Нагрузочная прямая транзистора как построить

Построение нагрузочной прямой для режима постоянного тока в цепи коллектора

Нагрузочная прямая представляет собой траекторию движения рабочей точки транзистора при изменении уровня входного сигнала. В основе построения лежит решение уравнения динамического режима транзистора относительно тока коллектора. Сперва строим нагрузочную прямую для режима постоянного тока в цепи коллектора (прямая АВ на рис. 3.) При отсутствии входного сигнала, т.е. переменного напряжения Uвх заданной частоты, в коллекторной цепи будет протекать только постоянный ток коллектора Iк, и установится баланс напряжений, определяемый законом Кирхгофа:

Отсюда напряжение, снимаемое с коллектора транзистора (выходное для него):

Для упрощения рассуждений пренебрежем известным соотношением I_Э=I_K+I_Б> I_K, и, поскольку ток базы I_Б «Iк, примем I_K «I_Э. Тогда выражение (2) примет вид:

Выражение (3) называется уравнением динамического режима работы транзистора, показывающее, что напряжение на выходе транзистора U_КЭ изменяется при любых изменениях тока коллектора I_K.

Разрешив уравнение (3) относительно тока I_K, получим:

(4)

Уравнение (4) позволяет построить нагрузочную прямую транзистора по постоянному току.

Приравнивая нулю значения U_КЭ(транзистор открыт), получим:

Iк=Ек/(Rк+Rэ)=20/(680+330)=0,0198А=19,8 мА – точка А на оси ординат.

Приравнивая нулю значения Iк (транзистор закрыт), получаем:

Ек/(Rк+Rэ)=Uкэ/(Rк+Rэ)=> Ек=Uкэ=20 В-точка В на оси абсцисс.

Соединив точки, получаем искомую нагрузочную прямую АВ для режима постоянного тока в цепи коллектора (рисунок 3).

Примечание: эти точки – теоретические, поскольку транзистор в принципе не может быть открыт до уровня нулевого сопротивления перехода коллектор – эмиттер, которое мало, но R_КЭ≠ 0,поэтому не может быть и U_КЭ = I_RR_КЭ равным нулю. Это же можно сказать и о закрытом состоянии транзистора, для которого ток коллектора очень мал, но Iк≠ 0.

Источник

Анализ линии нагрузки транзистора

Выходные характеристики

При рассмотрении выходных характеристик транзистора кривая выглядит следующим образом для различных входных значений.

На приведенном выше рисунке выходные характеристики показаны между током I _C коллектора и напряжением V _CE коллектора для различных значений базового тока I _B. Они рассматриваются здесь для различных входных значений, чтобы получить различные выходные кривые.

Нагрузка линии

Понятие линии нагрузки можно понять из следующего графика.

Линия нагрузки постоянного тока

Значение напряжения эмиттера коллектора в любой момент времени будет

V C E = V C C − I C R C

Чтобы получить линию нагрузки, необходимо определить две конечные точки прямой. Пусть эти две точки будут A и B.

Чтобы получить

V C E = V C C − I C R C

Это дает точку A (OA = V _CC / R _C ) на оси тока коллектора, показанной на рисунке выше.

Источник

Как нагрузочная прямая используется в проектировании схем

Из данной статьи из серии часто задаваемых инженерных вопросах (FEQ, Frequent Engineering Questions) вы узнаете, как использовать нагрузочную прямую при проектировании схем.

В этом учебном пособии будет описано, как нагрузочная прямая влияет на проектирование схемы, и как анализировать работу схемы, выбирая нагрузку по вольт-амперной характеристике.

Анализ цепей с выпрямительными диодами, светодиодами и транзисторами

Цепи, которые содержат нелинейные компоненты, такие как выпрямительные диоды, светодиоды или транзисторы, не могут быть всесторонне проанализированы с использованием методов, которые мы обычно применяем к цепям, состоящим только из резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов.

Например, в следующей схеме мы не можем точно рассчитать напряжение на диоде, объединив два резистора в R_экв, и затем применив закон Ома.

Рисунок 1 – Пример диодной схемы

В таких случаях мы можем выполнить необходимый анализ, нарисовав диаграмму, состоящую из нагрузочной прямой и вольт-амперной характеристики нелинейного устройства.

Чтобы создать эту диаграмму, нам сначала нужно знать зависимость между током и напряжением нелинейного устройства. Эта информация может быть получена из технического описания устройства, или мы можем использовать кривые, которые представляют типовое поведение устройств, которые относятся к обобщенной категории, которая нас интересует, – например, стандартные кремниевые диоды или низковольтные NPN-транзисторы.

Затем мы создаем нагрузочную прямую на основе ограничений, налагаемых другими элементами схемы.

