Транзисторы

§ 155. ТРАНЗИСТОРЫ

Транзисторы служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: очень большим сроком службы, малыми размерами, большой механиче­ской прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначи­тельным собственным потреблением энергии.

Транзистор представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной прово­димостью.

Транзисторы, у которых средняя область имеет электронную проводи­мость, сокращенно называются тран­зисторами типа р-n-р; транзисторы, у которых средняя область обладает дырочной проводимостью,— транзи­сторами типа n-р-n.

Физические процессы, происходя­щие в транзисторах двух типов, ана­логичны.

Рассмотрим работу плоскостного кремниевого транзистора типа n-р-n. Такой транзистор (рис. 215) содержит два электронно-дырочных перехода, отделяющих две крайние области с электронной проводимостью от средней области с дырочной проводимостью.

В условиях работы транзистора к левому слою прикладывается прямое постоянное напряжение, а к правому — обратное. Под действием электрического поля большая часть электронов из левой     

n-области, преодолевая р — n-переход, переходит в очень узкую среднюю р-область. Здесь большая часть электронов продолжает движение по направлению ко второму переходу. Приближаясь к нему, электроны попадают в электрическое поле, созданное внеш­ним положительным напряжением батареи Uк. Под влиянием этого поля электроны быстро втягиваются в правую n-область, что вызы­вает увеличение тока в цепи этой батареи, так как сильно снижает­ся сопротивление второго перехода.

При увеличении напряжения батареи  Uэ число электронов, дви­гающихся из левой области в среднюю, будет расти и, следователь­но, число электронов, переходящих из средней области в правую, также будет увеличиваться.

Каждая из трех областей транзистора имеет свое название: левая область, испускающая (эмиттирующая) электроны — носители за­рядов, называется эмиттером Э; правая область, собирающая носи­тели зарядов,— коллектором К, а средняя область — основанием или базой Б. В известной мере можно считать, что эмиттер по свое­му назначению подобен катоду, коллектор — аноду, а база — управ­ляющей сетке трехэлектродной лампы. Если в цепь эмиттера   включить

переменное напряжение Uс ( рис. 216), то оно будет складываться с напряжением батареи Uэ и изменять ток эмиттера. В результате этого че­рез левый эмиттерный переход будет протекать не постоянный, а пульси­рующий электрический ток.

Изменение силы тока в цепи эмиттера ΔIэ вызовет изменение тока в цепи коллектора ΔIк. Однако по­скольку не все электроны, испускае­мые эмиттером, достигают коллекто­ра, а небольшая часть из них рекомбинирует, т. е. заполняет некоторое количество дырок в средней об­ласти триода (базе), изменение силы тока в цепи коллектора ΔIк будет несколько меньше, чем в цепи эмиттера.

Практически сила тока коллектора составляет 98—99%   тока эмиттера.

Так как к эмиттерному   (левому)   n — р-переходу приложено

напряжение в прямом направлении, этот переход обладает малым сопро­тивлением. Правый же коллекторный р — n-пере­ход, на который напряже­ние подано в обратном на­правлении, имеет большое сопротивление. По этой причине напряжение, при­кладываемое к эмиттеру, обычно весьма невелико, а напряжение,    подаваемое напряжение в прямом на коллектор, может быть достаточно большим.

Изменение силы тока в цепи, создаваемого малым напряжением Uэ. вызывает почти такое же изменение силы тока в цепи коллек­тора, где действует значительно большее напряжение Uк. В резуль­тате этого в транзисторе осуществляется усиление мощности.

Простейшая схема усилителя  с транзистором  изображена  на рис. 217.

На вход трансформатора подается усиливаемый сигнал. В цепь эмиттера включена вторичная обмотка трансформатора, а для ограничения силы тока введено сопротивление. В цепь коллектора (на выходе триода) включена нагрузка Rн.

Батарея Uэ подсоединяется в прямом направлении и поэтому эмиттерный n — р-переход обладает малым сопротивлением. Бата­рея Uк подсоединяется в обратном направлении, в связи с чем сопротивление   коллекторного   n — р-перехода   имеет   значительную величину.

Сопротивление нагрузки Rн при соответствующем подборе на­пряжения батареи Uк может быть достаточно большим по сравне­нию с сопротивлением на входе усилителя.

Транзистор будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу (Рвх=I² Rвх), меньше по­лезной мощности сигнала на выходе, т. е. в нагрузке (Рн = I² Rн).

