Ключевой режим транзистора: Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Содержание

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Ключевой режим работы транзистора, наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.


Использование транзистора в ключевом режиме

но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает. Правила приведены для транзистора p-n-p-типа, но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:

Принцип работы трназистора

  • 1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
  • 2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод база – коллектор открыт, а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
  • 3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
  • 4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор IК прямо пропорционален току базы IБ и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы

управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы Rб

составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 – 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.

Расчёт ключевой схемы

Как же рассчитать элементы «обвязки» транзистора? Во-первых, необходимо, как и в случае любой другой схемы понять, что необходимо получить и что приходит на вход.

1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор:

, где

Upit – напряжение питания,

RК – сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток:

3. Рассчитывают сопротивление

базового резистора Rб:

Uвх – напряжение на входе ключевого каскада.

Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора в двух состояниях: насыщения и отсечки. С состоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит в состоянии отсечки транзистора, когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в виде

блуждающих токов, да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление RБЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составило меньше, чем 0,6 В. Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.

Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.


Пример использования транзистора в ключевом режиме

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 по­казана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для на­глядности— с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что на­пряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника— если соотношение

2>IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напря­жение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет та­кой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реаль­но можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еле­дует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом.

Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяет­ся к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенци­ал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзи­сторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полно­стью — лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень непри­ятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).

Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Самое интересное, что рассчитывать его практически не на­до — лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше чем 0,6 В. Чем он больше, тем лучше, но все же сопротив­ление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор Re, но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как ука­зано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот рези­стор будет так: если включающее напряжение на Re подано, то он не оказы­вает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую — примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R63 надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «зем­ле» или «висит в воздухе».

Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R63 при работе в ключевом режиме часто забывают — да­же в очень интересной во всех отношениях книге [16] повсеместно встреча­ется эта ошибка.

Простейшая ключевая схема есть вариант т. н. схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к пита­нию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой кни­ге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распростра­ненные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое питание, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.

Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвер­тирован (то есть противоположен по фазе) по отношению к входному сигна­лу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеет­ся — на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертиру­ет сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному ре­жиму работы, о котором будет рассказано). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке — то есть она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.

Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Транзистор Дарлинг­тона (его часто называют транзистор с «супербетой», мы будем называть его и так, и так) есть две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру само­стоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина Р для них равна произведению коэф­фициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до не­скольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обяза­тельно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение ме­жду базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величи­ну от обычного транзистора — то есть 1,2—1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных тран­зисторов может составлять несколько килоом.

Рис. 6.5. Другие схемы подключения: а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов

На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная схема па­раллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допусти­мого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естест­венно, не происходит— суммируются только предельно допустимые показатели. Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.

Работа транзистора в ключевом режиме

Для рассмотрения вопроса работы транзистора в ключевом режиме заменим, полупроводниковый элемент на переменный резистор. В качестве регулятора для изменения сопротивления (проводимости у транзистора) служит та самая ручка, которую можно крутить. Таким элементом у транзистора является база, воздействие на которую вызывает изменение сопротивления участка эмиттер-коллектор.

Транзистор может находиться в закрытом состоянии (режим отсечки) или в открытом состоянии (режим насыщения). Насыщение транзистора характеризуется его полным открытым состоянием. Сопротивление перехода коллектор-эмиттер в режиме насыщения транзистора практически равно нулю и его включение в таком режиме без нагрузки приведет к выходу полупроводникового элемента из строя. Ток базы в режиме насыщения транзистора достигает большой величины, а напряжение на переходе база-эмиттер составляет 0,6…0,7В, что для данного перехода очень велико. Входная характеристика транзистора приведена ниже.

Состояния транзистора отсечка и насыщения применяются для работы транзистора в ключевом режиме (аналог контакта реле). Определяющим понятием работы транзистора в ключевом режиме является то, что ток базы транзистора небольшой величины (ток управления) управляет большим током коллектора (нагрузки), который может превосходить ток базы в десятки раз. Для определения коэффициента усиления транзистора при ключевом режиме применяют понятие «коэффициента усиления по току в режиме большого сигнала» (β «бетта»), рассчитываемый через отношение максимального тока коллектора к минимальному току базы. Для современных полупроводниковых транзисторов коэффициент β лежит в пределах от 10 до 20.

Помимо одиночных транзисторов для работы в ключевом режиме применяют «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Коэффициент усиления таких схем может достигать 1000. Пример схемы ключевого каскада приведен ниже.

В качестве нагрузки, включаемой транзистором, используется лампочка. Назначение резистора Rбэ – перевести транзистор в закрытое состояние при размыкании контакта за счет выравнивания потенциалов базы и эмиттера. Основной задачей для такой схемы является правильный подбор сопротивления в цепи базы Rб, которое позволит обеспечить работу лампочки с максимальным накалом.

Исходные данные для расчета:
— номинальное напряжение лампочки 12В; номинальный ток – 100 мА;
— коэффициент β=10;
— падение напряжение база-эмиттерUбэ=0,6 В.

Для начала рассчитаем ток в базе: Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА). Напряжение на переходе база-эмиттер: Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В. Из закона Ома находим сопротивление резистора: Rб = Uбэ / Iб = 4,4В / 0,01А = 440 Ом. Из стандартного ряда сопротивлений выбираем резистор Rбэ=430 Ом.



Всего комментариев: 0


Расчет биполярного транзистора в ключевом режиме с резистивной нагрузкой

Расчет биполярного транзистора в ключевом режиме с резистивной нагрузкой

Упрощенный расчет транзистора для работы в ключевом режиме на резистивную нагрузку.

 

Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (состояние отсечки).

 

Рассмотрим пример, где в качестве нагрузки выступает контактор типа КНЕ030 на напряжение 27В с катушкой сопротивлением 150 Ом. Индуктивным характером катушки в данном примере пренебрежем, считая, что реле будет включено раз и надолго.

Рассчитываем ток коллектора:

Ik=(UccUкэнас)/Rн    , где

Ik –ток коллектора

      Ucc- напряжение питания (27В)

      Uкэнас- напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0.2 до 0.8В, хотя и может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В

      Rн- сопротивление нагрузки (150 Ом)

Итак,

Ik= (27-0.4)/150 = 0.18A = 180мА

На практике из соображений надежности элементы всегда необходимо выбирать с запасом. Возьмем коэффициент 1.5

Таким образом, нужен транзистор с допустимым током коллектора не менее 1. 5*0.18=0.27А и максимальным напряжением коллектор-эмиттер не менее 1.5*27=40В.

Открываем справочник по биполярным транзисторам .  По заданным параметрам подходит КТ815А (Ikмакс=1.5А Uкэ=40В)

      Следующим этапом рассчитываем ток базы, который нужно создать, чтобы обеспечить ток коллектора 0.18А.

      Как известно, ток коллектора связан с током базы соотношением

      Ik=Iб*h21э,

где h31э – статический коэффициент передачи тока.

 При отсутствии дополнительных данных можно взять табличное гарантированное минимальное значение для КТ815А (40). Но для КТ815 есть график зависимости h31э от тока эмиттера. В нашем случае ток эмиттера 180мА, этому значению соответствует h31э=60. Разница невелика, но для чистоты эксперимента возьмем графические данные.

Итак,

            Iб=180/60=3мА

Для расчета базового резистора R1 смотрим второй график, где приведена зависимость напряжения насыщения база-эмиттер (Uбэнас) от тока коллектора. При токе коллектора 180мА напряжение насыщения базы будет 0.78В (При отсутствии такого графика можно использовать допущение, что ВАХ перехода база-эмиттер подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение база-эмиттер находится в пределах 0.6-0.8 В)

Следовательно, сопротивление резистора R1 должно быть равно:

R1=(Uвх-Uбэнас)/Iб = (5-0.78)/0.003 = 1407 Ом = 1.407 кОм.

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в меньшую сторону (1.3 кОм)

Если к базе подключен шунтирующий резистор (вводится для более быстрого выключения транзистора или для повышения помехоустойчивости) нужно учитывать, что часть входного тока уйдет в этот резистор, и тогда формула примет вид:

R1= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+IR2) = (Uвх-Uбэнас)/(Iб+ Uбэнас/R2)

Так, если R2=1 кОм, то

R1= (5-0. 78)/(0.003+0.78/1000) = 1116 Ом = 1.1 кОм

 

Рассчитываем потери мощности на транзисторе:

            P=Ik*Uкэнас

Uкэнас берем из графика: при 180мА оно составляет 0.07В

            P= 0.07*0.18= 0.013 Вт

Мощность смешная, радиатора не потребуется.

Падение напряжения на открытом транзисторе. Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 4. 3 — Ключевая схема на транзисторе и графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-р показана на рисунке 4.3, а . Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а — б по постоянному току (рисунок 4.3, б ).

Линия нагрузки описывается соотношением U кэ = − (Е к − I к R к) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (U вх > 0), указанной на рисунке 4. 3, а без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U бэ > 0) и его ток I э = 0. Вместе с тем через резистор R б протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I к0 . Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка М з (см. рисунок 4.3, б ).

Протекание через нагрузку теплового тока I к0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R к от источника питания. Малое значение I к0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения U вх. з an выбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резистор R б тепловом токе было обеспечено выполнение условия:

U бэ = U вх. з an − I к0 R б > 0.

Напряжение U 6э для германиевых транзисторов составляет 0,5…2,0 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U вх М о на линии нагрузки.

Определим необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. С этой целью предположим, что при U вх I б увеличивается постепенно. Увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора и перемещение рабочей точки из положения М з вверх по линии нагрузки. Напряжение U кэ транзистора при этом постепенно уменьшается. До некоторого граничного значения тока базы I б.гр сохраняется известная пропорциональная зависимость между I к и I б.

Мы разбирались с основами усилителей, немного было сказано о том, что такое обратная связь и коэффициент усиления. Был приведен расчет схемы на операционном усилителе. Теперь мы готовы заглянуть чуть глубже, чтобы понять основы основ.

Транзистор можно представить в виде переменного сопротивления. Положение регулятора зависит от тока подаваемого на базу. Если ток не подается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер очень большое. При подаче на базу небольшого тока, сопротивление переменного резистора уменьшится, и по цепи К-Э потечет ток в h31 раз больше тока базы. h31 это величина коэффициента усиления транзистора, находится по справочнику.

Если ток базы постепенно увеличивать, то сопротивление перехода будет постепенно уменьшаться, до тех пор пока не станет близким к нулю. В этот момент транзистор будет полностью открыт, именно этот режим мы и рассматривали в статье про подключение нагрузки при помощи транзистора.

На этот раз нас интересует промежуточное состояние, так как вход и выход взаимосвязаны, то сигнал на выходе будет являться копией входного, но усиленный в несколько раз. Теперь разберемся с усилением. Дело в том, что h31, имеет довольно большой разброс для одного типа транзистора может находиться в пределах от 400 до 1000. Так же, он зависит от температуры. Поэтому, существует типовая схема усиления, которая учитывает все эти недостатки. Но для общего развития стоит рассказать какие они вообще бывают.

Вспомним что мы представляли усилитель, как черный ящик — две ножки вход и две выход. В случае с транзистором, одна из ножек будет постоянно общей для входа и для выхода. В зависимости от этого транзистор может быть включен по схеме с общем базой, с общим коллектором и общим эмиттером.


Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки. Наша цель рассмотреть включение по схеме с общим эмиттером, потому что данная схема позволяет усилить и ток, и напряжение.

