Почему сила тока в коллекторе почти равна силе тока в эмиттере?

8 ответов на вопрос “Почему сила тока в коллекторе почти равна силе тока в эмиттере?”

  1. Ananadar Ответить

    Таково свойство транзистора в активном режиме. Из разность – ток базы, который составляет незначительную долю от тока эмиттера.
    Транзистор действительно похож на водопроводный кран: легким усилием он перекрывает/открывает (причем ПЛАВНО) значительное давление воды (или тока) . Транзистор пропускает серьезный ток между коллектором (К) и эммитером (Э) в зависимости от приложеной силы к базе (Б) . Это сила не так значительна, как на К-Э.
    Транзистор это “бутерброт” из двух материалов p и n проводимостей (позитивная и негативная) . Бывает типа p-n-p или n-p-n. Крайние слои это и естьвыводы коллектора и эммитера, в середине – база. Между К и Э нет тока, т. к. в слое принадлежащем базе нет носителей заряда. Сделаем “иньекцию” – пустим в базу небольшой ток. Носители, появившиеся в слое базы обеспечат проводимость между К и Э. И эта проводимость будет пропорциональна количеству тока в базе. Больше тока на базу подадим – ток в КЭ тоже возрастет, и т. д. влоть до короткого замыкания.. .
    Транзистор реагирует на изменения тока в базе МГНОВЕННО, т. е. у него нет “инерции”

  2. Gholbigda Ответить

    Эмиттерный повторитель – это схема с Общим Коллектором (ОК). Вроде бы название должно говорить само за себя, а вот нет. Так что, не забывайте об этом 😉
    Оглавление
    1 Схема эмиттерного повторителя
    2 Входное и выходное сопротивление
    3 Для чего нужна эта схема
    4 Расчет эмиттерного повторителя
    5 Недостатки эмиттерного повторителя
    6 Заключение

    Схема эмиттерного повторителя

    Давайте разберемся, что значит словосочетание “эмиттерный повторитель”? Если досконально разобрать эту фразу, то она означает, что на эмиттере что-то должно повторяться.
    Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:

    На первый взгляд  вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:
    1) Напряжение Uвых меньше Uвх  на каких-то 0,6-0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере)
    2)Uвых в точности  повторяет  по форме и фазе Uвх
    3) Сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) большое
    4) Сопротивление со стороны выхода (выходное сопротивление) маленькое

    Входное и выходное сопротивление

    Раз уж упомянули про входное и выходное сопротивление, то как же его рассчитать? Оказывается, сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) рассчитывается очень просто:
    Rвх = Rэ  х ?,
    где Rэ – это сопротивление резистора в цепи эмиттера
    ? – коэффициент усиления по току
    Также не стоит забывать, что когда мы цепляем нагрузку, то меняется и входное сопротивление, так как параллельно Rэ мы цепляем какое-то сопротивление, являющееся нагрузкой.
    Эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление источника сигнала в ? раз. Допустим, если у нас выходное сопротивление источника сигнала равняется 500 Ом, а  ? в схеме эмиттерного повторителя равняется 100, то на выходе эмиттерного повторителя мы уже получим источник сигнала с выходным сопротивлением в 5 Ом.
    Но опять же, раз выходной сигнал у нас стает меньше на 0,6-0,7 Вольт, получается, что он даже меньше входного!?

    Значит схема не усиливает напряжение, а даже его чуток ослабляет). Вот тебе и транзистор  – усилитель сигналов)) Но-но! Рано огорчаться. Так как входное сопротивление такой схемы большое, значит, мы можем нагрузить на вход эмиттерного повторителя какой-либо сигнал, не боясь, что он просядет, а на выход мы можем подключить низкоомную нагрузку. В этом и заключается вся прелесть 😉
    Так, а теперь давайте представим, что было бы, если бы мы напрямую, без эмиттерного повторителя, подали сигнал в низкоомную нагрузку с генератора сигнала с высоким выходным сопротивлением? Да сигнал у нас просел бы в несколько раз! Чтобы это понять, читаем статью про входное и выходное сопротивление.

    Для чего нужна эта схема

    Значит, эмиттерный повторитель в электронике выполняет роль миротворца между источником сигнала с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Еще более простыми словами: эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление источника сигнала. В этом и заключается его роль в электронике 😉
    Также запомните простое правило: эмиттерный повторитель дает усиление по току, а не по напряжению.  А так как повышается сила тока, следовательно, и мощность, отдаваемая в нагрузку, тоже будет больше, так как  P=IU , где  P  – это  мощность, I – сила  тока, U – напряжение.

    Расчет эмиттерного повторителя

    Наше техническое задание звучит так:
    Ра  НННННннванвыавпНннаНаНННГггываYfit YFutYfsdfYYYYyhfsdfYf Рассчитать схему эмиттерного повторителя для звукового сигнала. +Uпит=12 Вольт.