Коэффициент усиления по мощности

Ввиду того что база рассмотренного транзистора является об­щей для цепи эмиттера и коллектора, такая схема включения назы­вается схемой с общей базой.

При применении этой схемы выходной ток —ток коллектора практически равен току эмиттера — входному току, поэтому при включении триода по схеме с общей базой нет усиления по току, а происходит усиление мощности и напряжения.

Отличительные особенности транзистора типа р-n-р по сравне­нию с транзисторами типа n-р-n заключаются в обратной полярно­сти включения источников питания, а также в том, что электриче­ский ток в этих транзисторах создается в основном не электронами, а дырками.

Кроме этой схемы, применяют еще две схемы включения тран­зисторов: схема с общим (заземленным) эмиттером и схема с об­щим коллектором. В схеме с общим эмиттером (рис. 218, а) усили­ваемый сигнал подается к зажимам «Вход» между базой и эмитте­ром, а усиленное напряжение снимается с сопротивления нагрузки Rн.

В этой схеме эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепи транзистора.

Батарея Uб обеспечивает подачу постоянного напряжения на базу, а батарея Uк — подачу напряжения на коллектор транзисто­ра. Особенностью этой схемы включения транзистора является ее способность обеспечить усиление по току и высокое усиление по мощности (достигает 10 000 раз), что и определяет ее широкое при­менение.

В схеме с общим коллектором (рис. 218, б) усиливаемый сигнал подается на зажимы «Вход» между базой и заземлением, а усилен­ное напряжение снимается с сопротивления нагрузки Rн, подклю­ченного к зажимам «Выход» — между эмиттером и заземлением. В этой схеме коллектор является общим электродом для входной и выходной цепи транзистора. Схема с заземленным коллектором используется в основном в первом входном усилительном каскаде. Это связано с тем, что схема имеет высокое входное сопротивление и не может обеспечить усиления напряжения сигнала больше еди­ницы.

Важными параметрами транзисторов являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления по току для схемы с общей базой обозначается буквой α, а для схе­мы с общим эмиттером — буквой β.

Коэффициент усиления по току α определяется отношением из­менения силы тока в цепи коллектора ΔIк к изменению тока в цепи эмиттера ΔIэ при неизменном напряжении коллектор — база:

Коэффициент усиления по току β определяется отношением из­менения силы тока в цепи коллектора ΔIк к изменению тока в цепи базы ΔIб при неизменном напряжении коллектор — эмиттер:

Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле

где ΔU2 — изменение напряжения на выходе, в,

     ΔU1 — изменение напряжения на входе, в,

     I2 — сила тока в цепи выхода, а,

     I1 — сила тока в цепи входа, а,

    Rн — сопротивление нагрузки, ом,

    Rвх — входное сопротивление, ом.

Коэффициент усиления триода по мощности равен отношению выходной мощности Р2 к мощности Р1 подаваемой на его вход:

Этот коэффициент можно определить произведением коэффициентов усиления по току на коэффициент усиления по напряжению:

На рис. 219 показана принципиальная схема многокаскадного усилителя низкой частоты с применением транзисторов. При вход­ном напряжении 150 мв мощность на выходе усилителя достигает 1 вт при нагрузке 5 ом. Мощность, потребляемая от источника электрической энергии, примерно 4,5 вт.

На входе усилителя применен каскад на транзисторе с зазем­ленным по низкой частоте коллектором. Выходное напряжение с этого каскада снимается с переменного сопротивления нагрузки R4, включенного в цепь эмиттера. С помощью этого сопротивления, включенного как потенциометр, осуществляется регулировка уси­ления. Сопротивление R3, включенное в цепь коллектора транзисто­ра первого каскада, обеспечивает получение необходимого напря­жения на коллекторе транзистора.

Второй каскад усилителя работает на транзисторе П202, вклю­ченном по схеме с заземленным эмиттером. Эта схема характери­зуется высоким коэффициентом усиления по напряжению. Сопротивление R8 — сопротивление нагрузки каскада.

Выходной каскад усилителя работает на транзисторе, включен­ном по схеме с заземленным эмиттером. Каскад нагружен на транс­форматор Тр, во вторичную обмотку которого подключается звуко­вая катушка громкоговорителя типа 1ГД-9 сопротивлением 5—6 ом. В усилителе использованы сопротивления МЛТ и ВС мощностью 0,25 вт, малогабаритные переменные сопротивления и малогабарит­ные конденсаторы.