На самом деле, информации с расчетом схемы с общим эмиттером в интернете полно, но на мой взгляд, она не годится для человека, который с трудом представляет себе как выглядит транзистор. Здесь мы будет рассматривать максимально упрощенный вариант, который позволит получить весьма приближенный, но, нам мой взгляд, понятный результат. Поэтому постараемся шаг за шагом разложить все по полочкам.

Реальный транзистор имеет несколько особенностей, которые нужно учитывать при разработке схемы. Например, если сигнал маленькой амплитуды подать на базу, то на выходе ничего не будет — транзистор просто напросто не откроется. Для того, чтобы на выходе появился сигнал, его нужно приоткрыть, т.е. подать на базу напряжение смещения, порядка 0,7В. Обычно это напряжение подается при помощи делителя напряжения. На номиналы резисторов пока не обращаем внимание, расчет будет чуть дальше.

Следующий момент, когда транзистор будет открываться, то по цепи коллектор-эмиттер потечет ток, причем когда транзистор будет полностью открыт, то ток будет ограничен только источником питания. Поэтому транзистор может сгореть. Величина максимального тока приводится в справочнике, поэтому для ограничения тока в цепь коллектора ставится токоограничивающий резистор (как для светодиода).

Осталось добавить резистор в цепь эмиттера. Смысл его в том, что когда под влиянием окружающей температуры напряжение на выходе изменяется, изменяется и ток коллектора. Так как ток коллектора и эмиттера одинаков, то и на эмиттерном резисторе изменяется напряжение. Напряжение базы и эмиттера связаны формулой U бэ = U б – U э. получается, что если на выходе напряжение увеличилось, то на базе оно уменьшится, при этом транзистор призакроется и наоборот. Таким образом транзистор сам себя регулирует, не давая напряжению изменяться под действием внешних факторов, т.е. эмиттерный резистор играет роль отрицательной обратной связи.

Вспомним, что коэффициент усиления находится в довольно большом диапазоне. Поэтому эмиттерный резистор, кроме того, за счет обратной связи, позволяет контролировать величину коэффициента усиления схемы. Отношение сопротивления коллекторного резистора к эмиттерному, примерно, является коэффициентом усиления Ku.

Любой источник сигнала имеет свое внутреннее сопротивление, поэтому для того чтобы ток от внешнего источника VCC не протекал через источник V1 ставят блокировочный конденсатор С1. В итоге мы получили схему усилителя с общим эмиттером.


Чтобы не было искажения сигнала, на базу необходимо подавать напряжение смещения, т. е. транзистор должен быть постоянно приоткрыт, поэтому даже при отсутствии сигнала на входе, по цепи коллектор-эмиттер постоянно будет протекать ток. Этот ток называется ток покоя, его рекомендуемая величина 1-2мА. Остановимся на 1мА.

Теперь нужно выбрать резисторы R3 и R4, Их величина будет определять ток покоя, но необходимо учесть, что транзистор не сможет усиливать напряжение ниже 0,7В, поэтому сигнал на выходе обычно колеблется относительно некоторой точки, в качестве которой обычно выбирают половину напряжения питания. Поэтому половина напряжения должна падать на этих резисторах, а вторая половина будет падать на транзисторе.

R3+R4 = (Uпит/2)/Iк = 2,5В/0,001 = 2,5кОм.
Требуемый коэффициент усиления 10, т.е. R3 должен быть больше R4 в 10 раз. Исходя из этого есть два условия:
R3+R4=2500
R3=10*R4

Подставим в первую формулу второе выражение
10R4+R4=2500
11R4=2500
R4=227 Ом ближайший реально существующий номинал 220 Ом
R3=10*R4=2270 ближайший номинал 2,2кОм

Пересчитаем напряжение средней точки на выходе, с учетом выбранных резисторов:
Uк=Uпит-(Rк*Iк)=5-2,2*0,001=2,8В

Теперь нужно вычислить ток базы, для транзистора BC547C h31min=420
Iб=(Uпит/(Rк+Rэ))/h31=(5/(2200+220))/420=0,00000492А

Ток делителя R1,R2 должен быть в 5-10раз больше тока базы, для того, чтобы не оказывать на него влияния
Iд=Iб*10=0,0000492А

Рассчитаем общее сопротивление делителя R1,R2
R12=Uпит/Iд=5/0,0000492=101 692 Ом

Напряжение Uбэ типовое для всех транзисторов, находится в пределах 0,55-0,7В. По знакомой формуле вычисляем напряжение на базе:
Uб=Uэ+Uбэ=0,22+0,66=0,88В

Отсюда вычислим сопротивление R2:
Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Eп=(101*0,88)/5=17 776 или 18кОм по номинальному ряду

Из их суммы R1,R2 можно найти R1
R1=R12-R2=101-18=83кОм или 82кОм из существующих

Остался только блокировочный конденсатор, его величина должна быть больше
C>>1/2*pi*f*R2||R1 f — нижняя граница усиливаемой частоты, возьмем 20Гц
С=1/(6,28*20*82000)=0,09мкФ, можно поставить 0,47мкФ

В результате мы получили следующую схему:


Как видно выходной вольтметр показывает 432мВ, т.е. коэффициент усиления схемы получился Кu=432/50~8,5. Чуть меньше ожидаемого, но в целом неплохо. И еще один момент, на графиках видно, что сигнал, как уже говорилось, смещен относительно нуля, убрать постоянную составляющую можно поставив на выход конденсатор. Так же обратите внимание, что усиленный сигнал смещен относительно входного на 180 градусов.

Страшное слово — Транзистор

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 h31э . У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

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

h31э = Iк / Iб

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

Iк = Iб * h31э

Рисуем схему.


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 (h31э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Немножко посчитаем:)

.

Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А,
а транзистор имеет h31э = 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 h31э раз. То есть — в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА.
Ура, решили!!!

Основные понятия и определения электроники. Компонентная база электроники, страница 11

Транзисторный ключ работает следующим образом. При подаче необходимого значения входного напряжения Uвх начинает протекать ток базы и транзистор VT входит в режим насыщения, т. е. открывается. При этом напряжение между коллектором и эмиттером транзистора снижается практически до нуля, что соответствует замкнутому ключу. При уменьшении входного напряжения до нуля ток базы прекращается и транзистор входит в режим отсечки, т. е. закрывается. При этом напряжение между коллектором и эмиттером транзистора увеличивается до напряжения, близкого к напряжению питания Епит, что соответствует разомкнутому ключу. Резисторы R1 и R2 ограничивают токи через транзистор. Их выбирают в соответствии с соотношениями:

R2 = Eпит ;

Iк

                                                                                                               (3.1)

R1 = (Uвх Uбэ) 0,7 h2.1.э ,

Iк

где Iк – требуемый ток коллектора транзистора; Uбэ – напряжение база-эмиттер; коэффициент 0,7 обеспечивает режим насыщения транзистора.

Аналогично биполярному транзистору, электронный ключ можно реализовать на полевом транзисторе или IGBT. При этом не требуется ограничительный резистор в цепи управления.

Электронные ключи применяют как в информационной, так и в силовой электронике. Ключевой режим транзистора имеет место в подавляющем большинстве случаев в современных электронных устройствах, поскольку в этом режиме работают транзисторы, входящие в состав цифровых интегральных микросхем, в том числе и микропроцессоров.

3.2. Усилитель по схеме с общим эмиттером

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилители потребляют электроэнергию от источника питания (постоянного стабилизированного напряжения).

Схема усилителя с общим эмиттером приведена на рис. 3.2.

Схема работает следующим образом. Источник постоянного напряжения Епит, а также резисторы R1, R2 , R3 обеспечивают активный нормальный режим работы биполярного транзистора VT. Входное переменное напряжение Uвх через конденсатор C1, препятствующий проникновению постоянной составляющей входного напряжения, подается на базу транзистора. В результате изменяется значение тока базы. Ток базы усиливается транзистором в h2.1.э раз, что приводит к возрастанию падения напряжения на резисторе R3 , и, соответственно, к увеличению значения выходного напряжения Uвых на нагрузке Rн. Конденсатор C2 препятствует проникновению постоянной составляющей выходного напряжения в нагрузку.

Коэффициент усиления такого усилителя рассчитывается по формуле

                                                                                                  h2.1     R3+Rн

                                         kус = Uвых =—         R3       Rн ,                       (3. 2)

                                                                           Uвх                         h1.1

где h2.1 – коэффициент передачи тока коллектора транзистора; h1.1 – входное сопротивление транзистора.

Знак «–» в выражении (3.2) означает, что усилитель с общим эмиттером является инвертирующим, т. е. осуществляет поворот по фазе на 180 выходного напряжения относительно входного. Принцип работы рассматриваемого усилителя показан на совмещенных ВАХ транзистора и осциллограммах тока коллектора Iк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ, приведенных на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Совмещенные ВАХ транзистора и осциллограммы тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер для усилителя с общим эмиттером

На рис. 3.3 также показана линия нагрузки, пересекающая ВАХ. Точки пересечения этой линии и линий ВАХ называются рабочими точками. Они определяют режим работы транзистора в текущий момент времени. Крайние рабочие точки показывают границы работы транзистора в активном нормальном режиме. Если ток базы превысит эти границы и будет изменяться скачком от минимального до максимального значения, то транзистор перейдет в ключевой режим работы.

Режим работы транзистора в схеме усилительного каскада.

Различают пять основных режимов работы транзистора: A, B, AB, C, D.  В зависимости от величин постоянной составляющей входного тока ( от положения рабочей точки покоя О) транзистор может работать без отсечки и с отсечкой тока.Рисунок -Положение рабочей точки при различных режимах работы усилителя  При отсечке, ток коллектора протекает только в течение части периода входного сигнала.

 Режим класса А. Ток выходной цепи существует в течение всего периода сигнала.

  •   Достоинства: Малые нелинейные искажения, поскольку входной сигнал присутствует на линейном участке сквозной (входной)    Возможность применения  как однотактных, так и в двухтактных каскадах усиления сигналов любой формы.
  • Недостатки: Низкий КПД из-за большого среднего тока , как при наличии, так и при отсутствии сигнала.

Режим А чаще всего используется в каскадах предварительного усиления. 

 Режим класса B. Ток выходной цепи существует в течение половины периода входного сигнала.

  • Достоинства: Высокий КПД. Высокое использование Т по току и напряжению.
  • Недостатки: Высокий коэффициент гармоник.

     

Режим В чаще используется в УМ, построенных по двухтактной схеме. 

Режим класса АB. В отличие от режима B рабочая точка находится в начале нелинейного участка сквозной (входной) характеристики.

 

В отличие от режима класса B в режиме класса AB уменьшается коэффициент гармоник.

 

 Режим класса С. Рабочая точка покоя располагается левее точки пересечения сквозной (входной) характеристики с осью абсцисс. Используется в резонансных усилителях, в умножителях частоты, а также для усиления одномерных импульсных сигналов. Ток выходной цепи отсутствует при отрицательной полуволне входного сигнала  и при его малых уровнях. Применение двухтактной схемы не позволяет получить выходной сигнал той же формы, что и выходной.

 

 

 Режим класса Д (или ключевой режим). В этом режиме усилительный элемент находится в одном из двух состояний: или полностью открыт, или полностью заперт. Потери энергии при этом минимальны, КПД100%, по пропорциональности между входящими и выходящими сигналами нет.

