Транзистор – усилитель. Часть 2: управление током коллектора.

Эксперимент №1

Собираем схему №1, кратковременно замыкаем S – лампочка загорается. Почему? На базе создаётся положительный потенциал относительно эмиттера, следовательно, возникает базовый ток и, соответственно, ток коллектора. Меняем полярность GB1, кратковременно замыкаем S – лампочка не загорается.

Собираем схему №2, кратковременно замыкаем S – лампочка загорается. Почему? На базе создаётся отрицательный потенциал относительно эмиттера, следовательно, возникает базовый ток и, соответственно, ток коллектора. Меняем полярность GB1, кратковременно замыкаем S – лампочка не загорается.
Вместо лампочки можно применить светодиод. Если напряжение источника ±U около 5 В, то резистор, ограничивающий ток через светодиод, не обязателен:

Но лучше включить пару светодиодов последовательно.

На фото GB1 вообще не подсоединена. Заметно светится красный светодиод, очевидно потому, что оказался рассчитан на ме́ньший ток. Значит, через VT течёт слабенький ток Iэко.

В эксперименте используется старинный отечественный P-N-P транзистор МП40А.

На фото GB1 подсоединён «+» к базе, VT открыт. Если поменять полярность GB1, то транзистор полностью закроется и светотодиоды не будут светиться вообще, т.е. Iэко=0.

Всё верно. Эксперимент подтвердил теорию.

Эксперимент №2
Прежде всего решим вопрос: неужели для транзистора нужно ДВА источника: основной UКЭ и дополнительный UБЭ? Ответ отрицательный. Вот практический пример:

Или со светодиодом:

Рассмотрим схему слева. Пусть переключатель S1 будет замкнут в нижнем положении. При этом база транзистора через резистор R подсоединяется к «+» источника питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует, транзистор закрыт. Если перевести переключатель S в верхнее положение, то напряжение на базе становится больше, чем на эмиттере, и появляется ток базы IБ (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток коллектора IК. Транзистор открывается, лампа загорается. Если вернуть переключатель S в нижнее положение, транзистор закроется, и лампа погаснет.

На схеме справа всё идентично, но с транзистором прямой проводимости. Обратите внимание, что полярность источника ±U изменена на противоположную.

Транзистор в данной схеме работает в качестве ключа или выключателя. Почему? Он переключается между двумя противоположными состояниями – открытым и закрытым. При таком использовании транзистора необходимо, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению, т.е. падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе должны быть минимальны.


На фото база «висит в воздухе», т.е. ситуация та же, что и в начале 1-го эксперимента. Заметно свечение красного светодиода.


На фото база через ограничительный резистор соединена с «-» питания. Транзистор полностью открыт. Оба светодиода светятся. Если соединить базу через ограничительный резистор с «+», то светодиоды погаснут совершенно.
Для выполнения условия минимума потерь на транзисторе, надо рассчитать ограничительный резистор R в цепи базы. Выполним его для лампочки.

Пример расчёта.
Пусть транзистор управляет лампой накаливания 12В, 50мА. Транзистор работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии он должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку оно близко к нулю.
Номинальный ток лампы 50 мА, следовательно нужно выбрать транзистор с максимальным IК несколько большим, чем ток лампочки. Вообще рекомендуется использовать компоненты с параметрами на 25% выше, т.е. с некоторым запасом прочности. Возьму (для примера) легендарный N-P-N транзистор времён СССР – КТ315. Находим в любом справочнике информацию о нём:

В нашем случае по величине тока Iкmax подходят транзисторы с буквенными индексами «А, Б, В, Г, Д, Е, Н, Р». Максимальное напряжение UКЭ у всех от 20 В и выше, а у нас в всего 12 В.

Возьмём самый первый – КТ361А, с b=30-120. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, в расчёте будем использовать минимальный b=30. Какой минимальный должен IБ, чтобы IК = 50 мА? Очень просто:
IК/b= IБ или 50 мА/ 30 » 1,7 мА

Токоограничивающий резистор R какого номинала нужно поставить, чтобы IБ = 1,7 мА?
Вспомним старый добрый закон Ома для участка цепи: IБ =U/R,
где U=Uпит-0,6 В (12 В питания — 0,6 В потери на PN-переходе база-эмиттер).
Следовательно R=11,4 В / 0,0017 А » 6706 Ом.
Так как 2,5 мА – это минимальный IБ, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления – 6,2 кОм.

Эксперимент по проверке работы транзистора в ключевом режиме прошёл успешно.

Эксперимент №3
Немного изменим схему, добавив в неё переменный резистор. Теперь токоограничивающий резистор R и переменный резистор представляют собой делитель напряжения:

Uпит=U1 + U2
Смещая ползунок, можно плавно менять соотношение напряжений, а значит – напряжение на базе и её ток IБ.

Или со светодиодом:


Рассмотрим схему слева на транзисторе обратной проводимости. Пусть изначально движок переменного резистора находится в нижнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере и Iб=0, следовательно, IК=0 (IК=β*IБ) –  транзистор закрыт, лампа (светодиод) не светится. Начинаем смещать движок вверх – напряжение на нём начинает возрастать по сравнению с эмиттером – появляется Iб, и, одновременно с ним, появляется IК (транзистор начинает открываться). Лампа, соответственно, начинает светиться. Чем выше мы будем перемещать движок переменного резистора, тем ярче будет гореть лампа (светодиод).
Если же мы начнём перемещать движок переменного резистора вниз, то транзистор начнёт закрываться, а Iб и , соответственно, IК начнёт уменьшаться.

На схеме справа всё идентично, но с транзистором прямой проводимости. Обратите внимание, что полярность источника ±U изменена на противоположную.

На фото движок переменного резистора сдвинут до конца вниз (по схеме), Iк=0, светодиоды не светятся.

На фото вращаем движок переменного резистора вверх (по схеме), появляется Iк, светодиоды плавно начинают светиться.

На фото движок переменного резистора повёрнут до конца вверх (по схеме), Iк=max, светодиоды ярко светятся.

Рассмотренный режим работы транзистора является активным. Ток управляет током, но дело в том, что коэффициент β может измеряться не только десятками, но даже сотнями. Значит, для того, чтобы сильно менять IК, достаточно лишь немного изменять Iб.

Эксперимент по проверке работы транзистора в активном режиме прошёл успешно.

В активном режиме транзистор и используется в качестве усилителя. Транзистор – это активный РАДИОкомпонент. Уже понятно, что для создания реального усилителя нужен не только транзистор, но и кое-какие пассивные компоненты: резисторы и конденсаторы. Их иногда называют «обвязкой» транзистора. Но об этом немного позже.

Замечание. Резистор R в эксперименте ОГРАНИЧИВАЕТ IБ. При отсутствии этого резистора через эмиттерный переход транзистора может потечь очень большой ток, что приведёт к тепловому пробою и транзистор навсегда будет испорчен.

©SEkorp 08_Jun_2020

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 или на РАДИОзвук