Создание нагрузочной прямой по вольт-амперной характеристике диода

В диодной схеме, показанной выше, мы знаем, что напряжение на диоде не может быть выше, чем напряжение питания V_пит. Мы также знаем, что ток через диод не может быть выше, чем V_пит/R_экв, потому что ток цепи ограничен этим значением резисторов; диод может оказывать дополнительное сопротивление току и, следовательно, создавать значение ниже, чем V_пит/R_экв, но он не может увеличить ток выше уровня, установленного резисторами.

Таким образом, мы имеем ограничение как для падения напряжения на диоде, так и для тока, протекающего через диод. Все точки, лежащие на прямой линии между этими двумя ограничениями, представляют все возможные комбинации тока и напряжения, которые возможны в ограничивающей обстановке, создаваемой линейными элементами цепи.

Рисунок 2 – График, показывающий пересечение нагрузочной прямой и ВАХ диода

Эта прямая линия – это то, что мы называем нагрузочной прямой.

Только одна из этих точек соответствует сочетанию тока и напряжения, которое возможно при электрическом поведении диода, которое описывается «диодным уравнением». Мы находим эту точку, отмечая пересечение нагрузочной прямой и кривой вольт-амперной характеристики диода, как показано выше. Точка пересечения соответствует рабочей точке цепи.

Заключение

Что вам нужно узнать о нагрузочных прямых? Поделитесь своими вопросами в комментариях ниже.

Источник

РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С НАГРУЗКОЙ. ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ПРЯМОЙ. ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ.

рис. 1

Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 2). На оси абсцисс отложим отрезок, равный – напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:

Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:

рис. 2

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ. ПРЕДЕЛЬНАЯ И ГРАНИЧНАЯ ЧАСТОТЫ, ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРА НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ.

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления.

Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода Ск Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис.

На низких частотах сопротивление емкости С_к очень большое, r_к также очень велико и можно считать, что весь ток c_dэ идет в нагрузочный резистор, Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через Rн соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются ki k_u k_p выходное напряжение и выходная мощность.

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе.

Пусть A(альфа) и В(бета) – коэфициенты усиления по току. Тогда принято считать предельным допустимым уменьшение значений А и В на 30% по сравнению с их значениями А0 и В0 на низких частотах.

Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых А=0,7А0 и В=0.7В0 называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления достигается уменьшением емкости коллекторного перехода Ск и времени пробега носителей через базу tпр.

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 440 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Приветствую всех снова на нашем сайте 🙂 Мы продолжаем активно погружаться в нюансы работы биполярных транзисторов и сегодня мы перейдем к практическому рассмотрению одной из схем использования БТ — схеме ключа на транзисторе!

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний — открытом (включенном) и закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Давайте разбираться!

И, первым делом, давайте саму схему и рассмотрим:

Здесь у нас используется n-p-n транзистор. А вот вариант для p-n-p:

И по нашей уже устоявшейся традиции будем разбирать все аспекты работы на примере n-p-n транзистора 🙂 Суть и основные принципы остаются неизменными и для p-n-p. Так что работаем с этой схемой (здесь мы добавили протекающие по цепи токи):

Как вы уже заметили, схема очень напоминает включение транзистора с общим эмиттером. И действительно именно схема с ОЭ чаще всего используется при построении ключей. Только здесь у нас добавились два резистора ( R_б и R_к ). Вот с них и начнем!

Зачем же нужен резистор в цепи базы?

Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы — а как его менять? Верно — изменяя сопротивление этого самого резистора! То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Мы уже несколько раз использовали термины «транзистор открыт» и «закрыт». Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе!

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_ <вых>. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали 🙂

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к ). Для коллекторной цепи мы можем записать:

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор — линейный элемент ( U_R = I_R R ), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют — нагрузочная прямая). Наносим ее на выходные характеристики транзистора и получаем следующее:

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_ <кэ>и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может 🙂

И нам нужно обеспечить, чтобы в открытом состоянии рабочая точка оказалась в положении 1. В данном случае падение напряжения U_ <кэ>на транзисторе будет минимальным, то есть почти вся полезная мощность от источника окажется на нагрузке. В закрытом же состоянии рабочая точка должна быть в положении 2. Тогда почти все напряжение упадет на транзисторе, а нагрузка будет выключена.

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими аспектами работы ключа на транзисторе, давайте рассмотрим как же на практике производятся расчеты и выбор номиналов элементов!

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. Резистор R_к при этом остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В ( U_д ). При этом диод будет потреблять ток равный 50 мА ( I_д ). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Ведь если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_ <21э>, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру 🙂 Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

А ток у нас задан, поскольку мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Тогда:

Итак, в этой формуле нам известно все, кроме сопротивления, которое и требуется определить:

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

Пришло время определить ток базы, для этого используем минимальное значение коэффициента усиления:

А падение напряжения на резисторе R_б :

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, мЕньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии бОльшая часть напряжения упадет на транзисторе ( U_ <кэ>), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним! Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому и добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттеру. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть — от теории к практике 🙂 Надеюсь, что материал будет полезен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, я буду рад помочь!

Источник