Физические основы принципа действия триода (усилитель)

Федеральное агентство  железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет  путей сообщения

Кафедра: «Физики»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Физические основы технологических процессов»

На тему: «Физические основы принципа действия триода (усилитель)»

 

 

 

Проверил                                                  Выполнил

Хан Е.Б.                                                    студент гр.Д/у-330

№ зач.кн. 10-Д/у-754

                                                                   Прохоренко Ю.И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург.

2013

Оглавление

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимся типом электропроводности и имеющий  два взаимодействующих p-n - перехода. Биполярный - т. к. его работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. В зависимости от чередования областей различают транзисторы двух типов

Одну из крайних областей транзисторной структуры легируют сильнее; ее используют обычно в режиме инжекции и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю область - коллектором. Основным назначением коллектора

является экстракция носителей заряда из базовой области, поэтому размеры у него больше, чем у эмиттера. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между коллектором и базой - коллекторным.

Транзистор может работать в различных режимах в зависимости  от напряжения на его переходах. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном обратное, то наблюдается активный режим работы транзистора (ЭП , КП ). Если на эмиттерном переходе напряжение обратное, а на коллекторе прямое, то транзистор работает в инверсном активном режиме (ЭП , КП ). При подаче прямого напряжения на оба перехода транзистор работает в

режиме насыщения (ЭП , КП ). В том случае, когда на оба перехода подается запирающее напряжение, устанавливается режим отсечки (ЭП , КП ).

 

Условное графическое  изображение:

 

 

 

 

 

 

 

Устройство и принцип работы усилителя

Типичная применяемая  в усилителях электронная лампа (tube, valve) состоит из стеклянной колбы с откачанным воздухом в которую помещены два электрода (катод - cathode и анод - anode) и разделяющая их сетка, за катодом находится также специальный подогревающий элемент.

Условное обозначение лампы  довольно точно отражает ее устройство, хотя в реальности "печка" проходит через ось лампы, а электроды  расположены "послойно" в виде цилиндров, плюс в лампах могут быть различные дополнительные конструктивные элементы . Свечение раскаленной "печки" и заставляет называть это устройство на ряде языков лампой, а наличие в ней трех (не считая подводов питания "печки") электродов обуславливает ее функциональное название - триод. Рассмотрим принцип работы лампового триода.

Поскольку между катодом и анодом вакуум (и приличное расстояние), то ток (при относительно небольшом - не высоковольтном напряжении) между  ними возникнуть не может. Подогревая катод, мы повышаем скорость движения в нем электронов, и они уже менее крепко держатся за свое место. В этом случае анод уже в принципе способен притянуть к себе электроны с катода. В двухэлектродных лампах (диодах - элементах с односторонней проводимостью) так и происходит. В триоде, однако расстояние между катодом и анодом больше чем в диоде, и ток просто так не возникнет. Какой же тогда в толк в триоде, если он вообще не проводит ток? Не стоит забывать о сетке - если подать на нее некоторое напряжение (много меньшее, чем напряжение между катодом и анодом), то она, будучи расположенной ближе к катоду, чем анод, начнет срывать с него электроны.

Размеры сетки превышают  размер электрона больше, чем оконная  решетка размеры пылинки, и почти  все электроны влетают в ячейки сетки, но притянуться собственно к ней не успевают. Между анодом (к которому соответственно они приблизились) и сеткой существует напряжение (чуть меньше, чем между анодом и катодом, но почти такое же) и анод тянет эти электроны к себе - то есть возникает ток между анодом и катодом.

Соотвественно, если напряжение, на сетке будет переменным, то ток  через лампу будет меняться параллельно  с ним. Сформулируем это с практической точки зрения - слабый переменный сигнал подаваемый в цепь катод-сетка, порождает в лампе свою усиленную копию.

Конечно, собственно лампа, как есть - это еще не усилитель, хотя бы потому, что ток через  нее может идти только в одном направлении, и от переменного сигнала будет усиливаться только половина полупериодов. Но к этому мы вернемся чуть позже, а пока разберемся с транзисторами.

Типичный транзисторный  триод состоит из трех слоев полупроводников, к каждому слою подведен контакт. По краям находятся полупроводники - типа p, в середине - типа n (возможна и обратный вариант, но мы остановимся для краткости на транзисторе типа p-n-p). "P" - значит "positive" в полупроводниках такого типа избыток так называемых "дырок" - виртуальных частиц, возникающих из-за нехватки электронов. Их вполне можно рассматривать как свободные положительно заряженные частицы. "N", соответственно означает "negative" и в полупроводнике этого типа наблюдается наличие свободных электронов.

Если бы между крайними контактами был сплошной p-слой, то, подведя к ним напряжение, мы получили бы ток - "дырки" пошли бы от плюса (контакт и слой, к которому он подведен называется эмиттер) к минусу (коллектор), однако средний слой (база) этому препятствует. Тогда попробуем организовать ток между базой и эмиттером. Когда на базу подается минус, а на эмиттер плюс - дырки стремятся к базе, электроны к эмиттеру, то есть ток возникает. Ну и что, казалось бы, с того коллектору, ведь се идет как бы мимо него? Ток между эмиттером и базой (эмиттерный ток) заносит в базу "дырки", которые прежде, чем базу покинуть успевают по ней распространиться вследствие диффузии. Те "дырки", что оказываются достаточно близко к границе между базой и коллектором, коллектор начинает тянуть к себе. Таким образом эмиттерный ток порождает ток между эмиттером и коллектором. Очевидно, что чем сильнее эмиттерный ток, тем сильнее коллекторный ток, и в зависимости от того, как меняется ток эмиттерный, меняется ток коллекторный.

То есть точно также, как в ламповом триоде, слабый переменный сигнал порождает свою усиленную  копию. Точнее почти также, поскольку в ламповом триоде выходная сила тока управляется входным напряжением, а транзисторном - входной силой тока. Это обуславливает некоторые нюансы, отличающие подходы в проектировании схем, собираемых на основе ламп или транзисторов усилительных контуров. Впрочем, некоторые общие принципы одинаковы как для ламповых так и транзисторных усилителей. В частности, то как решается проблема усиления как положительных, так и отрицательных полупериодов.

Напомним, что в принципе триод способен усиливать только одну - в зависимости от типа триода, положительную или отрицательную - составляющую колебаний, а нам надо усиливать весь сигнал. Самое простое решение этой проблемы - подача на триод, так называемого смещения - в лампе это будет напряжение на сетке (точнее - разность потенциалов между сеткой и катодом), в транзисторе - эмиттерный ток. Результатом станет то, что у входной сигнал весь окажется в "правильной зоне".

Усилитель в котором реализуется такой принцип называют усилителем класса А. Недостатки усилителя класса А - пониженный КПД (только 50% от питающего напряжения), повышенный расход энергии, повышенный износ ламп (в случае лампового усилителя). Этих недостатков лишены двухтактные схемы, основанные на двух одинаковых триодах, включенных параллельно. В таких решениях сигнал перед подачей на усиливающий контур "разрезается" на две половины. Каждый триод усиливает свои полупериоды, а выходные сигналы затем "сшиваются" в полноценный сигнал, при этом энергия потребляется исключительно в необходимых пропорциях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Литература

 

1. Полупроводниковые приборы  и  устройства: Учеб. пособие  / Д. В. Велко, В. Г. Рубанов.  – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2006. – 184 с.

 

2. В. Н. Гапонов. Электроника, т. II, М., Физматгиз, 1960.