Перевод транзисторов с класса «А» в класс «АВ» увеличивает коэффициент гармонических искажений в четыре раза, в результате коэффициент усиления (без ООС) возрастает на 10-15Дб, что уменьшает частоту среза на две октавы.
Режимы работы усилителя в классе «АВ» и «В» имеют общие недостатки — это переходные искажения первого порядка, которые имеют S — образную форму, на малом уровне сигнала. Чем ниже уровень сигнала, тем больше искажений. Такие усилители всегда хочется «врубить» по громче, чтобы как можно полнее (никогда не получится) почувствовать мощь и динамику музыкального произведения. К тому же, режимы работы транзисторов в классе «АВ» и «В» выдают негативные искажения сигнала, которые простираются до 11 гармоники и вызывают феномен «транзисторного» звука

 Существует разновидность усилителей мощности класса «А» — класс «А+». При этом низковольтные транзисторы работают в «А», а высоковольтные управляются величиной входного сигнала (класс «В» или «АВ»). Фильтром искажений является источник питания класса «В» или «АВ». Степень искажений зависит от разницы напряжения питания высоковольтных и низковольтных транзисторов, и приблизительно составляет 0.003%. КПД таких усилителей значительно выше, чем в классе «А», но общие искажения имеют гармоники высоких порядков, что придаёт звуку «жесткость».

Усилители мощности класса «АА» имеют очень низкий уровень искажений около 0.0005%, но порядок гармоник также высок. Специальная мостовая схема связывает усилитель напряжения класса «А» с стабилизирующим усилителем тока.

 В результате длительных экспериментов некоторые эксперты пришли к мнению, что мощные спаренные транзисторы включённые однотактным повторителем мощности, максимально чётко контролируют любые АС (в акустически сложные помещениях) и обладают несущественными гармоническими искажениями сигнала низких порядков. Однако для высококачественного усиления напряжения (любые транзисторы, в любом режиме работы) непригодны, так как они имеют высокий спектр искажений гармонических составляющих, что окрашивает звук в металлический оттенок.

транзисторов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 80

Введение

Транзисторы вращают мир электроники. Они критически важны как источник управления практически в каждой современной цепи. Иногда вы их видите, но чаще всего они спрятаны глубоко внутри кристалла интегральной схемы. В этом уроке мы познакомим вас с основами самого распространенного транзистора: биполярного переходного транзистора (BJT).

В небольших дискретных количествах транзисторы могут использоваться для создания простых электронных переключателей, цифровой логики и схем усиления сигналов. В количествах тысяч, миллионов и даже миллиардов транзисторы соединены между собой и встроены в крошечные микросхемы для создания компьютерной памяти, микропроцессоров и других сложных ИС.

рассматривается в этом учебном пособии

После прочтения этого руководства мы хотим, чтобы вы получили широкое представление о том, как работают транзисторы.Мы не будем углубляться в физику полупроводников или эквивалентные модели, но мы достаточно углубимся в предмет, чтобы вы поняли, как транзистор можно использовать в качестве переключателя или усилителя .

Это руководство разделено на несколько разделов, охватывающих:

Существует два типа базовых транзисторов: биполярный переход (BJT) и металлооксидный полевой транзистор (MOSFET). В этом руководстве мы сфокусируемся на BJT , потому что его немного легче понять.Если копнуть еще глубже в типы транзисторов, на самом деле существует две версии BJT: NPN и PNP . Мы сфокусируемся еще больше, ограничив наше раннее обсуждение NPN. Если сузить наш фокус — получить твердое представление о NPN — будет легче понять PNP (или даже МОП-транзисторы), сравнив, чем он отличается от NPN.

и nbsp

и nbsp

Рекомендуемая литература

Перед тем, как углубиться в это руководство, мы настоятельно рекомендуем просмотреть эти уроки:

  • Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома — Введение в основы электроники.
  • Основы электричества — Мы немного поговорим об электричестве как потоке электронов. Узнайте, как текут эти электроны, в этом уроке.
  • Electric Power — Одно из основных применений транзисторов — усиление — увеличение мощности сигнала. Увеличение мощности означает, что мы можем увеличивать ток или напряжение, узнайте почему в этом руководстве.
  • Диоды — Транзистор — это полупроводниковый прибор, похожий на диод. В некотором смысле это то, что вы получили бы, если бы сложили два диода вместе и связали их аноды вместе.Понимание того, как работает диод, во многом поможет раскрыть принцип работы транзистора.

Хотите изучить транзисторы?

Символы, булавки и конструкция

Транзисторы — это в основном трехконтактные устройства. На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты обозначены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Обозначения схем как для NPN, так и для PNP BJT приведены ниже:

Единственное различие между NPN и PNP — это направление стрелки на эмиттере.Стрелка на NPN указывает, а на PNP указывает. Полезная мнемоника для запоминания:

NPN:

N от P ointing i N

Обратная логика, но работает!

Конструкция транзистора

Транзисторы полагаются на полупроводники, чтобы творить чудеса. Полупроводник — это не совсем чистый проводник (например, медный провод), но и не изолятор (например, воздух). Проводимость полупроводника — насколько легко он позволяет электронам течь — зависит от таких переменных, как температура или наличие большего или меньшего количества электронов.Заглянем вкратце под капот транзистора. Не волнуйтесь, мы не будем углубляться в квантовую физику.

Транзистор как два диода
Транзисторы

— это своего рода продолжение другого полупроводникового компонента: диодов. В некотором смысле транзисторы — это всего лишь два диода со связанными вместе катодами (или анодами):

Диод, соединяющий базу с эмиттером, здесь важен; он соответствует направлению стрелки на схематическом символе и показывает , в каком направлении должен течь ток через транзистор.

Изображение диодов — хорошее место для начала, но оно далеко не точное. Не основывайте свое понимание работы транзистора на этой модели (и определенно не пытайтесь воспроизвести ее на макете, это не сработает). Существует множество странных вещей на уровне квантовой физики, управляющих взаимодействием между тремя терминалами.

(Эта модель полезна, если вам нужно проверить транзистор. Используя функцию проверки диодов (или сопротивления) на мультиметре, вы можете измерить контакты BE и BC, чтобы проверить наличие этих «диодов».)

Структура и работа транзистора
Транзисторы

состоят из трех разных слоев полупроводникового материала. В некоторые из этих слоев добавлены дополнительные электроны (процесс, называемый «легирование»), а в других электроны удалены (допирование «дырками» — отсутствие электронов). Полупроводниковый материал с дополнительными электронами называется n-типа ( n для отрицательного заряда, потому что электроны имеют отрицательный заряд), а материал с удаленными электронами называется p-типа (для положительного).Транзисторы создаются путем размещения n поверх p поверх n или p поверх n над p .

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение каких-либо аббревиатур?

Если немного помахать рукой, мы можем сказать, что электронов могут легко перетекать из областей n в области p , если у них есть небольшая сила (напряжение), толкающая их.Но переход от области p к области n действительно затруднен (требуется лот напряжения). Но особенность транзистора — та часть, которая делает нашу модель с двумя диодами устаревшей — это тот факт, что электронов могут легко перемещаться от базы p-типа к коллектору n-типа, пока база- эмиттерный переход смещен в прямом направлении (это означает, что база находится под более высоким напряжением, чем эмиттер).

NPN-транзистор предназначен для передачи электронов от эмиттера к коллектору (поэтому обычный ток течет от коллектора к эмиттеру).Эмиттер «испускает» электроны в базу, которая контролирует количество электронов, испускаемых эмиттером. Большая часть испускаемых электронов «собирается» коллектором, который отправляет их в следующую часть цепи.

PNP работает таким же, но противоположным образом. База по-прежнему контролирует ток, но этот ток течет в противоположном направлении — от эмиттера к коллектору. Вместо электронов эмиттер испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые собираются коллектором.

Транзистор похож на электронный клапан . Базовый штифт похож на ручку, которую вы можете отрегулировать, чтобы позволить большему или меньшему количеству электронов течь от эмиттера к коллектору. Давайте исследуем эту аналогию дальше …


Расширение аналогии с водой

Если вы в последнее время читали много руководств по концепциям электричества, вы, вероятно, привыкли к аналогиям с водой. Мы говорим, что ток аналогичен скорости потока воды, напряжение — это давление, проталкивающее воду по трубе, а сопротивление — это ширина трубы.

Неудивительно, что аналогия с водой может быть распространена и на транзисторы: транзистор похож на водяной клапан — механизм, который мы можем использовать для управления скоростью потока .

Есть три состояния, в которых мы можем использовать клапан, каждое из которых по-разному влияет на скорость потока в системе.

1) Вкл — короткое замыкание

Клапан может быть полностью открыт, позволяя воде свободно течь в — проходить, как если бы клапана даже не было.

Аналогичным образом, при определенных обстоятельствах, транзистор может выглядеть как короткое замыкание между выводами коллектора и эмиттера. Ток может свободно течь через коллектор и выходить из эмиттера.

2) Выкл. — обрыв цепи

Когда он закрыт, клапан может полностью перекрыть поток воды.

Таким же образом можно использовать транзистор для создания разомкнутой цепи между выводами коллектора и эмиттера.

3) Линейное управление потоком

С некоторой точной настройкой можно точно настроить клапан для точного управления расходом до некоторой точки между полностью открытым и закрытым.

Транзистор может делать то же самое — линейно регулирует ток через цепь в какой-то момент между полностью выключенным (разомкнутая цепь) и полностью включенным (короткое замыкание).

Из нашей аналогии с водой, ширина трубы аналогична сопротивлению в цепи. Если клапан может точно регулировать ширину трубы, то транзистор может точно регулировать сопротивление между коллектором и эмиттером. Таким образом, транзистор подобен переменному регулируемому резистору .

Усилительная мощность

Есть еще одна аналогия, которую мы можем провести здесь. Представьте себе, если бы с легким поворотом клапана вы могли контролировать скорость потока затворов плотины Гувера. Ничтожное количество силы, которое вы можете приложить для поворота этой ручки, может создать силу в тысячи раз сильнее. Мы расширяем аналогию до предела, но эта идея распространяется и на транзисторы. Транзисторы особенные, потому что они могут усиливать электрические сигналы , превращая сигнал малой мощности в аналогичный сигнал гораздо большей мощности.


Вид. Это еще не все, но это хорошее место для начала! В следующем разделе вы найдете более подробное объяснение работы транзистора.


Режимы работы

В отличие от резисторов, которые обеспечивают линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами. У них есть четыре различных режима работы, которые описывают протекающий через них ток. (Когда мы говорим о токе, протекающем через транзистор, мы обычно имеем в виду ток , протекающий от коллектора к эмиттеру NPN .)

Четыре режима работы транзистора:

  • Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
  • Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь . Нет тока от коллектора к эмиттеру.
  • Активный — Ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему в базу.
  • Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении.Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были предназначены транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть на напряжения на каждом из трех контактов и на то, как они соотносятся друг с другом. Напряжения от базы к эмиттеру (V BE ) и от базы к коллектору (V BC ) устанавливают режим транзистора:

Упрощенный квадрантный график выше показывает, как положительное и отрицательное напряжение на этих клеммах влияет на режим.На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как это влияет на ток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена транзисторам NPN . Чтобы понять, как работает транзистор PNP, просто поменяйте полярность или знаки> и <.

Режим насыщенности

Насыщенность — это в режиме транзистора.Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» транзистора смещены в прямом направлении. Это означает, что V BE должен быть больше 0, и , поэтому должен быть V BC . Другими словами, V B должен быть выше, чем V E и V C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит как диод, в действительности V BE должно быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в режим насыщения.Существует множество сокращений для этого падения напряжения — V th , V γ и V d несколько — и фактическое значение варьируется между транзисторами (и даже больше в зависимости от температуры). Для многих транзисторов (при комнатной температуре) это падение может составить около 0,6 В.

