  12. С увеличением тока “база-эмиттер”, мощность рассеивания на переходе “база-эмиттер” становится сопоставимой с мощностью рассеивания на переходе “коллектор-эмиттер”. Так, для Rb = 680 Ом, Pbe = 6 мВт, Pke = 18 мВт.

  13. Мощность рассеивания на переходе “коллектор-эмиттер” в момент открытия транзистора достигает 238 мВт.

  14. Какой оптимальный ток база-эмиттер для работы транзистора в режиме ключа? Если ток насыщения база-эмиттер порядка 3 мА, то можно взять с запасом 4 мА.

4.6. Вопросы

  1. Перестанет ли ток база-эмиттер изменяться линейно с управляющим напряжением?

4.7. Ссылки

  1. Google

  1. Электроника для начинающих, Д.Забарило

  2. Транзистор полевой, биполярный, MOSFET, IGBT

  3. Транзисторный ключ от А до Я. Практика и теория. Полевые MOSFET и биполярные транзисторы

  4. Как правильно соединять транзисторы. На реальных примерах

  5. Transistor amplifier Part 1

  6. Transistor amplifier Part 2

  7. Усилители звука - это просто! Усилители звука с нуля для начинающих