Биполярные транзисторы являются одними из базовых элементов в электронике и находят широкое применение в усилительных, ключевых и генераторных схемах. Правильное понимание их работы и способов включения в электрические цепи играет ключевую роль при проектировании радиоэлектронных устройств. В этой статье мы рассмотрим основные типы схем на биполярных транзисторах, их особенности и практическое применение.
Стабилизатор напряжения с биполярным транзистором
Одной из известных и широко используемых схем преобразования напряжения является схема с применением стабилитрона (см. Рисунок 1). Однако, несмотря на свою простоту, данная схема имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают её эффективность в современных устройствах. К основным минусам можно отнести:
- Низкое КПД
- Постоянный входной ток, вне зависимости от нагрузки.
Из-за постоянной нагрузки, максимальный ток схемы постоянно протекает через резистор R2. Соответственно, если необходимо получить относительно высокий ток, то тепловыделение этого резистора может стать проблемой, так как потребует применения компонента большего типоразмера.
С использованием биполярного транзистора можно собрать более совершенный преобразователь (Рисунок 2). В данном случае он используется как эмиттерный повторитель. То есть напряжение на эмиттере (из за падения на p-n переходе транзистора) составит:
\begin{gather} \begin{split} V_{эмиттера} = V_{базы} \,- \,0.6 \\ \end{split}\notag \end{gather}
В рабочем режиме КПД второй схемы будет практически таким же, как и у первой. Однако, в отличие от первой схемы, во второй при отсутствии нагрузки потребляемый ток остаётся минимальным и определяется током через резистор R1, значение которого рассчитывается следующим образом:
\begin{gather} \begin{split} I_{вх} = \frac{V_{вх} — V_{стаб}}{R_{1}} \\ \end{split}\notag \end{gather}
Для нашего случая (Рисунок 2):
\begin{gather} \begin{split} I_{вх} = \frac{12 — 5.6}{2000} = 3.2\,мА\\ \end{split}\notag \end{gather}
Проверить расчеты можно в любом SPICE симуляторе. В нашем случае, это LTSpice.
Как видим, результаты расчетов верны.
Кроме того, в симуляторе мы можем оценить рассеиваемую мощность на элементах. В схеме с использованием биполярного транзистора основная мощность падает на сам транзистор. Например, в нашем случае при нагрузке 100 мА, она составляет примерно 713 мВт. В схеме без транзистора мощность распределяется в зависимости от нагрузки между резистором и стабилитроном. Рассеиваемая мощность при нагрузке 100 мА на резисторе достигает 776 мВт.
Полученные значения оказались сопоставимыми, однако для устойчивой работы второй схемы достаточно одного элемента с нужной рассеивающей мощностью — транзистора, тогда как в первой схеме таких элементов два — резистор и стабилитрон.