Еще один облом реальности: между эмиттером и коллектором не будет идеальной проводимости. Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических характеристиках транзисторов это напряжение определяется как напряжение насыщения CE, В CE (насыщение) — напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения.Это значение обычно составляет 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V C должно быть немного больше, чем V E (но оба все еще меньше, чем V B ), чтобы транзистор перешел в режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки противоположен насыщению. Транзистор в режиме отсечки — выключен, — нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. Это почти похоже на обрыв цепи.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, базовое напряжение должно быть меньше, чем напряжения эмиттера и коллектора.V BC и V BE должны быть отрицательными.

На самом деле, V BE может быть где угодно между 0 В и V th (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Для работы в активном режиме транзистор V BE должен быть больше нуля, а V BC должен быть отрицательным. Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше, чем на коллекторе, но больше, чем на эмиттере. Это также означает, что коллектор должен быть больше эмиттера.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V th , V γ или V d ) от базы к эмиттеру (V BE ), чтобы «включить» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим — это самый мощный режим транзистора, потому что он превращает устройство в усилитель . Ток, идущий на вывод базы, усиливает ток, идущий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Наше сокращенное обозначение для коэффициента усиления (коэффициент усиления) транзистора — β (вы также можете увидеть его как β F или h FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I C ) с базовым током ( I B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора. Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 … даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и сколько тока проходит через него.Например, если у вашего транзистора β = 100, это будет означать, что входной ток в 1 мА на базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель с активным режимом. V BE = V th и I C = βI B .

А как насчет тока эмиттера, I E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут на устройство, а выходит I E . Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть другое постоянное значение: α .α — коэффициент усиления по току общей базы, он связывает эти токи как таковые:

α обычно очень близко, но меньше 1. Это означает, что I C очень близко, но меньше I E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Так, если, например, I C равен 100 мА, то я E равен 101 мА.

Реверс Активный

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму.Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в противоположном направлении, от эмиттера к коллектору. Обратной стороной активного режима является то, что β (β R в данном случае) на намного меньше на .

Чтобы перевести транзистор в обратный активный режим, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе, которая должна быть больше, чем на коллекторе (V BE <0 и V BC > 0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором.Приятно знать, что он есть, но он редко превращается в приложение.

Относительно PNP

После всего, о чем мы говорили на этой странице, мы все еще покрыли только половину спектра BJT. А как насчет транзисторов PNP? Работа PNP очень похожа на работу NPN — у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится транзистор PNP, поменяйте местами все знаки <и>.

Например, чтобы перевести PNP в режим насыщения, V C и V E должны быть выше, чем V B .Вы опускаете базу ниже, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить его. И, чтобы перевести PNP в активный режим, напряжение V E должно быть выше, чем напряжение V B , которое должно быть выше, чем V C .

Итого:

Соотношение напряжений Режим NPN Режим PNP
В E B C Активный Обратный
V E B > V C Насыщенность Отсечка
V E > V B C Отсечка Насыщенность
V E > V B > V C Задний ход Активный

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока.В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP течет от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер обычно должен иметь более высокое напряжение, чем коллектор.


Если вы перегорели концептуальными вещами, перейдите к следующему разделу. Лучший способ узнать, как работает транзистор, — это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!


Приложения I: Коммутаторы

Одно из самых фундаментальных применений транзистора — использовать его для управления потоком энергии к другой части схемы — используя его в качестве электрического переключателя.Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения / выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными строительными блоками; они используются для создания логических вентилей, которые используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход проходит в базу, выход привязан к коллектору, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как для обычного переключателя требуется физическое переключение исполнительного механизма, этот переключатель управляется напряжением на базовом выводе. Вывод микроконтроллера ввода / вывода, как и на Arduino, может быть запрограммирован на высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе превышает 0,6 В (или какое бы там значение у вашего транзистора V th ), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0.6V транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это похоже на разрыв цепи между C и E.

Схема, приведенная выше, называется переключателем низкого уровня , потому что переключатель — наш транзистор — находится на стороне низкого (заземления) цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Подобно схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и коммутатор на основе NPN, но есть одно огромное отличие: для включения нагрузки база должна быть низкой. Это может вызвать осложнения, особенно если высокое напряжение нагрузки (V CC — 12 В, подключенное к эмиттеру V E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить выключателем , потому что V B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V E .

Базовые резисторы!

Вы заметите, что каждая из этих схем использует последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Напомним, что в некотором смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем в прямом направлении диод база-эмиттер, чтобы включить нагрузку. Для включения диоду требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток.Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на ток, протекающий через них не более 10–100 мА. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе . Узел база-эмиттер может получить свое счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничивать ток , но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током .Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

можно комбинировать для создания всех наших основных логических вентилей: И, ИЛИ, и НЕ.

(Примечание: в наши дни полевые МОП-транзисторы с большей вероятностью будут использоваться для создания логических вентилей, чем биполярные транзисторы. Полевые МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)

Инвертор

Вот схема транзистора, которая реализует инвертор , или НЕ затвор:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером. Поскольку эмиттер напрямую подключен к земле, коллектор тоже будет (хотя он будет немного выше, где-то около V CE (sat) ~ 0,05-0,2 В). С другой стороны, если на входе низкий уровень, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут до VCC

.

(На самом деле это фундаментальная конфигурация транзистора, называемая общим эмиттером .Подробнее об этом позже.)

И Ворота

Вот пара транзисторов, используемых для создания логического элемента И с двумя входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

Если один из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то выходной сигнал схемы также высокий.

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с двумя входами :

2-входной логический элемент ИЛИ на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включается и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню. Если оба транзистора выключены, то через резистор выводится низкий уровень.

Н-образный мост

H-мост — это транзисторная схема, способная приводить в движение двигатели как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная трасса — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед на , так и на назад.

По сути, H-мост представляет собой комбинацию четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется H-мостом?

(Примечание: обычно у хорошо спроектированного H-моста есть нечто большее, включая обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если оба входа имеют одинаковое напряжение, выходы двигателя будут иметь одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:

6
Вход A Вход B Выход A Выход B Направление двигателя
0 0 1 1 Остановка (торможение)
1 0 По часовой стрелке
1 0 0 1 Против часовой стрелки
1 1 0 торможение (торможение)

Осцилляторы

Генератор — это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора поочередно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы как конденсаторов, так и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

  • Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
  • Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала — R4.
  • Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
  • На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
  • Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
  • Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
  • Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором начали.

Может быть трудно осознать. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая конкретные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.


Как вы, наверное, уже заметили, существует тонна схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!


Приложения II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности.Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В. Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, создаваемого фотодиодом, в ток гораздо большей величины. Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы являются ключевым компонентом многих усилительных схем. Существует бесконечное количество разнообразных транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем.Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете понять более сложные усилители.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно связан с общим напряжением (обычно с землей), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Обычный эмиттер — одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно заземления). База становится входом сигнала, а коллектор — выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера заключается в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу как вход, а эмиттер как выход, то получится общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема действительно имеет большой потенциал в качестве усилителя тока .В дополнение к этому, высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки цепи, управляющей ею.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «нагружать» эмиттерный повторитель, как это могут быть цепи с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор — выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен току на выходе (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Схема с общей базой лучше всего работает как токовый буфер . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Вкратце

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

Общий эмиттер Общий коллектор Общая база
Коэффициент усиления по напряжению Средний Низкий Высокий
Усиление по току Низкое 9044 На входе Среднее Среднее Высокое Низкое
Выходное сопротивление Среднее Низкое Высокое

Многокаскадные усилители

Мы можем продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете одноступенчатые усилители, указанные выше:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим для создания усилителя с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение примерно равно входному напряжению (минус примерно 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением двух коэффициентов усиления транзистора . Это β 2 — более 10 000!

Пара Дарлингтона — отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом для получения будущего выхода.

Вот основа дифференциального усилителя:

Эта схема также называется длинной хвостовой парой . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа подаются на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель является полезным «заключительным каскадом» многих многокаскадных усилителей. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба сконфигурированы как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных цепях (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и погружать его в отрицательный источник питания.

Если у вас биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный — отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать общие транзисторные схемы и понимание их назначения может очень помочь! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь определенно больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

  • Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) на дифференциальный усилитель , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
  • Q11 и Q12 являются частью второго этапа. Q11 — это общий коллектор, а Q12 — это общий эмиттер . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
  • Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R SC ) — это двухтактный ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
  • Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы можете начать определять общие транзисторные схемы, вы на правильном пути!


Покупка транзисторов

Теперь, когда вы контролируете источник управления, мы рекомендуем SparkFun Inventor’s Kit, чтобы воплотить в жизнь полученные вами новые знания.Мы также предоставили ссылки на комплект полупроводников и одиночные транзисторы для использования в ваших собственных проектах.

Наши рекомендации:

N-канальный полевой МОП-транзистор 60 В, 30 А

В наличии COM-10213

Если вы когда-нибудь задумывались, как управлять фарами автомобиля с помощью микроконтроллера, MOSFET — это то, что вам нужно.Это ве…

4

Пакет дополнений SparkFun Inventor’s Kit — v4.0

В отставке КОМПЛЕКТ-14310

С помощью Add-On Pack вы сможете включить некоторые из старых частей, которые раньше были включены в SIK, которые были обновлены…

Пенсионер

Ресурсы и дальнейшее развитие

Если вы хотите глубже изучить транзисторы, мы рекомендуем несколько ресурсов:

  • Начало работы в электронике Форрест Мимс — Мимс — мастер объяснения электроники простым для понимания и применимым образом.Обязательно ознакомьтесь с этой книгой, если вы хотите более подробно познакомиться с транзисторами.
  • LTSpice и Falstad Circuit — это бесплатные программные инструменты, которые вы можете использовать для моделирования цепей. Цифровые эксперименты со схемами — отличный способ научиться. Вы получаете все эксперименты, без боли макетирования или страха взорвать все. Попробуйте собрать воедино то, о чем мы говорили!
  • 2N3904 Техническое описание — Еще один способ узнать о транзисторах — это изучить их техническое описание.2N3904 — действительно распространенный транзистор, который мы используем постоянно (а 2N3906 — его брат по PNP). Ознакомьтесь с таблицей данных, посмотрите, узнаете ли вы какие-нибудь знакомые характеристики.

Кроме того, наш собственный технический директор Пит выпустил серию видеороликов «По словам Пита», в которых основное внимание уделяется транзисторам и транзисторным усилителям. Обязательно посмотрите его видео о диодах и транзисторах:

.

Затем вы можете перейти к: Конфигурации смещения транзисторов, часть 1 и часть 2, и, наконец, текущие зеркала.Отличный материал!

Идем дальше

Или, если вам не терпится узнать больше об электронике в целом, ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по SparkFun:

  • Интегральные схемы — Что вы получите, если объедините тысячи транзисторов и поместите их в черный ящик? IC!
  • Регистры сдвига — регистры сдвига — одна из наиболее распространенных интегральных схем. Узнайте, как с помощью транзистора мигать десятки светодиодов всего за несколько входов.
  • Mini FET Shield Hookup Guide — Это действительно простой щит Arduino, который использует 8 полевых МОП-транзисторов для управления 8 сильноточными выходами.Это хороший пример использования транзистора в качестве переключателя из реальной жизни.
  • Проектирование печатных плат с EAGLE — Выведите свои новые навыки работы с транзисторами на новый уровень. Сделайте из них печатную плату! В этом руководстве объясняется, как использовать бесплатное программное обеспечение (Eagle) для проектирования печатных плат.
  • Как паять. Если вы разрабатываете печатную плату, вам также нужно знать, как паять. Узнайте, как паять через отверстия в этом руководстве.

Или ознакомьтесь с некоторыми из этих сообщений в блоге, чтобы найти идеи:

Падение напряжения на открытом транзисторе.Основной режим работы биполярных транзисторов

Импульсная и цифровая технология транзисторов основана на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — основное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим переключателем (реле, контактором) качество транзисторного переключателя определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в закрытом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора. в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для понимания следующего материала вытекает из того факта, что при изменении состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания фактически формируются импульсные сигналы. , а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор также используется в качестве бесконтактного переключателя в цепях переменного и постоянного тока для регулирования мощности, подаваемой на нагрузку.

В основе всех узлов и схем импульсной и цифровой техники лежит так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающий в ключевом режиме.Построение ключевой схемы похоже на усилительный каскад. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема OE. Этот тип включения биполярного транзистора используется в дальнейшем при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 4.3 — Схема ключа на транзисторе и графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора

Схема ключа

на транзисторе типа p-p-p показана на рисунке 4.3, a … Транзистор T действует как переключатель последовательно с резистором R K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки a — b на постоянном токе (рисунок 4.3. , б ).

Линия нагрузки описывается соотношением U ke = — ( E to — I To R j) и выполняется так же, как и для каскада усилителя.Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперной характеристикой транзистора определяют напряжения на элементах и ​​ток в последовательной цепи.

Режим блокировки (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей напряжения положительной полярности на его вход ( U, in> 0), указанного на рисунке 4.3, a без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается ( U e> 0) и его ток I e = 0.При этом через резистор R b протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I k0. Закрытому состоянию транзистора соответствует точка M h (см. Рисунок 4.3, b ).

Тепловой поток через нагрузку I k0 обусловлен тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R от источника питания. Малое значение I k0 — один из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величина входного напряжения блокировки U in. S an выбрана таким образом, чтобы при протекании через резистор R b теплового тока обеспечивалось выполнение условия:

U bae = U дюймы с an — I k0 R b> 0.

Напряжение U 6e для германиевых транзисторов 0,5 … 2,0 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения ( U inM o на линии нагрузки.

Определяем необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. Для этого предположим, что для U inI b постепенно увеличивается. Увеличение тока базы будет соответствовать увеличению тока коллектора и смещению рабочей точки из положения M h вверх по линии нагрузки. Напряжение U кэ транзистора постепенно снижается. До определенного предельного значения базового тока I b.gr известная пропорциональная зависимость между I и I b.

Мы углубились в основы усилителей, и мало что было сказано о том, что такое обратная связь и усиление. Приведен расчет схемы на операционном усилителе. Теперь мы готовы посмотреть немного глубже, чтобы понять основы основ.

Транзистор можно рассматривать как переменное сопротивление. Положение регулятора зависит от тока, подаваемого на базу. Если ток не подается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер очень велико.Когда к базе подается небольшой ток, сопротивление переменного резистора уменьшится, и по цепям K-E ток будет протекать в 31 раз больше тока базы. h31 — величина усиления транзистора, найденная в справочнике.

Если ток базы постепенно увеличивать, сопротивление перехода будет постепенно уменьшаться, пока не станет близким к нулю. В этот момент транзистор будет полностью открыт, именно этот режим мы рассматривали в статье о подключении нагрузки с помощью транзистора.

На этот раз нас интересует промежуточное состояние, поскольку вход и выход взаимосвязаны, выходной сигнал будет копией входа, но усилен в несколько раз. Теперь посмотрим на выигрыш. Дело в том, что у h31 довольно большой разброс: для одного типа транзистора может быть в пределах от 400 до 1000. Также это зависит от температуры. Поэтому существует типовая схема усиления, учитывающая все эти недостатки. Но для общего развития стоит рассказать, какие они в целом.

Напомним, что мы представляли усилитель в виде черного ящика с двумя входными и двумя выходными ножками. В случае транзистора одна из ветвей будет постоянно общей для входа и выхода. В зависимости от этого транзистор может включаться по схеме с общей базой, с общим коллектором и общим эмиттером.


У каждой из этих схем есть свои преимущества и недостатки. Наша цель — рассмотреть возможность включения с помощью схемы с общим эмиттером, потому что эта схема позволяет усиливать как ток, так и напряжение.

На самом деле информации по расчету схемы с общим эмиттером в интернете очень много, но, на мой взгляд, она не подходит для человека, который с трудом представляет, как выглядит транзистор. Здесь мы рассмотрим наиболее упрощенный вариант, который позволит получить очень приблизительный, но, на мой взгляд, понятный результат. Поэтому постараемся во всем разобраться поэтапно.

Настоящий транзистор имеет несколько особенностей, которые следует учитывать при проектировании схемы.Например, если на базу подать сигнал небольшой амплитуды, то на выходе ничего не будет — транзистор просто не откроется. Чтобы на выходе появился сигнал, его нужно немного приоткрыть, т.е. подать на базу напряжение смещения порядка 0,7В. Обычно это напряжение подается с делителем напряжения. На номиналы резисторов мы пока не обращаем внимания, расчет будет немного дальше.

В следующий момент, когда транзистор открывается, то ток будет течь по цепи коллектор-эмиттер, а когда транзистор полностью открыт, ток будет ограничиваться только источником питания.Следовательно, транзистор может перегореть. Значение максимального тока указано в инструкции, поэтому для ограничения тока в цепь коллектора помещается токоограничивающий резистор (как для светодиода).

Осталось добавить резистор в цепь эмиттера. Смысл его в том, что при изменении напряжения на выходе под воздействием температуры окружающей среды изменяется и ток коллектора. Поскольку токи коллектора и эмиттера одинаковы, напряжение на резисторе эмиттера также изменяется.Напряжения базы и эмиттера связаны формулой U be = U b — U NS. получается, что если напряжение на выходе увеличится, то на базе будет уменьшаться, а транзистор закроется и наоборот. Таким образом, транзистор саморегулируется, предотвращая изменение напряжения под воздействием внешних факторов, т.е. резистор эмиттера действует как отрицательная обратная связь.

Напомним, что коэффициент усиления находится в довольно широком диапазоне.Поэтому эмиттерный резистор, помимо обратной связи, позволяет управлять величиной усиления схемы. Отношение сопротивления коллектора к эмиттеру примерно равно Ku.

Любой источник сигнала имеет собственное внутреннее сопротивление, поэтому для предотвращения протекания тока от внешнего источника VCC через источник V1 устанавливается блокировочный конденсатор C1. В результате мы получили схему усилителя с общим эмиттером.


Чтобы избежать искажения сигнала, к базе должно быть приложено напряжение смещения, т.е.е. транзистор должен быть постоянно открыт, поэтому даже при отсутствии сигнала на входе ток будет постоянно течь по цепи коллектор-эмиттер. Этот ток называется током покоя, его рекомендуемое значение 1-2 мА. Остановимся на 1 мА.

Теперь вам нужно выбрать резисторы R3 и R4, их значение будет определять ток покоя, но необходимо учитывать, что транзистор не сможет усилить напряжение ниже 0,7 В, поэтому выходной сигнал обычно колеблется около некоторой точки. , которое обычно выбирают равным половине напряжения питания.Следовательно, половина напряжения должна падать на этих резисторах, а другая половина — на транзисторе.

R3 + R4 = (Upit / 2) / Ik = 2,5 В / 0,001 = 2,5 кОм.
Требуемый коэффициент усиления равен 10, т.е. R3 должен быть в 10 раз больше, чем R4. Исходя из этого, есть два условия:
R3 + R4 = 2500
R3 = 10 * R4

Подставьте второе выражение в первую формулу
10R4 + R4 = 2500
11R4 = 2500
R4 = 227 Ом ближайший действительный номинал 220 Ом
R3 = 10 * R4 = 2270 ближайший номинал 2.2кОм

Пересчитаем среднее напряжение на выходе с учетом выбранных резисторов:
Uk = Usup- (Rk * Ik) = 5-2,2 * 0,001 = 2,8В

Теперь необходимо рассчитать ток базы, для транзистора BC547C h31min = 420
Ib = (Upit / (Rk + Re)) / h31 = (5 / (2200 + 220)) / 420 = 0.00000492A

Ток делителя R1, R2 должен быть в 5-10 раз больше тока базы, чтобы не влиять на него
Id = Ib * 10 = 0,0000492A

Рассчитаем полное сопротивление делителя R1, R2
R12 = Упит / Id = 5/0.0000492 = 101692 Ом

Напряжение Ube характерно для всех транзисторов, находится в пределах 0,55-0,7В. По знакомой формуле рассчитываем напряжение в базе:
Ub = Ue + Ube = 0,22 + 0,66 = 0,88V

Отсюда рассчитываем сопротивление R2:
Rb2 = (Rb1 + Rb2) * Ub / Ep = (101 * 0,88) / 5 = 17 776 или 18 кОм по номинальной строке

Из их суммы R1, R2 можно найти R1
R1 = R12-R2 = 101-18 = 83 кОм или 82 кОм от существующих

Остается только блокирующий конденсатор, его значение должно быть больше
C >> 1/2 * pi * f * R2 || R1 f — нижняя граница усиленной частоты, принять 20 Гц
C = 1 / (6.28 * 20 * 82000) = 0,09мкФ, можно поставить 0,47мкФ

В результате мы получили следующую схему:


Как видите, выходной вольтметр показывает 432мВ, т.е. коэффициент усиления схемы оказался Ku = 432/50 ~ 8.5. Чуть меньше, чем ожидалось, но в целом неплохо. И еще, графики показывают, что сигнал, как уже было сказано, смещен относительно нуля, можно убрать постоянную составляющую, поставив на выход конденсатор. Также обратите внимание, что усиленный сигнал смещен на 180 градусов от входного сигнала.

Страшное слово — Транзистор

Ну собственно, пройдя семь скучных и бесполезных глав про всю ерунду =), мы подошли к самому интересному и захватывающему. Перед транзистором.

Современная электроника не могла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая сложная микросхема где-то в глубине своей силиконовой души состоит из одних и тех же транзисторов. Только очень маленькие.

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


Позвольте мне объяснить. Все мы хоть раз ехали поездом, поездом или хотя бы трамваем. Когда поезд замедляется, всегда слышно характерное шипение. Это пневматический тормозной привод. Другими словами, сжатый воздух поступает от бака к тормозам. Тормозные колодки соединены с поршнем. Когда сжатый воздух начинает давить на поршень, поршень движется вперед и плотно прижимает колодки к колесу.Поезд тормозит … А почему к поршню начинает поступать воздух? Наверное, этого и хочет водитель. Он открывает клапан в своей кабине, и воздух выходит. Все до неприличия просто!

Небольшая пояснительная картинка:


Теперь зададимся вопросом, мог ли машинист остановить поезд, если бы рычаг тормоза был напрямую соединен с тормозными колодками? Возможно нет. Как бы он ни качки, человек не может остановить поезд. А сжатый воздух облегчает это, просто откройте клапан.

Посмотрим, что получилось: водитель тратит мало энергии на нажатие рычага тормоза. Клапан открывается, и мощный поток сжатого воздуха с гораздо большей энергией прижимает тормозные колодки. То есть клапан можно назвать усилительным элементом, усиливающим слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Могу вас заверить, что в транзисторе все точно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электричество… Транзистор имеет три вывода: коллектор, эмиттер и базу.


Между коллектором и эмиттером протекает сильный ток, он называется коллекторным током (Ic), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Ib). Величина тока коллектора зависит от величины базового тока, так же как давление сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем ток коллектора всегда в определенное количество раз превышает ток базы.Это значение называется коэффициентом усиления по току, обозначается , h31e, … У разных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

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

h31e = Ik / Ib

Чтобы рассчитать ток коллектора, необходимо умножить ток базы на коэффициент усиления:

Ik = Ib * h31e

Рисуем схему.


В этой схеме транзистор регулирует яркость лампочки.Другими словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то ток, протекающий через нее, является током коллектора.

Базовый ток управления ограничен R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h31e), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой ток коллектора нам нужен, мы всегда можем рассчитать ток базы и выбрать соответствующий резистор.

Давайте немного посчитаем 🙂

.

Пусть наша лампочка потребляет ток 0,33 А,
и транзистор имеет h31e = 100.
Какой базовый ток нужен для того, чтобы лампочка горела при полном накале?
А какое будет сопротивление R1?

Полное свечение — это когда ток потребления равен номинальному.
Номинал — 0,33 А. Таким образом, требуемый ток коллектора составляет 0,33 А.
Ток базы должен быть меньше тока коллектора в h31e раз.То есть 100 раз. То есть он должен быть равен 0,33 / 100 = 0,0033А = 3,3 мА.
Ура, решили !!!

GaN HEMT — Транзистор из нитрида галлия

Транзисторы из нитрида галлия (GaN)

обладают фундаментальными преимуществами по сравнению с кремнием. В частности, более высокое критическое электрическое поле делает его очень привлекательным для силовых полупроводниковых устройств с выдающимся удельным динамическим сопротивлением в открытом состоянии и меньшей емкостью по сравнению с кремниевыми полевыми МОП-транзисторами, что делает GaN-HEMT идеальным вариантом для приложений с высокоскоростной коммутацией.В этом случае транзисторы из нитрида галлия могут работать с уменьшенным временем нечувствительности, что приводит к повышению эффективности и пассивному охлаждению. Работа на высоких частотах переключения позволяет уменьшить объем пассивных компонентов, что повышает надежность GaN HEMT и общую удельную мощность.

Наиболее важной особенностью силового транзистора на основе GaN является его способность к обратному восстановлению. Поскольку в транзисторах Infineon CoolGaN ™ нет неосновных носителей и нет внутреннего диода, они не демонстрируют обратного восстановления.Следовательно, топологии с жестким переключением, такие как тотемно-полюсный PFC, могут использоваться для достижения более высокой эффективности, например, в источниках питания центров обработки данных и серверов, с целью экономии энергии и сокращения OPEX.

Infineon CoolGaN ™ — это высокоэффективная технология транзисторов на основе GaN (нитрида галлия) для преобразования энергии в диапазоне напряжений до 600 В. Благодаря обширному опыту работы на рынке полупроводников, технология GaN от Infineon довела концепцию электронного режима до совершенства и обеспечила непрерывное производство в больших объемах.Новаторское качество гарантирует высочайшие стандарты и предлагает самое надежное и производительное решение среди всех GaN HEMT на рынке.

Импульсные силовые цепи, использующие CoolGaN ™, могут выиграть от улучшенной энергоэффективности и улучшенной плотности мощности, что невозможно с современными кремниевыми устройствами. В высокочастотных операциях, выше 200–250 кГц, скорость переключения является ключевым фактором для определения того, как происходит передача энергии. Сверхбыстрая скорость переключения CoolGaN ™ от Infineon обеспечивает очень короткое мертвое время.При прогнозируемом сроке службы более 15 лет и частоте отказов менее 1 FIT заказчики могут рассчитывать на его надежность и качество.

Транзисторы

— обзор | Темы ScienceDirect

8.4.3 Силовые транзисторы

Транзистор представляет собой трехслойное трехполюсное устройство. Это может быть биполярный переходной транзистор (BJT) или металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET). Обычно производители классифицируют транзисторы в соответствии с их областью применения:

Малосигнальные транзисторы общего назначения предназначены для работы с малой и средней мощностью (менее 1 Вт) или для коммутации.

Силовые транзисторы предназначены для работы с большими токами и / или большими напряжениями.

RF (радиочастота) транзисторы предназначены для высокочастотной работы, например, в системах связи.

BJT представляет собой транзистор NPN или PNP, показанный на рис. 8.40, с тремя выводами: базой, коллектором и эмиттером. BJT иногда называют двумя диодами, соединенными последовательно, чтобы получить структуру n-p-n или p-n-p.

Рисунок 8.40. BJT: структура (вверху) и обозначение схемы (внизу), транзистор NPN (слева) и транзистор PNP (справа)

Протекание тока базы (I B ) позволяет увеличить ток коллектора (I C ) для поток. Ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. BJT действует как усилитель тока, хотя во многих случаях этот ток пропускается через резистор для создания напряжения. Соединяя BJT с резисторами (и конденсаторами), полученные схемы могут обеспечивать усиление как тока, так и напряжения.

MOSFET представляет собой транзистор nMOS или pMOS, показанный на рис. 8.41, с тремя выводами: затвор, сток и исток. Некоторые полевые МОП-транзисторы также имеют четвертое соединение, основную часть или подложку, но с трехконтактным устройством основная часть внутренне соединена с истоком транзистора.

Рисунок 8.41. MOSFET: структура (вверху) и обозначение схемы (внизу), nMOS-транзистор (слева) и pMOS-транзистор (справа)

Приложение напряжения между затвором и истоком (V GS ) MOS-транзистора (напряжение больше чем пороговое напряжение для транзистора) позволяет протекать току стока (I D ).Вход затвора в транзистор является емкостным, и в устройстве протекает только небольшой ток затвора (ток утечки в неидеальном конденсаторе). (В простом анализе этот ток затвора предполагается равным нулю для идеального конденсатора.) МОП-транзистор использует входное напряжение для управления выходным током. Во многих случаях этот ток пропускается через резистор для создания напряжения. Соединяя полевой МОП-транзистор с резисторами (и конденсаторами), полученные схемы могут обеспечивать выход напряжения и тока.

И BJT, и MOSFET могут использоваться для создания схем усилителя или аналоговых фильтров (линейные приложения) или коммутационных приложений (нелинейные приложения).Примеры применения силовых транзисторов:

Управление двигателем постоянного тока

Управление двигателем переменного тока

Управление шаговым двигателем

выходной каскад аудиосигнала усилителя, управляющего динамиками)

импульсных источников питания

Для силового транзистора область безопасной эксплуатации (SOAR) определяет безопасные пределы работы транзистора с точки зрения рабочих напряжений и токи для непрерывной работы (уровни постоянного тока и напряжения), а также для уровней, которые превышают область непрерывной работы в течение ограниченного периода времени.При использовании в качестве переключателя (особенно применимо для управления двигателем) необходимо учитывать время включения и выключения, чтобы гарантировать правильную работу схемы, в которой используется транзистор. Если схема пытается слишком быстро включать и выключать транзистор, транзистор не может реагировать достаточно быстро, и результатом будет неправильная работа схемы.

Выбор силового транзистора для использования зависит от ряда факторов:

наличие транзистора, способного работать при требуемых уровнях напряжения, тока и температуры

максимум транзистора рассеиваемая мощность

подходящий корпус — корпус транзистора (два примера показаны на рисунке 8.42) требуется для крепления транзистора к печатной плате или корпусу и для отвода тепла, выделяемого внутри корпуса.

Рис. 8.42. Примеры корпусов силовых транзисторов

размер транзистора

материал корпуса (пластик, керамика или металл) — когда в корпусе корпуса используется металл, одна из клемм устройства должна быть электрически подключен к корпусу

Сопротивление включения и выключения — когда полевой МОП-транзистор используется в качестве переключателя

стоимость

Когда транзистор используется в качестве усилителя, создается схема усилителя. один из пяти классов усилителя (Таблица 8.13). Каждый класс имеет рейтинг эффективности, который описывает количество мощности, подаваемой на нагрузку схемы (например, электродвигателя), в процентах от мощности, подаваемой на усилитель. 100-процентный КПД означает, что усилитель не рассеивает мощность (в виде тепла), но 100-процентный КПД недостижим.

Таблица 8.13. Классы усилителя

Класс усилителя Описание
Класс A Транзистор проводит в течение всего периода входного сигнала.КПД низкий, максимум 25%.
Класс B Транзистор проводит в течение одной половины периода входного сигнала. КПД выше, максимум около 78%.
Класс AB Усилитель работает где-то между классом A и классом B.
Класс C Транзистор проводит менее половины периода входного сигнала. КПД приближается к 100%, но дает большие искажения входного сигнала.
Класс D Транзистор используется в качестве переключателя (ВКЛ или ВЫКЛ) и производит усилитель с хорошим КПД. Их часто называют переключающими усилителями или переключаемыми усилителями.

Силовые транзисторы могут использоваться в управлении двигателем, чтобы обеспечить управление скоростью, положением или крутящим моментом двигателя. Пример схемы транзисторного усилителя для управления скоростью электродвигателя постоянного тока показан на рисунке 8.43:

Рисунок 8.43. Управление скоростью двигателя без обратной связи

Схема работает от двухканального источника питания, где + V S — положительное напряжение источника питания, а –V S — отрицательное напряжение источника питания.

Пользователь устанавливает положение потенциометра для получения напряжения, которое представляет требуемую скорость двигателя.

Выход потенциометра буферизируется с помощью операционного усилителя.

Выход операционного усилителя управляет усилителем класса B.

Усилитель класса B управляет двигателем постоянного тока.

В усилителе класса B используются один транзистор NPN и один транзистор PNP.Когда входное напряжение (выходное напряжение операционного усилителя) положительное (по отношению к общему узлу), NPN-транзистор проводит. Ток течет от положительного источника питания к общему узлу через двигатель, и двигатель вращается в одном направлении. Когда входное напряжение (выходное напряжение операционного усилителя) отрицательное (по отношению к общему узлу), транзистор PNP проводит. Ток течет от общего узла к отрицательному источнику питания через двигатель, и двигатель вращается в другом направлении.Два диода с обратным смещением подключены к узлам коллектор-эмиттер транзистора и используются для защиты транзисторов от высоких напряжений, которые могут возникать из-за быстро меняющихся токов в индуктивных катушках двигателя.

Это пример системы без обратной связи, в которой напряжение, приложенное к двигателю от схемы контроллера, заставляет двигатель вращаться. Изменение напряжения двигателя приведет к тому, что двигатель будет вращаться с другой скоростью. Одна потенциальная проблема с этой компоновкой заключается в том, что скорость двигателя изменяется в зависимости от различных нагрузок, подключенных к выходному валу двигателя, даже когда приложенное напряжение является постоянным.

Если скорость вала двигателя измеряется с помощью тахогенератора, напряжение генерируется в соответствии с фактической скоростью двигателя. Если это напряжение затем подается обратно в схему контроллера, как показано на рисунке 8.44, создается замкнутая система, и этот сигнал обратной связи может использоваться для автоматической регулировки скорости двигателя вверх или вниз. Здесь усилитель мощности (символ треугольника) представляет собой схему транзисторного усилителя. Пользовательский ввод устанавливает требуемую скорость, и схема контроллера автоматически регулирует скорость двигателя до правильного значения.Динамика результирующей системы управления зависит от динамики двигателя и используемого алгоритма управления.

Рисунок 8.44. Управление скоростью двигателя с обратной связью

Система управления, показанная на рисунке 8.44, может быть реализована путем разработки цифровой схемы управления с аналоговым входом и выходом. Базовая компоновка показана на Рисунке 8.45. Здесь CPLD реализует алгоритм цифрового управления, такой как пропорционально-интегральное (PI) управление. Скорость двигателя устанавливается пользователем с помощью аналогового напряжения.Полярность вводимой команды определяет направление вращения вала двигателя, а величина определяет скорость вращения вала двигателя.

Рисунок 8.45. Пример управления двигателем постоянного тока через CPLD

Цифровой выход контроллера обеспечивает ввод данных в n-разрядный ЦАП. Выходное напряжение ЦАП подается через схему преобразования сигнала на базе операционного усилителя, которая обеспечивает вход для усилителя класса B. Схема преобразования сигнала на основе ОУ создает выходное напряжение в диапазоне, требуемом для каскада усилителя мощности.Выход усилителя обеспечивает напряжение и ток, необходимые для вращения двигателя в любом направлении.

Тахогенератор вырабатывает напряжение постоянного тока с полярностью, определяемой направлением вращения вала двигателя, и величиной, определяемой скоростью вращения вала двигателя. Это напряжение служит входом для схемы преобразования сигнала на базе операционного усилителя, которая изменяет уровни напряжения тахогенератора до уровней, требуемых n-разрядным АЦП. АЦП преобразует напряжение обратно в цифровое значение, которое обеспечивает цифровое представление напряжения аналогового тахогенератора.

Схема в CPLD обеспечивает функции цифрового алгоритма управления, который управляет напряжением, подаваемым на двигатель.

Каждый АЦП и ЦАП в конструкции требует своего собственного опорного сигнала (обычно напряжения).

Последней частью схемы является источник питания, который получает доступное напряжение источника питания и выдает уровни напряжения источника питания, необходимые для каждой части конструкции.

Примером коммерческого биполярного силового транзистора является транзистор 2N3772 NPN от ST Microelectronics.Это мощный кремниевый транзистор, заключенный в металлический корпус TO-3, и находит применение в таких областях, как линейные усилители и индуктивные коммутационные устройства. В Таблице 8.14 приведены типичные абсолютные максимальные характеристики силового транзистора в различных условиях эксплуатации.

Таблица 8.14. Типовой лист технических данных Абсолютные максимальные значения

9044 В 9044 CEV 9044 Коллектор 9044 см пиковый ток An Примером коммерческого силового МОП-транзистора является N-канальный транзистор STF2NK60Z от ST Microelectronics.Это мощный кремниевый транзистор, доступный в следующих корпусах: TO-92, TO-220, IPAK и TO-220FP. Внутри транзистора находятся защитные стабилитроны. Приложения включают маломощные зарядные устройства, импульсные источники питания и управление люминесцентными лампами.

Транзистор — Energy Education

Рис. 1. [1] Схематическое изображение NPN-транзистора с обозначенными токами коллектора, базы и эмиттера.

Транзисторы — это компоненты электрических цепей, которые могут действовать как усилители и переключатели.Транзисторы являются неотъемлемой частью современных схем, сотни миллионов из которых используются в современных интегральных схемах для вычислений. Они являются основой цифровой логики и вычислений, и они стали катализатором революции в электронике. [2] Самым основным типом транзисторов является транзистор с биполярным переходом (см. Рисунок 1).

Типы и функции

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) состоят из трех легированных полупроводников. Транзисторы NPN имеют тонкую область, легированную p-примесью, между двумя секциями, легированными n-n, в то время как транзисторы PNP имеют тонкую область, легированную n-атомом, между двумя секциями, легированными p-типом.Единственное функциональное различие между транзисторами PNP и NPN заключается в смещении каждого PN-диода, необходимого для работы транзистора. [3] Все три области транзистора имеют четкое соединение с внешней схемой (см. Рисунок 2). Концевые области называются коллектором и эмиттером, так что обычный ток течет от коллектора к эмиттеру через NPN-транзистор. [4]

Рис. 2. [3] a) Схема PNP b) Схема PNP c) Схема NPN d) Схема NPN

Биполярные транзисторы работают как регуляторы тока или электронные переключатели.В зависимости от напряжения небольшого тока через базу, гораздо больший ток коллектора-эмиттера может строго контролироваться или отключаться.

Большинство современных транзисторов известны как металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы), которые работают по тем же принципам, что и биполярные транзисторы, но устроены и работают совершенно по-другому. Однако и BJT, и MOSFET имеют одинаковую фундаментальную способность управлять большим током с помощью небольшого. [5]

Для получения дополнительной информации о том, как работают транзисторы, посетите «Все о схемах и моделировании» в разделе «Узнайте о электронике».

использует

Транзисторы повсеместно используются в современной электронике, но наиболее фундаментальное применение транзистора — это электронный переключатель. В режиме отсечки транзистор не пропускает ток между коллектором и эмиттером. В режиме насыщения транзистор допускает неограниченный ток. Эти два различных состояния создают бинарный эффект, который можно использовать для создания логических вентилей, микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. [6] Таким образом, транзистор является фундаментальным компонентом всех цифровых вычислений.

Транзисторы также широко используются в качестве усилителей, поскольку они потребляют небольшой входной ток через базу для создания большего, пропорционального тока между коллектором и эмиттером. Усиление играет ключевую роль во многих схемах, особенно в микрофонах, громкоговорителях, радио, телевизорах, телефонах и слуховых аппаратах. [7] [8] Транзисторное усиление также допускает большие коэффициенты усиления по току и сложные процессы, такие как дифференциальное усиление, когда разница между двумя входными сигналами усиливается. [7]

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Разница между диодом и транзистором (со сравнительной таблицей)

Диод и Транзистор считается основой электронных устройств и схем. Но на этом сходство между этими важнейшими устройствами в области электроники заканчивается. Основное различие между диодом и транзистором состоит в том, что диод — это устройство с двумя выводами, , которое пропускает ток только в одном направлении от анода к катоду.

Напротив, транзистор представляет собой трехполюсное устройство , которое пропускает ток из области с высоким сопротивлением в область с низким сопротивлением . Само слово «транзистор» выражает его функцию, слово «транзистор» образовано от двух слов: Transfer и Resistor . Таким образом, это считается устройством, которое передает сопротивление из одной области в другую.

Существуют определенные факторы, которые различают эти два устройства, такие как область истощения, приложения и т. Д.Все эти факторы мы обсудим с помощью сравнительной таблицы.

Содержимое: диод против транзистора

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия
  4. Заключение


Таблица сравнения
Символ Параметр Единицы
В CE0 Напряжение коллектора-эмиттера (I E = 07
Напряжение коллектор-эмиттер (для установленного ненулевого значения В BE ) В
В CB0 Напряжение коллектор-база (I B = 0) В
В EB0 Напряжение эмиттер-база (I C = 0) В
I c Коллекторный ток A
A
I b Базовый ток A
I bm Базовый пиковый ток A
P tot Полная рассеиваемая мощность при заданных температурных условиях (T C ) W
T stg Температура хранения ° C
Параметры Диод Транзистор
Определение Диод — это устройство с двумя выводами, которое позволяет току проходить только в одном направлении. Транзистор представляет собой трехконтактное устройство, которое позволяет току течь из области с высоким сопротивлением в область с низким сопротивлением
Formation Он образован путем соединения полупроводника P-типа с полупроводником N-типа. Он образован путем размещения слоя материала P-типа или N-типа между двумя материалами N-типа или P-типа на обоих концах.
Обозначение цепи
Слой истощения Образуется только одна область истощения. Образованы две области истощения.
Количество переходов Только один переход между полупроводником P-типа и N-типа. Два перехода образованы один между эмиттером и базой, а другой между базой и коллектором.
Клеммы В диоде 2 клеммы, т. Е. Анод и катод. В транзисторе 3 клеммы: эмиттер, база и коллектор.
Считается Можно рассматривать как выключатель. Его можно рассматривать как выключатель или усилитель.
Приложения Выпрямитель, двойное напряжение, ограничитель и т. Д. Усилитель, осциллятор и т. Д.


Определение

Диод

Диод формируется путем объединения двух полупроводниковых образцов, один из которых представляет собой полупроводник P-типа , а другой — полупроводник N-типа. Переход, образованный соединением этих двух полупроводников, называется PN переходом.Обедняющий слой формируется из-за разной концентрации носителей заряда в обеих областях.

Полупроводник P-типа имеет дырки в качестве основных носителей, в то время как полупроводник N-типа имеет электроны в качестве основных носителей. Теперь поведение PN-перехода будет другим в несмещенном режиме и в режиме смещения.

Давайте сначала обсудим несмещенный режим . В несмещенном режиме электроны из N-области и дырки из P-области будут двигаться к стыку из-за градиента концентрации.Наступает стадия, когда носители заряда больше не диффундируют через переход. Эта стадия называется стадией насыщения .

После этого электроны и дырки, достигшие перехода, рекомбинируют. В связи с этим будет ограничено движение дальнейших мажоритарных перевозчиков. Образованная таким образом область называется обедненным слоем. Это создаст внутреннее электрическое поле.

Теперь переходим к режиму смещения , когда применяется смещение, то есть соединение P-типа с положительной клеммой и N-типа с отрицательной клеммой.Прямой ток начнет течь от анода к катоду. Ширина обедненной области уменьшается с увеличением прямого смещения.

Точно так же ширина обедненного слоя увеличивается при условии обратного смещения в режиме обратного смещения. Ток, протекающий в диоде, возникает из-за неосновных носителей заряда. Это называется обратным током насыщения , потому что он становится насыщенным после определенного обратного напряжения. Далее он не увеличивается с увеличением обратного напряжения.

Обратный ток увеличивается только с повышением температуры .

Транзистор

Транзистор — это трехконтактное устройство, состоящее из трех областей и двух переходов. Области — это эмиттер , база и коллектор . Два перехода — это переход база-эмиттер , и переход база-коллектор .

Эти регионы имеют разные характеристики, и все они разного размера.Эмиттер сильно легирован, поэтому может быть создано больше носителей заряда; база слегка легирована, так что там рекомбинируют только несколько носителей заряда, а коллектор умеренно легирован.

Размер коллектора больше, чем эмиттер, а также коллектор, в то время как размер базы самый маленький среди всех трех регионов. Ширина обедненного слоя между коллектором и базой больше, чем ширина перехода база-эмиттер.

Эмиттер и база подключены к батарее таким образом, что они работают в режиме прямого смещения, в то время как коллектор и база подключены к батарее таким образом, что она становится смещенной в обратном направлении.Следовательно, большинство носителей заряда будут перетекать от эмиттера к базе, а затем от базы к коллектору. Чем больше размер коллектора, тем больше будет собираемых им носителей заряда, а также будет происходить отвод тепла.

Ключевые различия между диодом и транзистором

  1. Ключевое различие между диодом и транзистором состоит в том, что диод — это устройство с двумя выводами, , а транзистор — это устройство с тремя выводами , .
  2. Диод с PN переходом
  3. состоит из одной обедненной области , т.е.е. между P-типом и N-типом, но транзистор состоит из двух обедненных слоев.
  4. Диод рассматривается как переключатель , поскольку он может выполнять переключение, но транзистор может выполнять переключение, а также усиление .
  5. Диоду требуется только один источник батареи для выполнения своей работы, в то время как транзистору нужны два источника батареи для выполнения своей функции.


Заключение

Диод представляет собой однонаправленное устройство с двумя выводами, а транзистор — это устройство с тремя выводами, которое пропускает ток из области с высоким сопротивлением в область с низким сопротивлением через базу.Диод используется в различных приложениях электроники, таких как выпрямитель, ограничитель, фиксатор, умножитель напряжения, переключатели и т. Д. Диод действует как переключатель. Он включен, когда он смещен в прямом направлении, и выключен, когда он смещен в обратном направлении.

Транзистор может работать как переключатель, а также как усилитель. Приложение создает основное различие между диодом и транзистором. Диоды бывают различных типов, такие как стабилитрон , диод PIN , фотодиод , светоизлучающий диод и т. Д.в то время как транзисторы в основном бывают двух типов: биполярный транзистор и полевой транзистор .

Улучшенный ионный транзистор как универсальный интерфейс и устройство обработки в реальном времени для электрофизиологии in vivo.

  • 1.

    Чен Р., Каналес А. и Аникеева П. Технологии нейронной записи и модуляции. Nat. Rev. Mater. 2 , 1–16 (2017).

    CAS Google ученый

  • 2.

    Jeong, J. W. et al. Мягкие материалы в нейроинженерии для решения сложных задач нейробиологии. Нейрон 86 , 175–186 (2015).

    CAS Google ученый

  • 3.

    Someya, T., Bao, Z. & Malliaras, G.G. Рост пластиковой биоэлектроники. Природа 540 , 379–385 (2016).

    CAS Google ученый

  • 4.

    Спиропулос, Г.Д., Гелинас, Дж. Н. и Ходаголы, Д. Внутренний ионно-управляемый органический электрохимический транзистор: строительный блок для интегрированной биоэлектроники. Sci. Adv. 5 , eaau7378 (2019).

    CAS Google ученый

  • 5.

    Fang, H. et al. Ультратонкие перенесенные слои термически выращенного диоксида кремния в качестве биожидкостных барьеров для биоинтегрированных гибких электронных систем. Proc. Natl Acad. Sci. США 113 , 11682–11687 (2016).

    CAS Google ученый

  • 6.

    Kim, D.-H. и другие. Эластичные и складные кремниевые интегральные схемы. Природа 320 , 507–511 (2008).

    CAS Google ученый

  • 7.

    Cho, J. H. H. et al. Ионно-гелевые диэлектрики затвора с высокой емкостью и меньшим временем поляризационного отклика для органических тонкопленочных транзисторов. Adv. Матер. 20 , 686–690 (2008).

    CAS Google ученый

  • 8.

    Kim, S.H. et al. Транзисторы с электролитным затвором для органической и печатной электроники. Adv. Матер. 25 , 1822–1846 (2013).

    CAS Google ученый

  • 9.

    Panzer, M. J. и Frisbie, C. D. Органические полевые транзисторы с полимерным электролитом: низковольтные, сильноточные переключатели для органической электроники и испытательные стенды для исследования электрического транспорта при высокой плотности носителей заряда. J. Am. Chem. Soc. 129 , 6599–6607 (2007).

    CAS Google ученый

  • 10.

    Zare Bidoky, F. et al. Транзисторы с электролитным затвором из ZnO менее 3 В и схемы с ионно-гелевыми диэлектриками с трафаретной печатью и фото-сшивками: новые пути повышения производительности. Adv. Функц. Матер. https://doi.org/10.1002/adfm.201

    8 (2019).

    Google ученый

  • 11.

    Song, E. et al. Гибкие электронные / оптоэлектронные микросистемы с масштабируемым дизайном для хронической биоинтеграции. Proc. Natl Acad. Sci. США 116 , 15398–15406 (2019).

    Google ученый

  • 12.

    Rivnay, J. et al. Органические электрохимические транзисторы. Nat. Rev. Mater. 3 , 17086 (2018).

    CAS Google ученый

  • 13.

    Giovannitti, A. et al. Управление режимом работы органических транзисторов через инжиниринг боковой цепи. Proc. Natl Acad. Sci. США 113 , 12017–12022 (2016).

    CAS Google ученый

  • 14.

    Nielsen, C. B. et al. Молекулярный дизайн полупроводниковых полимеров для высокоэффективных органических электрохимических транзисторов. J. Am. Chem. Soc. 138 , 10252–10259 (2016).

    CAS Google ученый

  • 15.

    Schmode, P. et al. Высокоэффективные органические электрохимические транзисторы на основе сополимеров сопряженных полиэлектролитов. Chem. Матер. 31 , 5286–5295 (2019).

    CAS Google ученый

  • 16.

    Бернардс Д. А. и Маллиарас Г. Г. Устойчивое и переходное поведение органических электрохимических транзисторов. Adv. Функц. Матер. 17 , 3538–3544 (2007).

    CAS Google ученый

  • 17.

    Stavrinidou, E. et al. Прямое измерение подвижности ионов в проводящем полимере. Adv. Матер. 25 , 4488–4493 (2013).

    CAS Google ученый

  • 18.

    Ходаголы Д. и др. Матрицы органических электрохимических транзисторов с высокой скоростью и высокой плотностью. Заявл. Phys. Lett. 99 , 163304 (2011).

    Google ученый

  • 19.

    Crispin, X. et al. Причина высокой проводимости пластиковых электродов поли (3,4-этилендиокситиофен) — поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS). Chem. Матер. 18 , 4354–4360 (2006).

    CAS Google ученый

  • 20.

    Spyropoulos, G.D. et al. Органические и перовскитовые солнечные модули, оснащенные клеевым верхним электродом и лазерным рисунком с разрешением по глубине. Energy Environ. Sci. 9 , 2302–2313 (2016).

    CAS Google ученый

  • 21.

    Zhou, Y. et al. Универсальный метод изготовления электродов с низкой работой выхода для органической электроники. Org. Электрон. 873 , 327–332 (2012).

    Google ученый

  • 22.

    Lin, Z. et al. Полиэлектролитный комплекс с регулируемой работой выхода (PEI: PSS) в качестве катодного межфазного слоя для инвертированных органических солнечных элементов. J. Mater. Chem. А 2 , 7788–7794 (2014).

    CAS Google ученый

  • 23.

    Суан, Ю., Сандберг, М., Берггрен, М., Криспин, X. Полностью полимерно-воздушная батарея PEDOT. Org. Электрон. Phys. Матер. Прил. 13 , 632–637 (2012).

    CAS Google ученый

  • 24.

    Van de Burgt, Y. et al. Энергонезависимое органическое электрохимическое устройство как низковольтный искусственный синапс для нейроморфных вычислений. Nat. Матер. 16 , 414–418 (2017).

    Google ученый

  • 25.

    Зозуленко И. и др. Поляроны, биполяроны и абсорбционная спектроскопия ПЭДОТ. ACS Appl. Polym. Матер. 1 , 83–94 (2019).

    CAS Google ученый

  • 26.

    Рави Кумар, М. Н. В. Обзор применения хитина и хитозана. React. Функц.Polym. 46 , 1-27 (2000).

    Google ученый

  • 27.

    Jiang, H. L. et al. Хитозан-трансплант-полиэтиленимин как носитель гена. J. Control. Выпуск 117 , 273–280 (2007).

    CAS Google ученый

  • 28.

    Ходаголы Д. и др. Запись активности мозга in vivo с использованием органических транзисторов. Nat. Commun. 4 , 1575 (2013).

    Google ученый

  • 29.

    Ходаголы Д. и др. Органические электрохимические транзисторы с высокой крутизной. Nat. Commun. 4 , 2133 (2013).

    Google ученый

  • 30.

    Rivnay, J. et al. Высокопроизводительные транзисторы для биоэлектроники за счет настройки толщины каналов. Sci. Adv . 1 e1400251 (2015).

    Google ученый

  • 31.

    Инал, С., Маллиарас, Г. Г. и Ривнай, Дж. Сравнительный анализ органических смешанных проводников для транзисторов. Nat. Commun. 8 , 1767 (2017).

    Google ученый

  • 32.

    Ходаголы Д. и др. NeuroGrid: запись потенциалов действия с поверхности мозга. Nat. Neurosci. 18 , 310–315 (2015).

    CAS Google ученый

  • 33.

    Крук-Магнусон, Э., Гелинас, Дж. Н., Солтес, И. и Бужаки, Г. Нейроэлектроника и биооптика: технологии с обратной связью при неврологических расстройствах. JAMA Neurol. 72 , 823–829 (2015).

    Google ученый

  • 34.

    Чой, Х. Х., Чо, К., Фрисби, К. Д., Сиррингхаус, Х. и Подзоров, В. Критическая оценка извлечения подвижности заряда в полевых транзисторах. Nat. Матер. 17 , 2–7 (2018).

    CAS Google ученый

  • 35.

    Rivnay, J. et al. Структурный контроль смешанного ионного и электронного транспорта в проводящих полимерах. Nat. Commun. 7 , 11287 (2016).

    Google ученый

  • 36.

    Подзоров В. Органические монокристаллы: к основам органической электроники. MRS Bull. 38 , 15–24 (2013).

    Google ученый

  • 37.

    Crone, B. et al. Крупномасштабные комплементарные интегральные схемы на органических транзисторах. Природа 403 , 521 (2000).

    CAS Google ученый

  • 38.

    Kim, Y. et al. Биоинспирированный гибкий органический искусственный афферентный нерв. Наука 360 , 998–1003 (2018).

    CAS Google ученый

  • 39.

    Sessolo, M. et al. Простые в изготовлении матрицы микроэлектродов из проводящего полимера. Adv. Матер. 25 , 2135–2139 (2013).

    CAS Google ученый

  • 40.

    Ходаголы, Д., Гелинас, Дж. Н. и Бужаки, Г. Связь между пульсационными колебаниями в ассоциативной коре и гиппокампе, улучшенная обучением. Наука 372 , 369–372 (2017).

    Google ученый

  • 41.

    Peyrache, A., Battaglia, F. P. & Destexhe, A. Ингибирование рекрутирования в префронтальной коре во время сна веретена и блокировки входов гиппокампа. Proc. Natl Acad. Sci. США 108 , 17207–17212 (2011).

    CAS Google ученый

  • 42.

    Хан, Ф., Тэр, Р. С., Ореффо, Р. О. и Брэдли, М. Универсальные биосовместимые полимерные гидрогели: каркасы для роста клеток. Angew. Chem. Int. Эд. 48 , 978–982 (2009).

    CAS Google ученый

  • 43.

    Buzsaki, G. Резкая волновая рябь в гиппокампе: когнитивный биомаркер эпизодической памяти и планирования. Гиппокамп 25 , 1073–1188 (2015).

    Google ученый

  • 44.

    Моррелл, М. Дж. Реагирующая корковая стимуляция для лечения трудноизлечимой с медицинской точки зрения парциальной эпилепсии. Неврология 77 , 1295–1304 (2011).

    Google ученый

  • 45.

    González Otárula, K. A., Mikhaeil-Demo, Y., Bachman, E. M., Balaguera, P. & Schuele, S. Точность автоматического обнаружения приступов при амбулаторных записях ЭЭГ. Неврология 92 , e1540 – e1546 (2019).

    Google ученый

  • 46.

    Buzsáki, G., Anastassiou, C. A. и Koch, C. Происхождение внеклеточных полей и токов — ЭЭГ, ЭКоГ, LFP и спайков. Nat. Rev. Neurosci. 13 , 407–420 (2012).

    Google ученый

  • 47.

    Gelinas, J. N., Khodagholy, D., Thesen, T., Devinsky, O. & Buzsáki, G. Межприступные эпилептиформные разряды вызывают гиппокампально-кортикальное сцепление при височной эпилепсии. Nat. Med. 22 , 641–648 (2016).

    CAS Google ученый

  • 48.

    Инал, С.и другие. Электрохимический транзистор с высокой крутизной и накоплением. Adv. Матер. 26 , 7450–7455 (2014).

    CAS Google ученый

  • 49.

    Viventi, J. et al. Гибкий, складной, активно мультиплексированный электродный массив высокой плотности для картирования активности мозга in vivo. Nat. Neurosci. 14 , 1599–1605 (2011).

    CAS Google ученый

  • 50.

    Zeglio, E. et al. Смеси сопряженных полиэлектролитов для электрохромных и электрохимических транзисторных устройств. Chem. Матер. 27 , 6385–6393 (2015).

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *