Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы

Как же уследить за всеми этими перепутанными событиями, как определить истинный коллекторный ток и с учетом меняющегося U эб , и с учетом меняющегося U бк ? Это помогает сделать нагрузочная прямая, или, как ее еще называют, линия нагрузки (рис. 61).

Рис. 61. Нагрузочная прямая показывает, как меняется коллекторный ток под действием входного сигнала и с учетом того, что напряжение на нагрузке (а значив и на коллекторе) тоже меняется при изменении тока.

Давайте посмотрим, как строится такая линия в следующем конкретном случае: R н = 1 ком и E к = 12 в. Чтобы построить линию нагрузки, введем в наш сценарий две фантастические ситуации: рассмотрим, что происходит в коллекторной цепи, когда коллекторный ток равен нулю (первая фантастическая ситуация) и когда коллекторный ток настолько велик, что все напряжение батареи теряется на нагрузке и на самом коллекторе вообще нет никакого напряжения (вторая фантастическая ситуация). Подобных ситуаций в реальном случае не бывает, и поэтому мы будем о них говорить, применяя так называемую сослагательную форму «если бы да кабы».

Если бы коллекторный ток был равен нулю, то на нагрузке вообще не было бы никакого напряжения ( U н = 0) и все напряжение источника E к было бы приложено к коллектору. На основании этого первого «если бы» поставим на нашей характеристике точку А ; она как раз соответствует U бк = E к , так как напряжение батареи E к мы приняли равным 12 в.

Если бы напряжение U бк было равно нулю (это возможно, если довести сопротивление коллекторного перехода до нуля), то все напряжение Е к было бы приложено к сопротивлению нагрузки и ток через нагрузку (коллекторный ток I к ) был бы по закону Ома равен I к= Е к· R н. На основании этого второго «если бы» сделаем еще одну отметку на нашей характеристике — поставим на ней точку Б . Она как раз и соответствует напряжению U бк = 0 и току I к = 12 ма, который под действием напряжения Е к = 12 в пойдет по выбранному нами сопротивлению нагрузки R н = 1 ком.

Теперь нетрудно провести и линию нагрузки. Она пройдет от точки максимального коллекторного тока и нулевого напряжения на коллекторе (точка Б ) до точки нулевого коллекторного тока и максимального напряжения на коллекторе (точка А ). И хотя обе эти крайние точки мы не без оснований назвали фантастическими (ни I к , ни U бк практически никогда не равны нулю), сама линия АБ абсолютно реальна. Она как раз и рассказывает сразу о всех запутанных событиях, происходящих в работающем транзисторе: об изменении его токов и напряжений в живом, рабочем, динамическом режиме.

Каждая точка на линии АБ говорит о том, как при выбранной нагрузке R н и выбранном напряжении питания Е к связаны между собой входное напряжение U эб , напряжение на коллекторе U бк и коллекторный ток I к . Так, например, точка М говорит о том, что при U эб = 250 мв режим коллекторной цепи будет U бк = 2 в и I к = 10 ма; при U эб = 150 мв режим уже совсем иной: U бк = 10 в, I к = 2 ма (точка N ). Разумеется, эти данные относятся лишь к R н = 1 ком и Е к = 12 в. Если увеличить сопротивление нагрузки R н , то нагрузочная линия пойдет более полого ( АВ ), а если уменьшить R н — более круто ( АГ ). Это происходит потому, что с увеличением сопротивления нагрузки на нем теряется все большая часть питающего напряжения Е к и уменьшается напряжение на коллекторе U бк . Так при одном и том же входном напряжении U эб = 150 мв получаем U бк = 10 в при R н = 1 ком (точка N ); и U бк = 8 в при R н = 2 ком (точка А' ).

Уменьшение питающего напряжения Е к одновременно уменьшает и ток I к , и напряжение U бк и таким образом смещает всю линию нагрузки в сторону нуля (линия А'В при Е к = 6 в).

Задавшись пределами изменения входного сигнала, можно найти пределы изменения коллекторного тока и напряжения на коллекторе. Так, если входное напряжение меняется от 150 мв до 250 мв (наша входная характеристика говорит о том, что такие пределы изменений вполне допустимы), то все события в транзисторе будут происходить в пределах участка MN нагрузочной прямой. При этом коллекторный ток будет меняться от 2 ма до 10 ма, а напряжение на коллекторе — от 2 в до 10 в. Отсюда легко найти и амплитудные значения напряжения и тока выходного (усиленного) сигнала I ампл = I к(MN) :2 = 8 ма: 2 = 4 ма. Мы делим I к(MN) на два потому, что в этом интервале должны «поместиться» две амплитуды («положительная» и «отрицательная»), а значит, на каждую из них придется только половина I к(MN) . Аналогично находим и амплитуду переменного напряжения: U ампл = U бк(MN) :2 = 8 в:2 = 4 в.

Прежде чем двигаться дальше, нам нужно покаяться в грехах, рассказать о некоторых неточностях, которые мы допустили, пытаясь отделить суть дела от второстепенных подробностей, и, по возможности, избежать лишних названий, терминов и объяснений.

Так, например, мы назвали входными характеристиками все графики, приведенные на рис. 54, в то время как входной характеристикой официально называется лишь зависимость I э от U эб . Более того, зависимость напряжения на нагрузке U н от напряжения U эб на входе транзистора попала в число входных характеристик совсем уже незаконно: все эти характеристики снимаются без нагрузки, при постоянном напряжении на коллекторе и поэтому называются статическими. Статическими, кстати, называются и все наши выходные характеристики. Они тоже снимаются без нагрузки, а влияние R н учитывается путем несложных вычислений и построений.

Мы не отметили на входной характеристике очень небольшой эмиттерный ток, возникающий при отсутствии входного напряжения, то есть при U эб = 0, если при этом есть хотя бы небольшое напряжение на коллекторе. Этот начальный ток появляется благодаря тому, что коллекторный ток создает в самой базовой области на ее собственном, внутреннем сопротивлении некоторое внутреннее напряжение, отпирающее эмиттерный переход даже тогда, когда нет внешнего отпирающего напряжения.

Другой «странный ток» — довольно большой коллекторный ток I к , который существует даже при отсутствии коллекторного напряжения, то есть при U бк = 0. Он появляется из-за диффузии через базу зарядов, впрыснутых в нее из эмиттера.

Мы не будем продолжать перечисление подобных второстепенных, но несомненно интересных подробностей. Во-первых, с некоторыми из них нам еще предстоит встретиться. Во-вторых, уже пора сделать какие-нибудь полезные выводы из долгого и трудного разбора входных и выходных характеристик транзистора.