Как узнать коэффициент усиления транзистора

3.3 Методика определения коэффициента усиления по току ( транзистора)

3.3.1 Подключить лабораторный макет к источнику питания и установить необходимое напряжение питания в соответствии с вариантом.

3.3.2 С помощью цифрового вольтметра определить величины падений напряжений на базовом ( ) и эмиттерном ( ) резисторах.

3.3.3 Определить коэффициент усиления по току по формулам:

, (3.1)

, (3.3)

(3.3)

4 Описание лабораторного макета

Схема лицевой панели лабораторного макета приведена на рисунке 4.1.

Лабораторный макет «Усилительный каскад с общим коллектором» выполнен в отдельном корпусе.

На лицевой панели лабораторного макета представлена схема усилительного каскада с общим коллектором с температурной стабилизацией положения рабочей точки. В качестве основного элемента схемы используется биполярный транзистор – КТ315Г (параметры транзистора приведены в приложении А).

Питание макета осуществляется от стабилизированного источника 20 В с регулировкой напряжения, встроенного в приборную панель лабораторного стола.

Рисунок 4.1 – Схема лицевой панели лабораторного макета

Четырёхпозиционные штекерные коммутаторы позволяют подключить необходимые номиналы входного С1 и выходного С2 конденсаторов и нагрузки Rн. Подключение нагрузки Rн осуществляется с помощью переключателя SA1. Для переключателя SA1 положение ВВЕРХ – выключено, ВНИЗ – включено.

Номиналы элементов схемы приведены в приложении А.

5 Программа работы

5.1 Подключить лабораторный макет к источнику напряжения 20В, встроенному в приборную панель лабораторного стола. Установить напряжение питания в соответствии с вариантом (приложение А). Измерить уровень Е_пит. цифровым вольтметром (режим работы – измерение постоянного напряжения).

5.2 Экспериментально определить коэффициент усиления по току, руководствуясь п.3.3.

5.3 Для полученного значения  рассчитать теоретически координаты рабочей точки транзистора I₀ и U₀. C помощью цифрового вольтметра экспериментально определить координаты рабочей точки. Сравнить расчетные данные с экспериментальными. Провести на выходной характеристике транзистора нагрузочные прямые постоянного и переменного тока и отметить на ней положение точки покоя.

5.4 Подключить ко входу каскада генератор гармонических колебаний (генератор сигналов низкочастотный); ко входу и выходу каскада – осциллограф. Подать с генератора на вход каскада синусоидальный сигнал амплитудой 1 В, частотой 1 кГц. Параметры входного сигнала контролировать с помощью осциллографа.

5.5 Установить штекерные коммутаторы С1 и С2 в положение 1 и подключить нагрузку R_н. (положение SA1 ‑ ВНИЗ). Изменяя частоту входного сигнала, построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику коэффициента усиления по напряжению. Определить величины коэффициента усиления по напряжению К₀, нижнюю f_Н и верхнюю f_В частоты (см. 3.3 – Построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики).

5.6 Повторить измерения нижней частоты f_н для следующих положений штекерных коммутаторов:

— С1 – положение 4; С2 ‑ положения 1, 2, 3, 4.

Построить зависимость f_Н = f(C2).

5.7 Установить частоту входного сигнала 1 кГц. Постепенно увеличивать амплитуду входного сигнала от 0 до значения, при котором выходной сигнал начнет ограничиваться. Замерить уровни ограничения выходного сигнала положительной и отрицательной полярности. Построить нагрузочную прямую переменного тока, отметить на ней уровни ограничения.

5.8 Установить штекерные коммутаторы С1 и С2 в положение 3, штекерный коммутатор Rн в положение 1. На частоте 1 кГц (область средних частот), подав на вход синусоидальное напряжение амплитудой 1 В, цифровым вольтметром зафиксировать выходное напряжение при подключенной и отключенной нагрузке (ВНИЗ – включено, ВВЕРХ ‑ выключено). По данным эксперимента оценить величину выходного сопротивления каскада:

где ‑ выходное напряжение при отключенной нагрузке;

‑выходное напряжение при подключенной нагрузке.

5.9 Повторить измерения по 5.8 оставшихся значений Rн (положения 2, 3, 4 штекерного коммутатора Rн). Сделать вывод о влиянии Rн на выходное сопротивление каскада.

5.10 Используя цифровой вольтметр измерить напряжение на левом (U1) и правом (U2) выводах резистора Rc. Вычислить значение входного сопротивления усилителя по формуле:

5.11 Подключив ко входу каскада генератор импульсных сигналов, исследовать свойства каскада при усилении прямоугольных импульсов (f = 1 кГц, tи = 100 мкс, амплитуда 1 В). Инвертирует ли каскад импульс? Во сколько раз усиливается амплитуда импульса? Оценить экспериментально время установления фронта и относительный спад вершины импульса и сравнить с расчетными величинами.

Как узнать коэффициент усиления транзистора

Страшное слово — Транзистор

Автор:
Опубликовано 13.11.2006

Семейное фото

Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.

Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только — очень маленьких.

Транзистор — это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух — поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!

Небольшая поясняющая картинка:

Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.

Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h21э. У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току — это отношение коллекторного тока к току базы:

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h21э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А,
а транзистор имеет h21э = 100.
Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал?
И каким при этом будет сопротивление R1?

Полный накал — это когда ток потребления равен номинальному.
Номинальный — 0,33 А. Таким образом, необходимый ток коллектора — 0,33 А.
Ток базы должен быть меньше коллекторного в h21э раз. То есть — в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА.
Ура, решили.

Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):

U — нам известно — это напряжение питания, 9В
I — только что нашли — 0,0033 А

Арифметика, 2 класс: R = 9/0,0033 = 2700 Ом = 2,7 кОм.

Ответ: сопротивление резистора = 2,7 кОм

Просто? Еще бы! Но — не обольщайтесь. Дальше — хуже! =)

В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.

3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.

Для каждой из схем включения транзисторов наиболее важными параметрами являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности.

Как отмечалось выше, исходное состояние транзистора определяется выбором режима его работы, который характеризуется протеканием установившихся в нем токов определенной величины и наличием напряжений как на транзисторе, так и на элементах, соединенных с ним. При подаче входного сигнала ранее имевшие место токи и напряжения в транзисторе изменяются в соответствии с изменением входного сигнала. Для исключения влияния положения рабочей точки транзистора на его коэффициенты усиления при их анализе используются не абсолютные значения токов и напряжений, а их приращения. Рассмотрим в общем виде коэффициенты усиления транзистора.

Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока на выходе к приращению тока на входе:

(5)

Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение приращения на выходе к приращению входного напряжения:

(6)

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение приращения мощности на выходе к приращению мощности на входе:

(7)

Входным сопротивлением называется отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока:

(8)

Выходным сопротивлением называется отношение приращения выходного напряжения к приращению выходного тока:

(9)

Рассмотрим эти параметры для двух схем включения транзистора. На рисунке 3.16 показано включение транзистора по схеме с О.Б. в динамическом режиме.

Рисунок 3.16 – Транзистор, включённый по схеме

с общей базой в динамическом режиме

Здесь с помощью источника E осуществляется установка рабочей точки на транзисторе, U_ист – источник усиливаемого сигнала, U_вх – входное напряжение, U_н – выходное напряжение. В этой схеме входным и выходным токами являются соответственно ток эмиттера и коллектора. Тогда, в соответствии с (5) коэффициент усиления по току в схеме с общей базой будет равен:

Исходя из принципа работы транзистора, ток коллектора заметно больше тока базы. Поэтому значения коэффициента усиления в схеме с О.Б. несколько меньше единицы и принято считать, что его значения лежат в интервале 0,9 ÷ 0,99. С целью большего удобства коэффициент усиления по току в схеме с О.Б. обозначают через α:

(10)

В соответствии с (6), определим коэффициент усиления по напряжению в схеме с О.Б.:

Здесь под R_вх,б понимается входное сопротивление транзистора между эмиттером и базой в схеме с О.Б. в динамическом режиме.

В стабилизаторах R_н составляет 10÷100 Ом.

Коэффициент усиления по мощности определяется по формуле (7):

Рассмотрим коэффициенты усиления для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером в динамическом режиме (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 – Включение транзистора по схеме

с общим эмиттером в динамическом режиме

Здесь входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера. Во входной цепи находится напряжение смещения E₁ и источник входного сигнала U_ист. Выходная цепь состоит из источника E₂ и сопротивления нагрузки R_н. Полярность подключения источников такова, чтобы под действием E₁ эмиттерный переход был под прямым напряжением, а коллекторный переход под действием E₂ находился под обратным напряжением. Как и в предыдущих случаях выполняется условие E₂>>E₁.

Коэффициент усиления по току определяем по формуле (5), учитывая, что в этой схеме входным током является ток базы, а выходным ток коллектора:

Из-за особой важности коэффициента усиления по току в схеме транзистора с О.Э. этот коэффициент принято обозначать дополнительно к общему обозначению греческой буквой β (бета).

Учитывая, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой изменяется в пределах α=0,9 – 0,99, находим, что β изменяется в пределах:

= 9÷99

Теоретически, при α → 1, что возможно при → 0, значение → ∞.

Коэффициент усиления по напряжению определяем по формуле (6):

Коэффициент усиления по мощности определим как произведение коэффициентов усиления по току и по напряжению:

Сравнивая коэффициенты усиления для двух рассмотренных схем включения транзистора, видим, что в схеме включения с общим эмиттером коэффициенты усиления на много больше коэффициентов усиления в схеме включения с общей базой. Необходимо отметить, что сомножители (дроби), стоящие в коэффициентах усиления по току и по мощности, мало отличаются по величине. Поэтому понятно, что при построении усилителей сигналов используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

3.2.6 Эквивалентная схема транзистора.

При расчёте электрических цепей, содержащих транзисторы, в место транзисторов используются их эквивалентная электрическая схема. Для каждого способа включения транзистора имеет место своя эквивалентная схема. Эквивалентные схемы отображают устройство транзистора и его электрические свойства.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включённого по схеме с общей зоной. На рисунке 3.18,а показана конструкция транзистора, которая ранее уже рассматривалась и представлена на рисунке 3.1.

Рисунок – 3.18 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с

общей базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

При изучении свойств p-n перехода и принципа действия транзистора было установлено, что каждый из p-n переходов обладает определённым омическим сопротивлением. Омическое сопротивление эмиттерного перехода обозначается через .

Как известно, одно из условий функционирования транзистора состоит в том, чтобы эмиттерный переход был под прямым напряжением. В этом случае отсутствует запирающий слой в p-n переходе, а значит сопротивление его мало. Поэтому величина мала и составляет от единиц до десяток Ом. Так же известно, что p-n переход характеризуется барьерной ёмкостью. Барьерная ёмкость эмиттерного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключается параллельно .

Сопротивление коллекторного перехода обозначаются через . Известно, что коллекторный переход находится под обратным напряжением, что создает запирающий слой, обладающий большим омическим сопротивлением. Поэтому величина коллекторного сопротивления велика и составляет сотни тысяч Ом (сотни кОм). Барьерная ёмкость коллекторного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключена параллельно . Величина барьерной ёмкости достаточно велика и составляет сотни пикофарад. Представленная на рисунок 3.18,а эквивалентная схема является пассивным четырёхполюсником и усилительными свойствами, как транзистор, обладать не может. Для того, чтобы эквивалентная схема обладала усилительными свойствами в неё вводится генератор тока (рисунок 3.18,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с общей базой, на величину тока эмиттера, что равно току коллектора:

Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером без генератора тока представлена на рисунке 3.19,а. Назначение элементов ()

Рисунок – 3.19 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей

базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

такое же, как и в схеме с общей базой. Однако, как было сказано, транзистор обладает усилительными свойствами, поэтому эквивалентная схема дополняется генератором тока (рисунок 3.19,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с О.Э., на величину тока базы, что равно коллекторному току:

Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?

Как измерить коэффициент усиления транзистора

Коэффициент hfe транзистора – это коэффициент усиления транзистора по току. Показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы. Для согласованной работы нескольких транзисторов в каскадах, их подбор часто начинают по коэффициенту усиления. Учитывая большой разброс параметров hfe, важно точно знать этот параметр у каждого транзистора.

Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?

Коэффициент hfe маломощных транзисторов измеряется очень просто, для начала необходим мультиметр с возможностью измерения hfe, переводим прибор в необходимый режим измерения.