    1) Так как звук у нас представляет колебание как в одну, так и в другую сторону, следовательно, наш сигнал должен колебаться как в положительную, так и в отрицательную сторону. Поэтому, чтобы сигнал имел как можно больший размах, мы должны сделать так, чтобы он находился в середине активного режима. Так как мы сигнал будем снимать с эмиттера, следовательно,  в статическом режиме (то есть когда НЕ подаем сигнал на вход нашего эмиттерного повторителя) у нас напряжение на эмиттере должно быть равно половине напряжения питания. Или буквами:
    Uэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт
    2) Чтобы зря не рассеивать на транзисторе тепло,  оптимальный ток покоя берут в 1 мА. Это значит, что по цепи +12В—–> коллектор——-> эмиттер—–>Rэ —–>земля  должен течь ток с силой в 1 мА. Здесь мы не учитываем крохотный ток базы. Как этого добиться? Вспоминаем закон Ома для участка цепи и высчитываем номинал резистора:
    Iэ=Uэ / Rэ
    Rэ=Uэ / Iэ
    Rэ=6 В/0,001 А=6 000 Ом = 6 КилоОм.
    Берем ближайший из ряда на 6,2 КилоОма
    3) Какая же сила тока должна течь через базу-эмиттер, чтобы обеспечить ток покоя в 1 мА?  Так как в нашем примере ток эмиттера Iэ почти равен току коллектора Iк  (если, конечно, не учитывать крохотный базовый ток) то вспоминаем формулу зависимости тока базы от тока коллектора:

    Я взял транзистор КТ817Б,  замерял его  коэффициент усиления по току , то есть ?,  и падение напряжения на переходе база-эмиттер с помощью транзистор-тестера:

    Итого, ? (hFE на транзистор-тестере) равно около 300, падение напряжения 0,55 Вольт.
    Следовательно, Iб = Iк / ? = 1/300 = 3,3 мкА
    4)Высчитываем ток делителя напряжения, который образуют два резистора: Rб и Rэ.  Его берут в основном в 10 раз больше, чем ток базы:
    Iдел  = 10 х Iб  = 10 х 3,3 = 33 мкА.
    5)Считаем напряжение на базе. Оно равняется:
    Uб = Uэ + Uбэ  = 6 + 0,55 = 6,55 Вольт.
    6)Теперь для простоты расчета чертим небольшую схемку:

    Из закона Ома получаем следующие расчеты:
    Rбэ = 6,55  В / 33 мкА = 200 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 200 КилоОм.
    Так как сумма падений напряжений на резисторах равняется Uпит, следовательно, на Rб  будет напряжение 12-6,55 = 5,45 Вольта.
    Rб  = 5,45 В / 33 мкА = 165 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 150 КилоОм.
    7)Конденсаторы в схеме нам служат для того, чтобы убрать постоянную составляющую, то есть постоянный ток, который присутствует на базе и эмиттере. Нам ведь нужен только переменный сигнал без примеси постоянного тока, так ведь? Для выбора конденсаторов правило простое: постоянная времени RС-цепи должна быть больше периода передаваемого сигнала самой низкой частоты примерно в 100 раз.
    Не будем сейчас говорить от дифференциальных и интегральных цепях (блин, голова заболела от одного их упоминания ), а просто разберемся, как высчитывается постоянная времени RC- цепи. Назовем ее t . Вычисляется она по формуле:
    t=Rвх х C1
    Входное сопротивление эмиттерного повторителя высчитывается по формуле:
    Rвх = Rэ х ? = 6000 х 300 = 1,8 МегаОм.
    Для звукового сигнала самая низкая частота – это 20 Герц (предел слуха человека средних лет), находим период и значение конденсатора:
    T=1/f
    Rвх х C1=100 х 1/f
    Rвх х С1 = 100 х 0,05
    1,8 х 106  х С1 = 5
    С1= 5 / 1,8 х 106  = 2,7 мкФ. То есть берем конденсатор от 2,7 мкФ. Думаю, 10 мкФ будет самое оно.
    С2  – это вход какого-либо следующего каскада, следовательно, он рассчитывается аналогично. В нашем примере возьмем его на 100 мкФ, так как чем низкоомнее нагрузка, тем большая емкость должна быть на выходе каскада.
    Следовательно, вся наша схема будет с такими параметрами:

    Собираем схему в реале и проверяем в деле:

    Итак, входной сигнал у нас будет красным цветом, выходной – желтым. Подаем сигнал с генератора частоты  амплитудой в 0,5 Вольт. Не цепляем пока никакую нагрузку и смотрим, что у нас получилось:

    Как вы видите, у нас получилось два абсолютно одинаковых сигнала, которые даже по фазе повторяют друг друга.  Короче говоря, что на входе, то и на выходе.
    Но фишка немного в другом. Давайте я сейчас нагружу входной сигнал резистором в 500 Ом. Область, выделенную штрихпунктирной линией мы пока что НЕ рассматриваем.

    Какое напряжение Uвх у нас сразу станет? Все зависит от выходного сопротивление генератора. Так как я подаю сигнал через делитель напряжения, сделанный на потенциометре, следовательно, у меня красный сигнал очень сильно просядет, что мы и видим на осциллограмме ниже. На желтый пока что не обращайте внимание.

    Но что будет, если я нагружу этот сигнал  тем же самым резистором в 500 Ом через эмиттерный повторитель? Ставим резистор на выход эмиттерного повторителя:

    Смотрим осциллограмму:

    Входной сигнал даже не просел, даже тогда, когда мы его нагрузили через эмиттерный повторитель ;-).
    А где же та самая обещанная просадка напряжения  в 0,6-0,7 Вольт? Если бы мы подавали сигнал сразу на базу, без делителя напряжения на резисторах Rб и Rбэ , то мы увидели бы просадку.

    Недостатки эмиттерного повторителя

    Есть, конечно, большой минус эмиттерного повторителя. Заключается он в том, что сигнал на выходе тупо срезается при отрицательной полуволне при сильной низкоомной нагрузке. Поставив резистор в 100 Ом, у нас получается вот такой ералаш:

    Но почему так произошло?
    Не хочу приводить дотошные формулы и выводить их, просто скажу, что из-за слишком низкоомной нагрузки, у нас получается так, что на эмиттере напряжение стает больше, чем на базе, а следовательно, транзистор тупо “затыкается”, так как в этом случае PN-переход оказывается включен в обратном направлении.

    Как же с этим бороться?
    Можно уменьшить Rэ , но тогда и ток покоя будет больше, что приведет опять же к расточительству электроэнергии и нагреву транзистора.
    Другой вариант, взять так называемый транзистор Дарлингтона, который имеет очень большое входное сопротивление порядка 10 Мегаом и обладает большим коэффициентом усиления ? . Все дело в том, что такой транзистор состоит из двух транзисторов, коэффициент усиления которого будет равен:
    ?общее = ?1  х ?2
    где
    ?1  – коэффициент усиления первого транзистора
    ?2 – коэффициент усиления второго транзистора
    Вот так выглядит транзистор Дарлингтона:

    Заключение

    Также в ретроусилителях мощности уже не парятся и используют эмиттерные повторители в так называемом режиме работы класса B, где усиливается по току только одна полуволна сигнала каждым транзистором. А если честно, лучше вообще забить на этот эмиттерный повторитель, так как есть радиоэлементы, которые не надо рассчитывать и которые выдают усиление во много раз превосходящее, чем у эмиттерного повторителя и без всяких заморочек.

  3. Thorgalis Ответить

    Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер (Uб-э) , существенно влияет на токи эмиттера и коллектора. Чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение Uб-э, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.
    Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения Uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Т. к. коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.
    Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. В установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:
    Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. , а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать . Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.
    Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

  4. Whitebrew Ответить


    На этом уроке мы продолжим изучать биполярный транзистор. Познакомимся с некоторыми дополнительными параметрами.
    Рассчитать каскад с общим эмиттером в ключевом режиме для PIC я предлагаю Вам самостоятельно. Ну а тем, у кого в процессе решения задачи появятся вопросы, кто не справится или просто не захочет заморачиваться найдут решение в видео-приложении к уроку.
    Итак, биполярный транзистор в ключевом режиме может находиться в двух противоположных состояниях:
    Режим отсечки
    Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V – 0.7V, PN-переход база-эмиттер закрыт. Отсутствует ток базы и ток коллектора. Получается, что транзистор как бы закрыт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.
    Режим насыщения
    Когда ток базы достаточно велик, мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора.
    В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания. Сопротивление перехода коллектор-эмиттер минимально.
    С параметрами Iк, Uкэ, h21э мы познакомились на предыдущем уроке. Какие же еще параметры влияют на работу каскада в ключевом режиме??
    Входное сопротивление
    Входным сопротивлением называется сопротивление транзистора со стороны базы. Обозначается Rвх. Входное сопротивление выбирается в несколько раз больше (5 – 10 раз) чем сопротивление источника сигнала. Т.к. обычно на вход транзистора подают источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока.
    Частотная характеристика
    Зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.
    На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.
    Максимальная мощность рассеивания
    Через коллектор транзистора в процессе работы протекает ток, а на переходе эмиттер-коллектор падает напряжение. Произведение тока Iк  на напряжение Uкэ можно считать мощностью, рассеиваемой на транзисторе.
    Напряжение насыщения коллектор-эмиттер
    Это напряжение между выво­дами коллектора и эмиттера в режиме полного открытия транзистора – насыщения.
    К примеру напряжение насыщения коллектор-эмиттер равно: Uкэ.нас. = 1.2В. Через коллектор транзистора протекает ток, скажем 1,5А. Значит, мощность на транзисторе составит 1,2В * 1,5А = 1,8Вт. По даташиту рассеиваемая транзистором мощность 2Вт – значит, такой транзистор не сможет работать без радиатора. А наилучшим выходом будет выбор более мощного транзистора. Работа на пределе снижает отказоустойчивость!
    САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
    (методическое пособие)
    ЗАДАНИЕ: Определить требуемый ток линии порта для включения нагрузки. Определить, не превышает ли требуемый ток максимального тока линии порта!? Рассчитать Rб каскада на биполярном транзисторе, работающим в ключевом режиме. Определить падение напряжения на нагрузке (двигателе). Рассчитать рассеиваемую мощность транзистора в режиме насыщения.

    Заглянем в даташит транзистора SS8050 и определим исходные данные для расчёта: h21э (выбираем минимальное значение) и Uкэ.нас.
    Из даташита МК, РАЗДЕЛ 15.0, Электрические характеристики определим максимальную нагрузку линии порта по току.
    Зададимся значением тока нагрузки в коллекторе Iк = 500мА и падением на переходе база-эмиттер Uбэ = 0,7В.
    Зная ток нагрузки, он же ток коллектора, вычислим ток базы. Для этого разделим максимально возможный ток нагрузки на коэффициент усиления по току: Iб = Iк/h21э. Ток базы равен току линии порта. Сравниваем с максимальным током линии порта! Делаем вывод о пригодности каскада управления двигателем;
    Определим падение напряжения на базовом резисторе. Для этого вычтем из входного напряжения (входное напряжение – напряжение которое поступает с вывода линии порта МК и равно +5В) падение напряжения на переходе база-эмиттер: URб = Uвх – Uбэ;
    Вычислим сопротивление базового резистора по закону Ома. Для этого разделим напряжение падения на базовом резисторе на ток базы: Rб = UR1/Iб.
    Вычислим падение напряжения на нагрузке. Поскольку в режиме насыщения напряжение между выво­дами коллектора и эмиттера не равно нулю, напряжение нагрузки будет равно разнице между напряжением питания и напряжением насыщения коллектор эмиттер:
    н = Vcc – Uкэ.нас;
    Вычислим рассеиваемую мощность транзистора в режиме насыщения. Для этого необходимо умножить ток нагрузки на напряжение насыщения коллектор эмиттер: Pнас. = Iк*Uкэ.нас.
    Ответы к самостоятельной работе Вы сможете найти в видео-приложении к данному уроку
    Тема поддержки на форуме

  5. Monara Ответить

    Вот эти две фразы подряд – “изображенеи не смог загрузить но думаю не такая уж сложная цепь” и “Пожалуйста посмотрите на кртинку” – сразу вгоняют в ступор. Но это ещё фигня.. . Странное на самом деле в другом. Во-первых, почему напряжение эмиттер-коллектор считается постоянным? Мне как-то не приходит не ум НИ ОДНА схема включения транзистора, а воторой это напряжение было бы постоянным. Если там какое напряжение и постоянно – так это напряжение эметтер-база, а не эмиттер-коллектор. Штука в том, что эмиттерный переход при нормальном (активном) режиме работы транзистора смещён в прямом направлении, когда ток через переход экспоненциально зависит от напряжения на нём. Или, иными словами, напряжение на переходе пропорционально логарифму напряжения на нём. Это означает, что при изменении тока эмиттера в весьма широких пределах напряжение на эмиттерном переходе меняется весьма незначительно – десяток-другой милливольт при величине самого напряжения примерно 0,55-0,65 В (т. е. относительное изменени порядка 2-4%).Разомкнутая база – это ещё одна странность. Биполярный транзистор чисто по принципу работы – прибор, управляемый ТОКОМ, а не напряжением (кк полевой транзистор) . Обрыв в цепи базы автоматом означает нулевой ток базы. Ноль, на что его ни умножай, нулём и останется, так что при разомкнутой базе биполярный транзистор просто не будет работать. Ну и третий момент. “Сопротивление” эмитте-коллектор есть фиктивная величина, не имеющая никакого смысла. Из того, что некоторое напряжение можно разделить на некоторый ток, вовсе не следует, что при этом получится некоторое сопротивление. Закон Ома для напряжения коллектор-эмиттер не выполняется.

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *