Контрольная работа: Положительная и отрицательная обратные связи в работе биполярного транзистора

Принцип ООС для биполярного транзистора: без тока База-Эмиттер нет тока База-Коллектор.

Принцип ПОС для биполярного транзистора: Источник тепла База-Коллектор больше чем источник тепла База-Эмиттер.

В работе транзистора присутствуют обе обратные связи (и ООС и ПОС), что проявляется в существовании коэффициента усиления тока β, а также в существовании зон самовозбуждения на вольт-амперных характеристиках транзистора.

Не нужны такие фикции как "дырка" и "дырочная проводимость", когда явление электронного управления можно объяснить с помощью явления теплопередачи, посредством эстафетных и инжекционных токов, с позиций термоэлектроники.

. Принцип работы транзистора. Схема с общим эмиттером

Так, как тепловой ток (ему соответствует параметр - мощность, или по другому - входной энергетический сигнал) управляет закрытым переходом, то в схеме с общим эмиттером между переходами возникает многократное отражение этого сигнала. Оба перехода играют роль зеркал, а кратность отражения соответствует коэффициенту β. Как известно, β изменяется в зависимости от протекающего тока (эффект Кирка).

Рассмотрим работу схемы с общим эмиттером, применяя метод остановки времени - с помощью временных моментов.

Рис. 5. Момент времени 1.

Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке 5., транзистор показан в виде 3-х областей NPN, Rвх - входное сопротивление, принадлежащее цепи входного сигнала, Rн - сопротивление нагрузки (или сопротивление для измерения токов коллектора ), Eб - источник напряжения, представляющий из себя входной сигнал. Eк - батарея цепи коллектора. Полярности включения Eб и Eк отмечены знаками "+" и "-".

Рис. 6. Момент времени 2.

Момент 2. Через переход протекает ток входного сигнала. Возникает выход из перехода База-Эмиттер тепловой энергии. Возникает явление теплопередачи посредством эстафетного тока электронов. На рисунке 6. эстафетный ток обозначен двунаправленными стрелками. В переходе База-Эмиттер возникает ЭДС, согласно вольт-амперной характеристики. Стрелками в переходе База-Эмиттер обозначен прямой ток.

Здесь следует сказать о величине тока базы Ib и процессе многократных отражений: первоначально величина Ib имеет максимальную величину, но с каждым последующим отражением величина этого тока будет уменьшаться… Если на вход входной сигнал подаётся через стабилизатор тока, то с каждым последующим процессом отражения возникает явление смещения входной характеристики в сторону более больших напряжений, что как раз и вызывает уменьшение величины Ib.

Рис. 7. Момент времени 3.

Момент 3. Эстафетный ток достиг потенциальной ямы PN-перехода База-Коллектор. Электрон эстафетного тока, достигший перехода База-Коллектор, отрывается электрическим барьером этого перехода и идёт на создание ЭДС этого перехода.

Эстафетный ток, у которого отрывают каждый приходящий к переходу База-Коллектор электрон, преобразуется в обычный однонаправленный электрический ток. Таким образом, эстафетный ток преобразуется в инжекционный. Но природа этого тока осталась прежней - это явление теплопередачи. Запертый переход База-Коллектор является холодным (холодильный эффект Пельтье ), а переход База-Эмиттер является горячим (тепловой эффект Пельтье).

Скрытый электрический барьер перехода База-Коллектор начинает заряжаться. Возникает ЭДС. Соответственно этой ЭДС, согласно вольт-амперной характеристике перехода База-Коллектор, через переход База-Коллектор протекает прямой ток - обозначен стрелками.

Рис. 8. Момент времени 4.

Момент 4. Первое зеркальное отражение. Закрытый переход База-Эмиттер получает энергию от перехода База-Эмиттер посредством инжекционного тока. Холодильный эффект Пельтье срабатывает и начинает течь ток коллектора Ik. Его можно назвать 1-м зеркальным отражением, потому что, ему предстоит пересечь переход База-Эмиттер в прямом направлении, что вызовет увеличение инжекционного тока - на рисунке 8. это показано как сумма инжекционных токов E1+E2. Следующим шагом будет прибавление к току коллектора ещё одной его порции - второе зеркальное отражение.

Итак, коллекторный ток становиться источником выброса добавочной энергии, выражающейся в инжекционном токе E2. Этот выброс должен далее создать второе зеркальное отражение, то есть прибавку (удвоение) тока коллектора. После будет утроение коллекторного тока, после ток возрастёт в 4 раза…

Такой процесс отражений происходит β раз. Казалось бы умножению не будет конца, но существует процесс, ограничивающий β. Это как раз процесс выделения тепла в переходе База-Эмиттер. Процесс выделения тепла определяется резистором R_D, который вносит отрицательную обратную связь для тока База-Эмиттер. Этот процесс сопровождается смещением входной характеристики, и тем самым уменьшением порции входного тока Ib.

Следует учесть, что эмиттерный переход и коллекторный переход - это два излучателя тепловой энергии. Эмиттерный переход является управляющим. Без его излучения тепловой энергии никогда не потечёт ток в коллекторном переходе и он не станет излучать.

Поток тепловой энергии от эмиттерного перехода коллекторному создаёт отрицательную обратную связь.

Ответный поток тепловой энергии от коллекторного перехода к эмиттерному создаёт положительную обратную связь.

Процессы положительной обратной связи (ПОС) и отрицательной обратной связи (ООС) уравновешиваются при β равном 100 - 300 раз.

Кольцо ООС ограничивает количество отражений до β раз.

Если процесс многократных отражений превысит процесс ограничения, то на выходной вольт-амперной характеристики транзистора образуется S-образный участок, что соответствует существованию ПОС. Такой режим возникает у германиевых транзисторов при малых токах базы (1- 10 мкА), при больших (порядка 10 Вольт) коллекторных напряжениях. Такие же процессы, приводящие к образованию S-образной характеристики, происходят при работе динисторов и тиристоров.

. Исследование биполярного транзистора. Способ исследования потока тепла

Определение: Если в схеме с ОБ измерять напряжение на входе и ток на выходе, то такую схему будем называть схемой с ОБ для исследования потока тепла: схема с ОБ для ИПТ. Для исследования потока тепла характерны характеристики, которые связывают входное напряжение и ток выхода. Графики и характеристики такой схемы также будем называть вольт-амперными характеристиками схемы с ОБ для ИПТ.

Рис. 9. Схема с ОБ для ИПТ.

На рис. 9. показана схема с ОБ для ИПТ, где отмечены входная и выходная цепи схемы.

Рассмотрим модификации схем для ИПТ.

Рис. 10. Инверсная схема с ОБ для ИПТ.

На рис. 10. показана инверсная схема с ОБ для ИПТ.

Если в схеме измеряется ток входа и ток выхода, то такая схема дополнительно будет называться схемой регистрации усиления. Это необходимо для того, чтобы отметить, что в измерительной схеме исследуется процесс усиления сигнала.

Рис. 11. Схема РУ с ОБ для ИПТ.

На рис. 11. показана схема регистрации усиления с общей базой для исследования потока тепла: схема РУ с ОБ для ИПТ.

Кроме схем с общей базой (ОБ), возможно построить схемы для ИПТ на основе схем с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 12. Схема с ОЭ для ИПТ.

На рисунке 12 показана схема с ОЭ для ИПТ.

Рис. 13. Схема РУ с ОЭ для ИПТ.

На рисунке 13 показана схема с РУ с ОЭ для ИПТ.

. Опыт с биполярным транзистором, показывающий положительную обратную связь

Для исследования биполярного транзистора мы применили схему с РУ с ОЭ для ИПТ.

На рисунке 14. приведена такая схема и отмечены все измеряемые параметры. Резисторы R1 и R2 - защищают транзистор от пробоя и равны порядка 100 Ом.

На рисунке 14 обозначены:

Ube - напряжение на переходе База-Эмиттер;

Ubk - напряжение на переходе База-Коллектор;

Ib - ток в цепи базы;

Ik - ток в цепи коллектора.

Исследование следует проводить при Ubk = const.

Для этого мы используем дополнительный вольтметр, который подключим к переходу База-Коллектор.

Следует выбирать очень высокоомный вольтметр, так как, сопротивление между Базой и Коллектором может сильно повлиять на схему с общим эмиттером и создать дополнительную отрицательную обратную связь.

Транзистор помещают в резиновую изоляцию, затем помещают в воду. Для этой цели можно использовать двухлитровый стеклянный вакуумный термос с водой. Температура воды поддерживается 20 градусов по Цельсию.

Для исследования ПОС проведём измерения для схемы на рис. 14. при Ubk = const. Для исследования возьмём транзистор КТ312В.

Проведём исследование при Ubk = 15 Вольт.

Порядок проведения измерений.

Первоначально источником тока (стабилизатором тока) выставляем ток базы Ib.

Затем, плавно изменяя напряжение источника напряжения ИН, добиваемся, чтобы Ubk было равно 15 Вольт.

После этого измеряем все параметры схемы: Ube, Ik, Ib.

Когда первое измерение проведено, изменяем Ib, и проводим второе измерение. Таким образом будем проводить измерения, пока не получим графики Ik и Ib в зависимости от Ube, при Ubk = 15 Вольт.

Значения токов, логарифмируются и строятся графики в полулогарифмическом масштабе.

Рис. 15. Графики экспериментальных данных входного и выходного тока для транзистора КТ312В, построенные в полулогарифмическом масштабе.

На рисунке 15 построены графики экспериментальных данных для транзистора КТ312В. Они имеют вид прямых линий, переходящих в дугу, которая отклоняется влево. На рисунке 15 показано два графика - для тока коллектора (Ik) и тока базы (Ib).

При исследовании графиков, выяснилось, что графики представляют собой ПОС.

Эмиссионное уравнение остаётся прежним, но коэффициент R_D меняет свой знак. График для ПОС как и для ООС имеет вид логарифмического уравнения.

Для того чтобы получить решение логарифмического уравнения с ООС, при реализации подпрограммы использовалась обратная функция. При решении не возникало проблем, так, как обратная функция была монотонной.

При ПОС, обратная функция логарифмического уравнения имеет максимум. Потому, программно можно реализовать решение уравнения, разбивая решение на две части: до максимума и после максимума.

Для решения этой задачи необходимо знать точку максимума. Найдём точку максимума. Покажем решение этой задачи.

. Эмиссионное уравнение имеет вид:

 (19.33)

Где U_A и T_C - переменные аргументов,

I_A - переменная функции.

K_T, U_D, T_F, R_D, U_V - коэффициенты.

. Найдём обратную функцию для эмиссионного уравнения:

 (01)

Далее

 (02)

Далее

 (03)

. Обозначим как Ln(I_A) = x; U_A = y.

 (04)

4. Найдём производную:

 (05)

. Найдём максимум:

 (06)

Следует:

 (07)

x - это ток (для координаты максимума) в полулогарифмическом масштабе.

. Отсюда формула для U_МАКС:

 (08)

Затем, было получено две подпрограммы поиска решения логарифмического уравнения при условии ПОС.

Две подпрограммы на языке Паскаль, приведены ниже.

MidI_x01_01(x,z,Tf,Ud,Kt,Uv,Rd:real;var y:real;var c0:integer);, Ymin, X0, E, Xmax_ex, Ymax_ex: real;,Uf:real;,B,C,D:real;:=0;:=0.000001;_ex:= 1/(Rd*Kt*(z-Tf));_ex:= (Ln(1/(Rd*Kt*(z-Tf)))/Kt - z*Ud)/(Tf-z) + Uv + 1/(Kt*(z-Tf));:= Ymax_ex;:=0;x = Xmax_ex then y:= Ymax_ex;x >= Xmax_ex then c0:=6;:=(Ymax+Ymin)/2;

Tf:= Tf;// обратная функция для z:= Uv+ y*Rd; // обратная функция для x

if x >= Xmax_ex then:=5;;;y >= Ymax_ex then:=3;;;y <= 0 then:=1;;;:=Ln(y);:=A/(-Kt);:=B+z*Ud;:=z-Tf;D=0 then:=2;;;:=(C/D)+Ub;X0 >= Xmax_ex then:=4;;;X0 > x then Ymax:=y else Ymin:=y;until (X0+E > x) and (X0-E < x);;MidI_x02_01(x,z,Tf,Ud,Kt,Uv,Rd:real;var y:real;var c0:integer);, Ymin, X0, E, Xmax_ex, Ymax_ex: real;,Uf:real;,B,C,D:real;:=0;:=0.000001;_ex:= 1/(Rd*Kt*(z-Tf));_ex:= (Ln(1/(Rd*Kt*(z-Tf)))/Kt - z*Ud)/(Tf-z) + Uv + 1/(Kt*(z-Tf));:=exp(((Tf-z)*x + z*Ud)*Kt);:= Ymax_ex;x = Xmax_ex then y:= Ymax_ex;x >= Xmax_ex then c0:=6;:=(Ymax+Ymin)/2;

Tf:= Tf;// обратная функция для z:= Uv+ y*Rd; // обратная функция для x

if x >= Xmax_ex then:=5;;

end;y <= Ymax_ex then:=3;;;y <= 0 then:=1;;;:=Ln(y);:=A/(-Kt);:=B+z*Ud;:=z-Tf;D=0 then:=2;;;:=(C/D)+Ub;X0 >= Xmax_ex then:=4;;;X0 > x then Ymin:=y else Ymax:=y;until (X0+E > x) and (X0-E < x);

end;

В процессе исследования экспериментальных данных для выходного тока (Ik) были получены следующие коэффициенты эмиссионного уравнения:

K_T = 0,112781 Вольт^-1 ∙ Кельвин^-1;

T_F =631,905 Kельвин;

U_D = 0,238687Вольт;

Uv = 1,045712 Вольт;

R_D = -1,1 Ом.

Для входного тока (Ib) кэффициенты эмиссионного уравнения были следующие:

K_T = 0,048085 Вольт^-1 ∙ Кельвин^-1;

T_F =885,8322 Kельвин;

U_D = 0,416718Вольт;

Uv = 1,25799 Вольт;

R_D = -190 Ом.

На рисунке 16. были построены графики математической модели для входного и выходного тока.

Рис. 16. Графики математической модели входного и выходного тока для транзистора КТ312В, построенные в полулогарифмическом масштабе.

Для схем исследования потока тепла (ИПТ) эмиссионное уравнение может быть применимо к биполярным транзисторам, что мы и показали своим опытом.

Исключение составляет область малых токов базы: там где ток может поменять своё направление и стать отрицательным. Также представляет трудность применять эмиссионное уравнение для низкоомных PN-переходов. К ним могут быть отнесены некоторые диоды Шоттки, германиевые диоды. Характеристики таких диодов недостаточно линейны из-за их терморезистивных свойств. Обычно невозможно исследовать и мощные транзисторы из-за их сложных конструктивных решений: когда мощный транзистор состоит из нескольких параллельно соединённых маломощных транзисторов. Наиболее подходящими для исследования являются маломощные кремниевые транзисторы.

Рис. 17. Совпадение графиков экспериментальных данных и математической модели входного и выходного тока для транзистора КТ312В, построенные в полулогарифмическом масштабе.

Выводы

1. Явление положительной обратной связи в вольт-амперных характеристиках транзистора позволяет объяснить эффект Кирка и эффект Эрли.

. Явление положительной обратной связи в вольт-амперных характеристиках транзистора доказывает несостоятельность теории электронно-дырочной проводимости, которая не может объяснить явления, происходящие в биполярном транзисторе.