Транзистор в ключевом режиме: Расчет биполярного транзистора в ключевом режиме с резистивной нагрузкой

Содержание

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)/(I

б+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.

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

Одна из простейших схем транзисторного ключа приведена на рис. 6.22, а временные диаграммы для этой схемы – на рис. 6.23. Схема с общим эмиттером используется в транзисторном ключе чаще всего потому, что по сравнению с другими схемами может быть получен максимальный коэффициент усиления по мощности.

Рис. 6.22. Схема транзисторного ключа

При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения Ucм (рис. 6.23, а). Состояние отсечки соответствует положению – «разомкнутый контакт». Источник положительного напряжения смещения + Ucм вводится в цепь базы для ограничения не равного нулю тока IКО, проходящего через цепь нагрузки. При подаче отрицательного управляющего сигнала (рис. 6.23, б), амплитуда которого превышает значение напряжения смещения, на базу транзистора подается отрицательный сигнал (рис. 6.23, в) и он переходит в состояние насыщения, которое аналогично замкнутому контакту. В закрытом состоянии потенциал коллектора (Uвых) близок к (–UК), в открытом – к (+UК) (рис. 6.23, г).

Для обеспечения режима насыщения необходимо, чтобы значение тока базы соответствовало следующему условию (рис. 6.23, д):

IБ нас  IК нас/мин, (6.16)

где IК нас – ток коллектора в режиме насыщения;

мин – минимальный статический коэффициент усиления транзистора.

Рис. 6.23. Временные диаграммы в схеме транзисторного ключа

При открытии транзистора ток эмиттера IЭ появляется практически мгновенно (рис. 6.23, е), его задают в ключевых схемах на 20-30 % больше номинального тока IЭ ном. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение

(6.17)

называется коэффициентом (глубиной) насыщения.

Ток в цепи коллектора (рис. 6.23, ж) появляется позже на время задержки включения (t2 – t1), которое затрачивается на диффузионное перемещение через базу инжектированных носителей. Это время незначительно и в случае приближенных расчетов им пренебрегают.

Разность (t3 – t2) – время фронта импульса коллекторного тока (на уровне IК=Iк нас заканчивается переходный процесс в коллекторной цепи).

Разность (t4 – t3) – время продолжения переходного процесса в базе, так как концентрация инжектированных носителей зарядов при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время возрастать.

Момент окончания переходного процесса в транзисторе соответствует моменту времени t4.

Разность (t4 – t1) – время установления, соответствует времени заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода.

Разность (t6 – t5) – время задержки включения, при котором IК = IКнас.

Приложение к эмиттерному переходу обратного напряжения вызывает в начальный момент значительный обратный ток вследствие насыщения перехода свободными носителями зарядов. Этот ток протекает до момента времени t7. После момента времени t5 – подачи запирающего напряжения в коллекторной цепи, и момента времени t7 в цепи эмиттера токи начинают снижаться, что связано с рассасыванием накопленного заряда в базе.

Завершение переходного процесса происходит в момент времени t8.

Разность (t8 – t6) – время спада импульса коллекторного тока.

Pnp транзистор в режиме ключа

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

  1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
  2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

  1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
  2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
  3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
  4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

  1. P-N-P.
  2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

  1. От микроконтроллера через переход «база – эмиттер».
  2. При этом канал «коллектор – эмиттер» открывается.
  3. Через канал «коллектор – эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов – около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер – коллектор» может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер – коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор – эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор – эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база – эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

  1. Биполярный транзистор.
  2. Резистор для ограничения входного тока.
  3. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор – эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер – бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, – обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база – эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора – надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить – просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой.

С чего все начиналось

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку – ток побежал, отжали – получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку – сигнал есть, отжали пипку – сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между “включено” и “выключено” мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор “R” здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Базовая схема транзисторного ключа

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антенной, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится!

Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз при отключении заземлять базу? В идеале – да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме “отсечки“.

Расчет транзисторного ключа

Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:

Для начала можно найти ток базы:

IБ – это базовый ток, в Амперах

kНАС– коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

IK– коллекторный ток, в Амперах

Ну а дальше дело за малым

Это самый простой расчет без всяких заморочек.

Расчет транзисторного ключа на практике

Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения. На базу будем подавать распространенное питание в 5 В.

Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б и лампочку-нагрузку для нашего транзисторного ключа. Лампочка на 6 В.

Транзистор КТ819Б структуры NPN

А вот и его цоколевка

Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.

Лампочка при питании 6 В светит примерно вот так:

А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее соединить напрямую к блоку питания.

0,23 Ампера. Именно такую силу тока должна кушать наша лампочка в режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт. То есть это у нас будет коллекторный ток Ik . Так как сопротивление нити накала лампочки меняется при подключении ее к источнику питания, то лучше всего сразу же измерить ее силу тока, как мы и сделали.

Теперь дело за малым. Надо замерить коэффициент бета. Для этого случая на моем рабочем столе есть прибор транзисторметр. Итак, у меня получилось значение 148

Итак, находим ток базы по формуле

Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Здесь уже вы сами должны выбрать значение коэффициента насыщения. Как я уже писал выше, чем больше коэффициент, тем сильнее уходит транзистор в режим насыщения. Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=UКЭ х IН

P – это мощность в Ваттах

UКЭ – напряжение между коллектором и эмиттером, В

IН – сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А

Из формулы: чем меньше UКЭ , тем меньше будет греться транзистор

Поэтому, берем среднее значение коэффициента насыщения равное 3. Получаем:

Теперь считаем базовый резистор по формуле:

Берем ближайший из ряда, то есть 1 кОм.

Давайте посмотрим, будет ли работать наш транзисторный ключ? Итак, RБ берем рассчитанное значение в 1 кОм.

Собираем схему и смотрим, как она работает

В данном случае синие провода – это питание с Bat2 (MEILI), а другие два провода – это питание с блока питания Bat1 (YaXun)

Как вы помните, лампочка у нас потребляла силу тока в 0,23 Ампер при прямом включении ее к блоку питания. Сейчас же она кажет почти то же самое значение с небольшой погрешностью. Но можно все равно сказать, что при открытом транзисторном ключе сопротивление коллектора-эмиттера очень мало. То есть все напряжение поступает на лампу.

Так как амперметр на YaXun стрелочный и не может измерять очень маленькие значение тока, то воспользуемся мультиметром и посмотрим, сколько же потребляет наш транзистор в режиме полного открытия. Для этого ставим мультиметр в разрыв цепи. Более подробно, как измерять силу тока и напряжение мультиметром, вы можете прочитать в этой статье.

Мы получили 4,5 мА. Очень близко к расчетному 4,7 мА. Не забываем подтянуть базу к земле резистором большим номиналом RБЭ, иначе база может поймать помеху и открыть невзначай транзистор, что приведет к ложному срабатыванию. В нашем случае мы берем резистор от 10 кОм и более.

Ну все, такой транзисторный ключ будет уже защищен от ложных срабатываний и его можно использовать в своих электронных безделушках.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Заключение

В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.

Биполярные транзисторы, их схемы включения

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов.

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда – электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей – электроны или дырки. В этой статье будут рассмотрены биполярные транзисторы.

Долгое время транзисторы в основном были германиевыми, и имели структуру p-n-p, что объяснялось возможностями технологий того времени. Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, — не более 60. .70 градусов Цельсия. При более высоких температурах транзисторы становились неуправляемыми, а затем и вовсе выходили из строя.

Со временем кремниевые транзисторы начали вытеснять германиевых собратьев. В настоящее время в основном они, кремниевые, и применяются, и в этом нет ничего удивительного. Ведь кремниевые транзисторы и диоды (практически все типы) сохраняют работоспособность до 150…170 градусов. Кремниевые транзисторы также являются «начинкой» всех интегральных микросхем.

Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили переворот в электронике, удивили и потрясли мир. Если бы не было транзисторов, то многие современные приборы и устройства, такие привычные и близкие, просто не появились на свет: представьте себе, например, мобильный телефон на электронных лампах!

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 1 показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Рисунок 1.

Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные – 3…30 МГц, высокочастотные – свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы.

Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками.

Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов.

Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, — усилители, телевидение, радио, связь и т.д.

Для упрощения изложения здесь будут рассматриваться схемы на транзисторах структуры n-p-n. Все что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к транзисторам p-n-p. Достаточно только поменять полярность источников питания, электролитических конденсаторов и диодов, если таковые имеются, чтобы получить работающую схему.

Схемы включения транзисторов

Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунке 2.

Рисунок 2.

Но прежде, чем перейти к рассмотрению этих схем, следует познакомиться с тем, как работает транзистор в ключевом режиме. Это знакомство должно упростить понимание работы транзистора в режиме усиления. В известном смысле ключевую схему можно рассматривать как разновидность схемы с ОЭ.

Работа транзистора в ключевом режиме

Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме.

Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. В августовском номере журнала «Радио» 1959 года была опубликована статья Г. Лаврова «Полупроводниковый триод в режиме ключа». Автор статьи предлагал регулировать частоту вращения коллекторного двигателя изменением длительности импульсов в обмотке управления (ОУ). Теперь подобный способ регулирования называется ШИМ и применяется достаточно часто. Схема из журнала того времени показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Но ключевой режим используется не только в системах ШИМ. Часто транзистор просто что-то включает и выключает.

В этом случае в качестве нагрузки можно использовать реле: подали входной сигнал — реле включилось, нет — сигнала реле выключилось. Вместо реле в ключевом режиме часто используются лампочки. Обычно это делается для индикации: лампочка либо светит, либо погашена. Схема такого ключевого каскада показана на рисунке 4. Ключевые каскады также применяются для работы со светодиодами или с оптронами.

Рисунок 4.

На рисунке каскад управляется обычным контактом, хотя вместо него может быть цифровая микросхема или микроконтроллер. Лампочка автомобильная, такая применяется для подсветки приборной доски в «Жигулях». Следует обратить внимание на тот факт, что для управления используется напряжение 5В, а коммутируемое коллекторное напряжение 12В.

Ничего странного в этом нет, поскольку напряжения в данной схеме никакой роли не играют, значение имеют только токи. Поэтому лампочка может быть хоть на 220В, если транзистор предназначен для работы на таких напряжениях. Напряжение коллекторного источника также должно соответствовать рабочему напряжению нагрузки. С помощью подобных каскадов выполняется подключение нагрузки к цифровым микросхемам или микроконтроллерам.

В этой схеме ток базы управляет током коллектора, который, за счет энергии источника питания, больше в несколько десятков, а то и сотен раз (зависит от коллекторной нагрузки), чем ток базы. Нетрудно заметить, что происходит усиление по току. При работе транзистора в ключевом режиме обычно для расчета каскада пользуются величиной, называемой в справочниках «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала», — в справочниках обозначается буквой β. Это есть отношение тока коллектора, определяемого нагрузкой, к минимально возможному току базы. В виде математической формулы это выглядит вот так: β = Iк/Iб.

Для большинства современных транзисторов коэффициент β достаточно велик, как правило, от 50 и выше, поэтому при расчете ключевого каскада его можно принять равным всего 10. Даже, если ток базы и получится больше расчетного, то транзистор от этого сильнее не откроется, на то он и ключевой режим.

Чтобы зажечь лампочку, показанную на рисунке 3, Iб = Iк/β = 100мА/10 = 10мА, это как минимум. При управляющем напряжении 5В на базовом резисторе Rб за вычетом падения напряжения на участке Б-Э останется 5В – 0,6В = 4,4В. Сопротивление базового резистора получится: 4,4В / 10мА = 440 Ом. Из стандартного ряда выбирается резистор с сопротивлением 430 Ом. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б–Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Для того, чтобы база транзистора при размыкании управляющего контакта не осталась «висеть в воздухе», переход Б–Э обычно шунтируется резистором Rбэ, который надежно закрывает транзистор. Об этом резисторе не следует забывать, хотя в некоторых схемах его почему-то нет, что может привести к ложному срабатыванию каскада от помех. Собственно, все про этот резистор знали, но почему-то забыли, и лишний раз наступили на «грабли».

Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы при размыкании контакта напряжение на базе не оказалось бы меньше 0,6В, иначе каскад будет неуправляемым, как будто участок Б–Э просто замкнули накоротко. Практически резистор Rбэ ставят номиналом примерно в десять раз больше, нежели Rб. Но даже если номинал Rб составит 10Ком, схема будет работать достаточно надежно: потенциалы базы и эмиттера будут равны, что приведет к закрыванию транзистора.

Такой ключевой каскад, если он исправен, может включить лампочку в полный накал, или выключить совсем. В этом случае транзистор может быть полностью открыт (состояние насыщения) или полностью закрыт (состояние отсечки). Тут же, сам собой, напрашивается вывод, что между этими «граничными» состояниями существует такое, когда лампочка светит вполнакала. В этом случае транзистор наполовину открыт или наполовину закрыт? Это как в задаче о наполнении стакана: оптимист видит стакан, наполовину налитый, в то время, как пессимист считает его наполовину пустым. Такой режим работы транзистора называется усилительным или линейным.

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

Практически вся современная электронная аппаратура состоит из микросхем, в которых «спрятаны» транзисторы. Достаточно просто подобрать режим работы операционного усилителя, чтобы получить требуемый коэффициент усиления или полосу пропускания. Но, несмотря на это, достаточно часто применяются каскады на дискретных («рассыпных») транзисторах, и поэтому понимание работы усилительного каскада просто необходимо.

Самым распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ). Причина такой распространенности, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и по току. Наиболее высокий коэффициент усиления каскада ОЭ обеспечивается когда на коллекторной нагрузке падает половина напряжения источника питания Eпит/2. Соответственно, вторая половина падает на участке К-Э транзистора. Это достигается настройкой каскада, о чем будет рассказано чуть ниже. Такой режим усиления называется классом А.

При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным. Как недостатки можно отметить то, что входное сопротивление ОЭ невелико (не более нескольких сотен Ом), а выходное в пределах десятков КОм.

Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала  β, то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый, в справочниках h31э. Такое обозначение пришло из представления транзистора в виде четырехполюсника. Буква «э» говорит о том, что измерения производились при включении транзистора с общим эмиттером.

Коэффициент h31э, как правило, несколько больше, чем β, хотя при расчетах в первом приближении можно пользоваться и им. Все равно разброс параметров β и h31э настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты получаются лишь приблизительными. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.

Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя. Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки (читай одной партии). Для маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а у мощных 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.

Простейшая схема включения транзистора ОЭ показана на рисунке 5. Это просто небольшой кусочек из рисунка 2, показанного во второй части статьи. Такая схема называется схемой с фиксированным током базы.

Рисунок 5.

Схема исключительно проста. Входной сигнал подается в базу транзистора через разделительный конденсатор C1, и, будучи усиленным, снимается с коллектора транзистора через конденсатор C2. Назначение конденсаторов, — защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (достаточно вспомнить угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.

Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 подает постоянное смещение в базу. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было бы Eпит/2. Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.

Приблизительно сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2 * h31э / 1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В) значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В, приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что резистор R1 чаще всего приходится подбирать, иначе требуемая величина Eпит/2 на коллекторе получена не будет.

Коллекторный резистор R2 задается как условие задачи, поскольку от его величины зависит коллекторный ток и усиление каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше усиление. Но с этим резистором надо быть осторожным, коллекторный ток должен быть меньше предельно допустимого для данного типа транзистора.

Схема очень проста, но эта простота придает ей и отрицательные свойства, и за эту простоту приходится расплачиваться. Во – первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Во-вторых, от температуры окружающей среды, — с повышением температуры возрастает обратный ток коллектора Iко, что приводит к увеличению тока коллектора. И где же тогда половина напряжения питания на коллекторе Eпит/2, та самая рабочая точка? В результате транзистор греется еще сильнее, после чего выходит из строя. Чтобы избавиться от этой зависимости, или, по крайней мере, свести ее к минимуму, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи – ООС.

На рисунке 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Рисунок 6.

Казалось бы, что делитель напряжения Rб-к, Rб-э обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такому каскаду присущи все недостатки схемы с фиксированным током. Таким образом, приведенная схема является всего лишь разновидностью схемы с фиксированным током, показанной на рисунке 5.

Схемы с термостабилизацией

Несколько лучше обстоит дело в случае применения схем, показанных на рисунке 7.

Рисунок 7.

В схеме с коллекторной стабилизацией резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. В этом случае, если при увеличении температуры происходит увеличение обратного тока, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1. Транзистор начинает закрываться, коллекторный ток уменьшается до приемлемой величины, положение рабочей точки восстанавливается.

Совершенно очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению усиления каскада, но это не беда. Недостающее усиление, как правило, добавляют наращиванием количества усилительных каскадов. Зато подобная ООС позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.

Несколько сложней схемотехника каскада с эмиттерной стабилизацией. Усилительные свойства подобных каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем у схемы с коллекторной стабилизацией. И еще одно неоспоримое преимущество, — при замене транзистора не приходится заново подбирать режимы работы каскада.

Эмиттерный резистор R4, обеспечивая температурную стабилизацию, также снижает усиление каскада. Это для постоянного тока. Для того, чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Cэ, который для переменного тока представляет незначительное сопротивление. Его величина определяется диапазоном частот усилителя. Если эти частоты лежат в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.

Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема с общим коллектором (ОК) Показана на рисунке 8. Эта схема является кусочком рисунка 2, из второй части статьи, где показаны все три схемы включения транзисторов.

Рисунок 8.

Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Вот тут можно спросить, почему же эта схема называется ОК? Ведь, если вспомнить схему ОЭ, то там явно видно, что эмиттер соединен с общим проводом схемы, относительно которого подается входной и снимается выходной сигнал.

В схеме же ОК коллектор просто соединен с источником питания, и на первый взгляд кажется, что к входному и выходному сигналу отношения не имеет. Но на самом деле источник ЭДС (батарея питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, один и тот же контакт.

Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке 9.

Рисунок 9.

Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода б-э находится в пределах 0,5…0,7В, поэтому можно принять его в среднем 0,6В, если не задаваться целью проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного на величину Uб-э, а именно на те самые 0,6В. В отличие от схемы ОЭ эта схема не инвертирует входной сигнал, она просто повторяет его, да еще и снижает на 0,6В. Такую схему еще называют эмиттерным повторителем. Зачем же такая схема нужна, в чем ее польза?

Схема ОК усиливает сигнал по току в h31э раз, что говорит о том, что входное сопротивление схемы в h31э раз больше, чем сопротивление в цепи эмиттера. Другими словами можно не опасаясь спалить транзистор подавать непосредственно на базу (без ограничительного резистора) напряжение. Просто взять вывод базы и соединить его с шиной питания +U.

Высокое входное сопротивление позволяет подключать источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексное сопротивление), например, пьезоэлектрический звукосниматель. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «посадит» сигнал звукоснимателя, — «радио играть не будет».

Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Про такие схемы говорят, что они охвачены стопроцентной обратной связью по напряжению.

Как показано на рисунке 9 ток в эмиттерной нагрузке (он же ток эмиттера) Iн = Iк + Iб. Принимая во внимание, что ток базы Iб ничтожно мал по сравнению с током коллектора Iк, можно полагать, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк. Ток в нагрузке будет (Uвх – Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Uбэ известен и всегда равен 0,6В.

Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх – Uбэ)/Rн зависит лишь от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Ведь если вместо Rн поставить гвоздь – сотку, то никакой транзистор не выдержит!

Схема ОК позволяет достаточно легко измерить статический коэффициент передачи тока h31э. Как это сделать, показано на рисунке 10.

Рисунок 10.

Сначала следует измерить ток нагрузки, как показано на рисунке 10а. При этом базу транзистора никуда подключать не надо, как показано на рисунке. После этого измеряется ток базы в соответствии с рисунком 10б. Измерения должны в обоих случаях производиться в одних величинах: либо в амперах, либо в миллиамперах. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях. Чтобы узнать статический коэффициент передачи тока достаточно ток нагрузки разделить на ток базы: h31э ≈ Iн/Iб.

Следует отметить, что при увеличении тока нагрузки h31э несколько уменьшается, а при увеличении напряжения питания увеличивается. Эмиттерные повторители часто строятся по двухтактной схеме с применением комплементарных пар транзисторов, что позволяет увеличить выходную мощность устройства. Такой эмиттерный повторитель показан на рисунке 11.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

Такая схема дает только усиление по напряжению, но обладает лучшими частотными свойствами по сравнению со схемой ОЭ: те же транзисторы могут работать на более высоких частотах. Основное применение схемы ОБ это антенные усилители диапазонов ДМВ. Схема антенного усилителя показана на рисунке 12.

Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств. Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.

По материалам: electrik.info.

Включение pnp транзистора в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор — эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база — эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ, — порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния — насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база — эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В — Uбэ = 5В — 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется, — сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор — эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база — эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ, — порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния — насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база — эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В — Uбэ = 5В — 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется, — сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

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


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.

НАШ САЙТ РЕКОМЕНДУЕТ:

Метки:  

Транзисторный ключ ⋆ diodov.

net

С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

Здесь мы научимся выполнять расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе (БТ). Одно из распространённых их применений – согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами, семисегментными индикаторами, шаговыми двигателями и т.п.

Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Электронные ключи глубоко проникли и укоренились в области автоматики, вытеснив механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитного реле транзисторный ключ лишен подвижных механических элементов, что значительно увеличивает ресурс, быстродействие и надежность устройства. Скорость включения и отключения, то есть частота работы несравнимо выше с реле.

Однако и электромагнитные реле обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле значительно меньше, чем на полупроводниковых элементах, находящихся в открытом состоянии. Кроме того реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей с низковольтными.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Входная статическая характеристика

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы UКЭ. Коллекторный ток IК близок к нулю. При этом ток в цепи базы IК также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.

Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток IКимеет некое значение, которое зависит от величин UКЭ и RК. В цепи база-эмиттер также протекает ток IБ, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.

В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.

Расчет транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.

Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.

Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора RК и базы RБ. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Порядок расчета

Расчет начнем с определения сопротивления резистора RК, который предназначен для ограничения величины тока IК, протекающего через светодиод VD. RК находится по закону Ома:

Величина IК равна IVD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение UКЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔUVD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔUКЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление RК:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала RК = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод IVD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы RБ:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔURб и IБ. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔURб:

UБЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:

Для определения тока базы IБ необходимо знать IК, который мы ранее пересчитали (IК = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.

Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниже.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили RК и RБ по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.

Еще статьи по данной теме

Расчет транзистора в ключевом режиме. Основной режим работы биполярных транзисторов

Импульсно-цифровая технология транзисторов основана на работе транзистора как ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — основное предназначение 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 выключенное (закрытое) состояние.

Когда напряжение базы составляет 6 В, ток базы равен. В этом случае напряжение между коллектором и эмиттером в идеале принимает значение 0 В, а ток сатуратора коллектора можно рассчитать следующим образом. Рассмотрим следующую схему. Основное отличие от предыдущей схемы — включение эмиттерного резистора в землю.

В этих условиях предполагается, что цепь работает в любой точке линии нагрузки, в зависимости от требуемого тока.Затем мы можем рассчитать ток эмиттера. Рассчитайте напряжение коллектора в таблице 2. Рассчитайте значения напряжения, указанные в таблице 5. Выберите подходящий транзистор для этой операции в технических характеристиках производителя.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уточнения последующего материала следует из того, что при изменении состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания, по сути, формируются также импульсные формы сигналов. так как выполняются различные преобразования импульсных сигналов в схемах и элементах импульсной техники. Транзистор также используется как бесконтактный ключ в цепях постоянного и переменного тока для регулирования мощности, подаваемой на нагрузку.

Транзистор как электронный ключ и источник тока — проф. Теоретическое введение. Прямой активный режим Обратный активный режим Насыщенность насыщенность. Прямой активный режим. Мы говорим, что транзистор при подключении работает в прямом активном режиме. База эмиттера прямо поляризована, т.е. вывод эмиттера находится в одном. потенциал ниже, чем у базы, и соединительный элемент коллектора имеет обратную поляризацию, то есть клемма коллектора имеет потенциал больше, чем клемма базы.

Этот режим работы обычно используется в усилителях сигналов. Обратный активный режим. Подключение к базе эмиттера имеет обратную поляризацию, т.е. клемма эмиттера включена. потенциал, превышающий потенциал базы и соединительного элемента коллектора, имеет прямую поляризацию, т.е. коллекторная клемма имеет потенциал ниже клеммы базы. Не рекомендуется использовать транзистор в этом режиме, так как это может повредить транзистор. составная часть. Резка Мы говорим, что транзистор отключается, когда два его контакта имеют обратную поляризацию.

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 каскад усиления. Транзистор в схеме ключа может быть включен с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Самая распространенная схема МА. Этот тип включения биполярного транзистора используется в дальнейшем при рассмотрении ключевого режима его работы.

В этой конфигурации ток, циркулирующий в транзисторе, равен нулю.Режим насыщения Транзистор насыщается, когда два его контакта прямо поляризованы. В этом режиме работы транзистор на практике используется как закрытый ключ. 2 Транзистор как ключ Когда транзистор используется в качестве ключа, он работает в двух режимах работы: в данном случае это: насыщенность и сечение. На рисунке 2 показана схема, в которой используется транзистор. как ключ. Рисунок 2 — Транзистор как ключ.

В схеме, показанной на Рисунке 2, при разомкнутом переключателе ток в базе отсутствует.транзистор и то, что нет тока с коллектора на эмиттер. Когда переключатель замкнут, у нас будет ток в базе транзистора и такого качества. у нас будет ток от коллектора к базе транзистора.

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

Схема ключевого транзистора rr 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 цепи в открытом и закрытом состояниях транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки a — b постоянным током (рисунок 4.3, b ).

Процедуры с результатами, таблицами и графиком. Начиная практику, нам нужно было сначала рассчитать резисторы в соответствии с. спецификации, определенные в сценарии с использованием следующих формул. Решение. Кривая показывает, что транзистор можно использовать не только как усилитель. но также как ключ к компьютерам и приложениям управления. Потеря переключения может происходить во время движения и в состоянии. выкл. При низкой частоте переключения потери движения больше. существенный. Коммутационные потери увеличиваются с увеличением частоты коммутации.

Линия нагрузки описывается соотношением U кэ = — ( E к — I к R j) и проводится так же, как и для каскада усиления.Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперной характеристикой транзистора определяют напряжение на элементах и ​​ток в последовательной цепи.

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

Возможные варианты инкапсуляции транзисторов показаны на рисунке. ниже. Транзисторная инкапсуляция. Заключение Для эксперимента, проведенного в лаборатории и с использованием компьютерного моделирования. мы можем проверить работу транзистора как ключа, то есть когда транзистор исправен.в области сатуры, иногда в области разреза.

Мы понимаем, что использование транзистора в качестве ключа — простая задача. важно, так как вы можете управлять большими цепями с самых маленьких. управляющие сигналы. Транзисторные переключатели являются одними из основных блоков цифровых устройств и нескольких блоков управления промышленных машин. Относительно меньше — использование переключателей на биполярных транзисторах.

Тепловой ток, протекающий через нагрузку I k0 из-за того, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R от источника питания. Низкое значение I k0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величина блокирующего входного напряжения U, in. Z an выбрана так, чтобы при протекании через резистор R b тепловой ток обеспечивался для выполнения условий:

Ключ с биполярным транзистором. Для характеристики передачи это область 3, в которой протекает ток насыщения коллектора. и примерное равенство почти всегда верно.Он прямо пропорционален . Примерное значение тока коллектора определяется вторым выражением в и составляет 9,8 мА. Теперь рассчитаем коэффициент насыщения 1.

Новый коэффициент насыщения 2, 57 указывает, что его значение увеличивается с увеличением входного напряжения. Какой транзистор все еще насыщен. На практике этот сброс вызван отрицательными импульсами помех, которые не действуют — ключ звуконепроницаем.

U = = U дюймаz an — I k0 R b> 0.

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

Открытое состояние транзистора достигается за счет изменения полярности входного напряжения ( U inM примерно 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 перемещению рабочей точки из положения M h вверх по линии нагрузки.Напряжение и транзистора ке затем постепенно снижается. До некоторого граничного значения базового тока I B.gr. известна пропорциональная зависимость между I to и I b.

транзисторов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

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 слишком глубоко 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 уроке мы сфокусируемся на BJT , потому что его немного легче понять. Если копать 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 его:

  • 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 либо ток, либо напряжение, узнайте почему в этом руководстве.
  • Диоды — Транзистор — это полупроводниковый прибор, похожий на диод. В каком-то смысле это то, что вы получили бы, если бы сложили два диода вместе и связали их аноды вместе.Понимание того, как работает диод, будет иметь большое значение для раскрытия 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 для NPN и PNP BJT 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 ot 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 являются своего рода продолжением 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 проходить 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 уровня 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 наложения n поверх p поверх n или p поверх n поверх p .

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение акронимов?

Помахав рукой, мы можем сказать, что электрон может легко перетекать из n областей в p областей , если у них есть небольшая сила (напряжение), чтобы толкать 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 электрон может легко течь 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. Большинство испускаемых электронов «собираются» 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 расходом .

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 можно полностью открыть, позволяя воде свободно течь — проходить, как если бы клапана даже не было.

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

2) Выкл. — обрыв цепи

В закрытом состоянии 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 клапан можно отрегулировать для точного регулирования расхода до некоторой точки между полностью открытым и закрытым.

Транзистор может делать то же самое — линейно управлять током 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, что с помощью легкого поворота клапана вы могли бы контролировать скорость потока затворов плотины Гувера. Ничтожное усилие, которое вы можете приложить, чтобы повернуть эту ручку, может создать усилие 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 на 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 выводов 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 он влияет на ток.

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

Режим насыщения

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

В режиме насыщения оба «диода» в транзисторе 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, на самом деле V BE должно быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в насыщение.Есть много 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) мы можем оценить это падение примерно в 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 определено как CE напряжение насыщения, 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 находился в режиме 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 напряжение эмиттера и коллектора.Оба 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.Если, например, 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 в устройство , и 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, чем 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 I 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 эмиттера должно быть больше, чем на базе, которое должно 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? PNP работает очень похоже на NPN — у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится PNP-транзистор, 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, V E должен иметь более высокое напряжение, чем 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 протекает 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: переключатели

Одно из наиболее фундаментальных применений транзистора — это его использование для управления потоком энергии к другой части схемы — использование 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 связан с коллектором, 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 больше 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:

Как и в схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер имеет высокий уровень, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и переключатель на основе NPN, но есть одно огромное отличие: для включения нагрузки база должна быть низкой. Это может вызвать проблемы, 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 выключатель , 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 подключен непосредственно 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 2 входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

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

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с двумя входами :

Затвор ИЛИ с 2 входами, построенный 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 — это комбинация четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется Н-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:

06 0576
Вход A Вход B Выход A Выход B Направление двигателя
0 0 1 1 Остановлено (торможение)
1 0 По часовой стрелке
1 0 0 1 Против часовой стрелки
1 1 0 торможение (торможение) 0

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 попеременно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы конденсаторов 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 более низкого номинала — R4.
  • Когда 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 мы начали.

Иногда бывает трудно понять. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая определенные 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 наиболее мощных приложений транзисторов 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, производимого 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, казалось бы, бесконечное множество 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 подключен к общему напряжению (обычно к земле), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер — одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно это земля). База становится входом сигнала, а коллектор становится 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 состоит 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 получим 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 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 управляющей цепи.

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 «загрузить» 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, а входной ток примерно равен выходному току (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.

Резюме

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 напряжения Средний Низкий Высокий
Усиление по току Низкое входное сопротивление Низкое Среднее Высокое Низкое
Выходное сопротивление Среднее Низкое Высокое

Многокаскадные усилители

Мы могли бы 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, создавая усилитель с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение примерно то же самое, что и входное напряжение (минус примерно 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением коэффициента усиления двух транзисторов . 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 длиннохвостой парой . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа поданы на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель — полезный «заключительный каскад» во многих многокаскадных усилителях. 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 схемах (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 есть 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 распространенные транзисторные схемы и понимание их назначения может помочь вам в долгом! 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 является общим коллектором, а Q12 — общим эмиттером . 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 сможете 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 знания.Мы также предоставили ссылки на комплект полупроводников и одиночные транзисторы для использования в ваших собственных проектах.

Наши рекомендации:

Пакет дополнений SparkFun Inventor’s Kit — v4.0

В наличии КОМПЛЕКТ-14310

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


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 посмотрите эту книгу, если вы хотите более подробно познакомиться с транзисторами.
  • LTSpice and 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 — это действительно распространенный транзистор, который мы используем все время (а 2N3906 — его брат по PNP). Ознакомьтесь с таблицей данных, посмотрите, узнаете ли вы какие-нибудь знакомые характеристики.

Вдобавок к этому наш собственный технический директор Пит снял 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.Качественный товар!

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 можно использовать транзистор для мигания десятков светодиодов всего несколькими входами.
  • Mini FET Shield Hookup Guide — Это действительно простой щит Arduino, который использует 8 MOSFET 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 разработки печатных плат.
  • Как паять. Если вы разрабатываете печатную плату, вам также необходимо знать, как паять. Узнайте, как паять через отверстия в этом руководстве.

Или посмотрите некоторые из этих сообщений в блоге, чтобы найти идеи:

Падение напряжения на открытом транзисторе.Основной режим работы биполярных транзисторов

Импульсно-цифровая технология транзисторов основана на работе транзистора как ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — основное предназначение 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 выключенное (закрытое) состояние.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для разъяснения последующего материала следует из того факта, что при изменении состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания, по сути, формируются импульсные сигналы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и компонентах импульсной техники. Транзистор также используется как бесконтактный ключ в цепях постоянного и переменного 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 каскад усиления. Транзистор в схеме ключа может быть включен с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Самая распространенная схема МА. 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

Ключевая схема транзисторного типа rr показана на рисунке 4.3, , но . Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в открытом и закрытом состояниях транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки a — b DC (рисунок 4.3, б ).

Линия нагрузки описывается соотношением U кэ = — ( E к — I к R j) и проводится так же, как и для каскада усиления. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперной характеристикой транзистора определяют напряжение на элементах и ​​ток в последовательной цепи.

Режим синхронизации (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности ( U вход> 0), указанного на рисунке 4.3, , но без скоб. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается ( U будет> 0) и его ток I e = 0. Однако через резистор R b течет обратно (тепловой) переход коллекторный I k0. Закрытому состоянию транзистора соответствует точка M h (см. Рисунок 4.3, b ).

Тепловой ток, протекающий через нагрузку I k0 из-за того, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R от источника питания.Низкое значение I k0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величина входного напряжения блокировки U in. Z an выбрана таким образом, чтобы при протекании через резистор R b тепловой ток обеспечивался для выполнения условий:

U be = U дюйм z an — I k0 R b> 0.

Напряжение U 6e для германиевых транзисторов равно 0.5 … 2,0 В.

Открытое состояние транзистора достигается за счет изменения полярности входного напряжения ( U inM примерно на линии нагрузки.

Определяем необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. Для этого предположим, что для U inI b постепенно увеличивается. Повышение тока базы будет соответствовать увеличению тока коллектора и перемещению рабочей точки из положения M h вверх по линии нагрузки.Напряжение и транзистора ке затем постепенно снижается. До некоторого граничного значения базового тока I B.gr. известна пропорциональная зависимость между I to и I b.

С основами усилителей разобрались, 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.

Транзистор можно представить как переменное сопротивление.Положение регулятора зависит от тока, подаваемого на базу. Если ток не подается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер очень велико. При подаче на базу небольшого тока сопротивление переменного резистора уменьшается, и ток протекает по цепи КЭ в 31 раз больше, чем ток базы. h31 — значение коэффициента усиления транзистора, находящегося в справочнике.

Если базовый ток постепенно увеличивать, то переходное сопротивление 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, так как вход и выход взаимосвязаны, сигнал на выходе будет копией входа, но усилен в несколько раз. Теперь разберемся в выигрыше. Дело в том, что h31 имеет довольно большой разброс для одного типа транзисторов, который может колебаться от 400 до 1000. Это также зависит от температуры.Поэтому существует типовая схема усиления, учитывающая все эти недостатки. Но для общего развития стоит рассказать, какие они вообще есть.

Напомним, что мы представили усилитель в виде черного ящика — две ножки на входе и две на выходе. В случае с транзистором одна из ножек будет постоянно общей для входа и выхода. В зависимости от этого транзистор может быть включен по схеме с общей базой, с общим коллектором и общим эмиттером.


Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки. Наша цель — рассмотреть включение по схеме с общим эмиттером, поскольку эта схема позволяет нам усиливать как ток, так и напряжение.

На самом деле информации с расчетом 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, четкий результат.Поэтому постараемся во всем разобраться поэтапно.

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

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

Осталось добавить резистор в цепь эмиттера. Его смысл в том, что при изменении выходного напряжения под действием температуры окружающей среды изменяется и ток коллектора. Поскольку ток коллектора и эмиттера одинаковы, напряжение на резисторе эмиттера также изменяется. Напряжения базы и эмиттера связаны формулой U = U b — U e. Получается, что если на выходе напряжение увеличилось, то на базе уменьшится, при этом транзистор закроется и наоборот.Таким образом, транзистор саморегулируется, не допуская изменения напряжения под действием внешних факторов, т.е. резистор эмиттера играет роль отрицательной обратной связи.

Напомним, что коэффициент усиления находится в довольно большом диапазоне. Поэтому эмиттерный резистор, помимо обратной связи, позволяет регулировать величину усиления схемы. Отношение резистора коллектора к резистору эмиттера примерно равно Ku-коэффициенту усиления.

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


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

Теперь нужно выбрать резисторы R3 и R4, их величина будет определять ток покоя, но необходимо учитывать, что транзистор не сможет усилить напряжение ниже 0.7V, поэтому выходной сигнал обычно колеблется относительно некоторой точки, которая обычно выбирается как половина напряжения питания. Следовательно, половина напряжения должна приходиться на эти резисторы, а вторая половина — на транзистор.

R3 + R4 = (Упит / 2) / Iк = 2,5В / 0,001 = 2,5кОм.
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

Подставляем второе выражение в первую формулу
10R4 + R4 = 2500
11R4 = 2500
R4 = 227 Ом ближайшее действительное значение 220 Ом
R3 = 10 * R4 = 2270 ближайший рейтинг 2.2кОм

Пересчитать напряжение средней точки на выходе с учетом выбранных резисторов:
Uk = Upit- (Rk * Ik) = 5-2,2 * 0,001 = 2,8V

Теперь нужно рассчитать ток базы, для транзистора BC547C h31min = 420
Ib = (Упит / (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

Рассчитываем 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 исходя из:
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 18кОм в номинальном диапазоне

По их сумме R1, R2 находим R1
R1 = R12-R2 = 101-18 = 83кОм или 82кОм из имеющихся

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

В результате мы получили следующую схему:


Как видите, выходной вольтметр показывает 432мВ, т.е. коэффициент усиления схемы Ku = 432/50 ~ 8,5. Чуть меньше, чем ожидалось, но в целом неплохо. И еще, графики показывают, что сигнал, как уже было сказано, сдвинут относительно нуля, можно убрать постоянную составляющую, поставив на выход конденсатор. Также обратите внимание, что усиленный сигнал смещен на 180 градусов от входа.

Страшное слово — транзистор

Ну собственно, пройдя семь скучных и бесполезных глав про каждый мур =), мы дошли до самого интересного и увлекательного. К транзистору.

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


Объясняю. Все мы хоть раз ехали поездом, поездом или хотя бы трамваем. Когда поезд замедляется, всегда слышно характерное шипение. Он управляет пневматическим тормозным приводом. Другими словами, сжатый воздух идет 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 … Но почему на поршень начинает поступать воздух? Вероятно, этого и хочет водитель.Он открывает клапан в своей кабине, и воздух выходит. Это до неприличия просто!

Небольшая пояснительная картинка:


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

Посмотрим, что получилось: водитель тратит немного 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.

Смею вас заверить, в транзисторе все точно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. Транзистор имеет три выхода: коллекторный, эмиттерный и базовый.


Между коллектором и эмиттером протекает сильный ток, он называется коллекторным (Ik), 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 текущим усилением и обозначается как h31e . Для различных 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, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

Ik = Ib * h31e

Нарисуйте 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.

Ток управления базой ограничен резистором 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.

Посчитайте немного 🙂

.

Пусть наша лампочка питается током 0,33 А,
а у транзистора h31e = 100.
Какой базовый ток нужен, чтобы лампочка горела на полный нагрев?
А какое будет сопротивление R1?

Полный нагрев — это когда ток потребления равен номинальному.
номинал — 0,33 А. Таким образом, требуемый ток коллектора составляет 0,33 А.
Ток базы должен быть меньше коллекторного в h31e раз. То есть — 100 раз. То есть он должен быть равен 0.33/100 = 0,0033А = 3,3 мА.
Ура, решили !!!

Режимы транзистора

Смещение транзистора — это процесс установки рабочего напряжения на выводах транзистора. BJT (биполярный переходный транзистор) имеет два перехода, один — переход база-эмиттер, а другой — переход база-коллектор. В зависимости от прямого и обратного смещения этого перехода существует три режима транзистора. Переход базы транзистора к эмиттеру зависит от его порогового напряжения.Когда уровень напряжения от базы к эмиттеру падает ниже этого порогового напряжения, транзистор переходит в состояние отсечки. Когда уровень напряжения база-эмиттер выше этого порогового напряжения, тогда транзистор находится либо в состоянии насыщения, либо в активном состоянии. Теоретически значение порогового напряжения диода составляет 0,7 В, но практически оно составляет 0,65 В.

Необходимые компоненты:

 BC547 Транзистор NPN

 Потенциометр 1к

 1k сопротивление

 Некоторые перемычки

 Макет

 Электропитание (+ 5В)

 Мультиметр

Фиг.1. Принципиальная схема транзистора в режиме отключения

Режим отключения:

В этом режиме переходы база-эмиттер и база-коллектор имеют обратное смещение. Когда на базе транзистора очень низкое напряжение, тогда напряжение база-эмиттер ниже его порогового напряжения. Из-за этого транзистор находится в выключенном состоянии и действует как разомкнутый переключатель. Поскольку эмиттер подключен к земле, его ток равен нулю, но на коллекторе транзистора протекает небольшой ток из-за тепловых колебаний электронов.Этот небольшой ток известен как ток обратного насыщения (Ico). Поскольку базовое напряжение равно нулю, ток должен быть нулевым, но, тем не менее, на базе транзистора протекает небольшой отрицательный ток, противоположный обратному току насыщения (-Ico). Таким образом, из-за отрицательного тока на базе транзистора, переходы база-эмиттер и база-коллектор имеют обратное смещение. Следовательно, ток не будет течь от коллектора к эмиттеру транзистора, и мы получаем низкий уровень на выходе, который выключает светодиод.

Режим отсечки транзистора используется в операции переключения для приложения «Выключить».

Рис.2: Принципиальная схема транзистора в режиме насыщения

Состояние насыщения:

В этом режиме переход база-эмиттер и база-коллектор находятся в прямом смещении. Когда мы увеличиваем значение напряжения на базе транзистора, это приведет к тому, что напряжение база-эмиттер будет больше, чем пороговое напряжение.В этом случае транзистор находится в полностью открытом состоянии и действует как замыкающий или замыкающий переключатель. Поскольку базовый ток очень велик для получения большой величины тока коллектора, падение напряжения на сопротивлении R3 достаточно велико. Переход база-эмиттер находится в смещенном состоянии, так как эмиттер соединен с землей, а база — с положительным источником питания. Следовательно, путь от коллектора к эмиттеру действует как короткое замыкание, из-за которого ток в эмиттере и коллекторе транзистора почти равен.Теперь ток замыкается от коллектора к эмиттеру, проходит через коллектор транзистора к базе и идет к эмиттеру, который зажигает светодиод.

Режим насыщения транзистора используется в режиме переключения при включении.

Рис.3: Принципиальная схема транзистора в активном режиме

Активный режим:

В этом режиме переход база-эмиттер транзистора находится в прямом смещении, а переход база-коллектор находится в обратном смещении.В этом режиме транзистор находится в середине состояния отсечки и насыщения. Напряжение на базе транзистора меньше, чем на коллекторе, поэтому переход база-коллектор имеет обратное смещение. С другой стороны, эмиттер находится на земле, поэтому его напряжение меньше, чем у базы, что создает переход между базой и коллектором в обратном смещении. Когда мы прикладываем напряжение между режимами отсечки и насыщения на базу транзистора, транзистор переходит в активное состояние. В этом состоянии электроны, которые текут к базе транзистора, больше притягиваются к коллектору из-за положительного напряжения на коллекторе (из-за обратного смещения).Таким образом, от коллектора к базе проходит большой ток, который превышает ток от эмиттера к базе. Следовательно, приложив небольшое напряжение к базе, мы получим высокое значение тока на коллекторе. Это называется усилением входного сигнала. Благодаря этому свойству транзистора в активном состоянии он используется в усилении.

hFE hfe & Beta »Электроника

Коэффициент усиления по току — одна из важных характеристик биполярного транзистора — часто встречаются три цифры: Beta β, h

FE & h fe , каждая из которых немного отличается.

Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


В любой схеме коэффициент усиления биполярного транзистора по току будет иметь первостепенное значение. Является ли схема общим эмиттером, общим коллектором и т. Д., И использует ли она транзисторы NPN или транзисторы PNP.

Хотя другие параметры этих полупроводниковых устройств также важны, коэффициент усиления по току особенно важен, поскольку биполярный транзистор является устройством, работающим от тока.

Коэффициент усиления транзистора по току обычно указывается в терминах h FE , h fe или греческой букве Beta β.

При проектировании любой транзисторной схемы необходимо обеспечить достаточное усиление для правильной работы схемы. Уровни усиления могут быть очень высокими для многих малосигнальных устройств, при этом усиление по току до 1000 не является редкостью, но для силовых транзисторов коэффициенты усиления намного ниже и иногда могут составлять всего 25-50.

BC547 Транзистор с пластиковыми выводами

Обычно характеристики усиления по току для транзисторов обычно имеют очень широкий допуск, и поэтому схемы должны быть в состоянии приспособиться к этому.Однако минимальное усиление транзистора должно быть достаточным для обеспечения правильной работы.

Коэффициент усиления транзистора и бета, β

При проведении многих расчетов коэффициент усиления транзистора по току выражается греческой буквой бета; β.

Это коэффициент усиления прямого тока для транзистора при работе в режиме общего эмиттера.

Протекает базовый ток транзистора

Хотя это не совсем точное уравнение, приведенное ниже уравнение более чем достаточно точно для всех практических расчетов.Это уравнение усиления транзистора встречается в большинстве случаев.

. . . . Более подробные уравнения и теория усиления транзисторов.

Транзистор h

fe

Транзистор H fe , h fe часто рассматривается как коэффициент усиления по току. Это может привести к некоторой путанице.

Причина использования h fe заключается в том, что он относится к способу измерения входных и выходных параметров транзистора.

Z-параметры — это один из основных параметров, используемых при работе со схемой как с черным ящиком. Однако, поскольку транзистор демонстрирует низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс, используется форма параметра, известная как h или гибридные параметры.

h fe — характеристика прямого перехода, то есть усиление транзистора при использовании в режиме общего эмиттера.

h fe точно такой же, как и транзистор Beta, β — только чуть более корректно использовать его в даташитах.

Коэффициент усиления транзисторов постоянного тока и малых сигналов

Коэффициент усиления транзистора незначительно меняется при измерении постоянного тока и небольших изменений сигнала.

Обозначения на двух рисунках немного отличаются. Часто DC используется для усиления постоянного тока, а, AC используется для усиления переменного тока, которое также может упоминаться как усиление малого сигнала транзистора.

Аналогично для hfe. H fe с заглавной буквы H используется для усиления постоянного тока, где в качестве усиления переменного или слабого сигнала обозначается h fe с маленькой буквы h.

Суммарное усиление транзистора

Различные обозначения транзисторного усиления можно кратко изложить ниже.

  • Бета; β: Это базовое обозначение коэффициента усиления прямого тока транзистора.
  • h fe : Это коэффициент усиления по току для транзистора, выраженный как параметр h (гибридный параметр). Буква f указывает на то, что это характеристика прямого переноса, а буква e указывает на то, что это для общей конфигурации эмиттера.Маленькая буква h указывает на небольшое усиление сигнала. h fe и малый сигнал Beta одинаковы.
  • h FE : Параметр H fe отличается от h fe тем, что он является параметром h для усиления постоянного тока в установившемся режиме постоянного или большого сигнала.

Различные аббревиатуры, используемые для усиления транзистора, H fe , h fe и Beta, широко используются, хотя параметры H fe , h fe , как правило, более широко используются в таблицах данных.

Примечание

Есть несколько моментов, которые представляют интерес при оценке уровня усиления по току, который имеет транзистор:

  • Коэффициент усиления силовых транзисторов: Коэффициент усиления силовых транзисторов обычно намного меньше, чем у малосигнальных устройств. Силовые транзисторы могут иметь коэффициент усиления по току менее 50, но, используя другой транзистор для управления силовым транзистором, общий коэффициент усиления по току может быть увеличен до желаемого уровня.
  • Коэффициент усиления по току сильно различается: Стоит отметить, что для любого типа транзистора может быть очень большой разброс между различными устройствами. Обычно характеристики схемы не зависят напрямую от фактического усиления по току, особенно потому, что часто включается отрицательная обратная связь или для коммутационных приложений фактическое усиление не критично. Всегда разумно убедиться, что имеется достаточный коэффициент усиления по току, используя минимальное значение, указанное в таблицах данных.

Изменение коэффициента усиления по току

Обычно ожидается, что значение коэффициента усиления по току β для биполярного транзистора является постоянным, однако есть некоторые изменения, которые происходят в значении β или h FE .

  • Изменение β в зависимости от тока коллектора: Уровень тока коллектора может вызвать изменение уровня β или или h FE .
    • При низком токе: Это происходит, когда биполярный транзистор работает при очень низких уровнях тока в результате видимых механизмов утечки и влияющих на общий ток транзистора.Например, спецификация для BC109B, работающего с током коллектора, I C , равным 10 мкА, и напряжением коллектора-эмиттера V CE , равным 5 В, имеет минимальное усиление 40, тогда как для тока коллектора I C составляет 2 мА и напряжение коллектор-эмиттер V CE составляет 5 В, он имеет минимальное усиление 200.
    • При высоком токе: Было обнаружено, что уровень усиления β биполярного транзистора по току начинает снижаться по мере увеличения тока.Это происходит из-за высокого уровня впрыска.
    Обычно биполярный транзистор смещен для работы в своей линейной области для аналоговых сигналов, и можно предположить, что коэффициент усиления по току постоянный. Соответственно, для хорошей линейной работы транзистор должен хорошо работать в пределах своего рабочего диапазона и не заходить на рельсы и не потреблять чрезмерный ток для конкретного полупроводникового устройства.
  • Влияние температуры на коэффициент усиления по току β: Температура оказывает большое влияние на многие параметры биполярного транзистора, одним из которых является коэффициент усиления по току β / ч FE и т. Д.
  • Частота: Рабочая частота будет иметь заметное влияние на значение усиления тока. Для низких частот значение h fe , то есть усиление малого сигнала не будет слишком сильно отличаться от значения для DC h FE , хорошее практическое правило состоит в том, что среднее значение для h FE может быть использовал. Поскольку работа схемы для любой схемы не должна критически зависеть от фактического коэффициента усиления для полупроводникового устройства. Если частота повышается и даже начинает приближаться к f T устройства, то необходимо использовать более низкий коэффициент усиления.
  • Производственное распределение: В результате допусков в производственных процессах коэффициент усиления по току биполярных транзисторов будет варьироваться в значительном диапазоне. (См. ниже).

В этих описаниях варианты β, описанные для биполярных транзисторов, могут быть одинаково применимы к h FE .

Спецификация коэффициента усиления по току

В результате производственного процесса биполярные транзисторы обычно имеют широкий диапазон значений коэффициента усиления по току.

Как уже упоминалось, цифры для H fe усиление постоянного тока и h fe усиление переменного тока слабого сигнала. Часто указываются цифры для обоих параметров.

В спецификации указываются условия испытаний. Обычно указываются уровень тока и напряжение коллектор-эмиттер.

Принимая во внимание разброс уровней усиления по току в этих электронных компонентах, могут быть указаны минимальные, типичные и максимальные значения. Часто не все эти цифры приводятся: иногда может быть указано только минимальное значение для текущего усиления.

Поскольку для данного типа транзистора может быть значительное изменение коэффициента усиления, буква суффикса в конце номера детали транзистора может указывать диапазон усиления, ожидаемый для этого конкретного устройства. Например, BC109B имеет коэффициент усиления по току h FE между 200 и 450, а BC109C имеет коэффициент усиления по току h FE между 420 и 800.

Вне зависимости от используемой схемы, будь то транзисторы NPN или PNP, коэффициент усиления транзистора по току является ключевым параметром.Хотя есть существенные вариации усиления, большинство схем допускают фактическое усиление транзистора, что требует, чтобы его было достаточно для обеспечения правильной работы.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Как переключать большие нагрузки с помощью микроконтроллера с помощью транзисторов

Микроконтроллеры

отлично подходят для реализации интеллектуальных функций данного продукта. Эта статья научит вас, как обойти некоторые из их основных ограничений.

Опубликовано Джон Тил

Микроконтроллеры не могут напрямую управлять чем-либо, кроме, может быть, одного светодиода. Это связано с тем, что выходной ток большинства микроконтроллеров может напрямую передавать или потреблять только около 10 мА.

Давайте рассмотрим несколько способов переключения более тяжелых нагрузок на низкую нагрузку с типичного выхода микроконтроллера. Для определения типичных значений компонентов требуется несколько простых математических вычислений, которые будут представлены в легко доступных форматах. Однако такой подход означает, что были приняты некоторые вольности с техническими требованиями.

Одним из простейших подходов к управлению большими нагрузками, работающими от постоянного тока, является переключатель насыщения. Фактический электронный переключающий элемент поставляется в двух вариантах: биполярные переходные транзисторы, или BJT, и MOSFET.

Прежде чем перейти к собственно самому переключателю, давайте определим, что означает переключение нижнего уровня . На рисунке 1 показан этот тип переключения нагрузки.

Рисунок 1 — Реле нагрузки нижней стороны

Переключатель контролирует отрицательную сторону нагрузки. Это означает, что когда переключатель разомкнут, нагрузка по существу плавающая по отношению к минусу источника питания, который обычно является опорным заземлением в большинстве конструкций.

Если этот тип коммутационного устройства приемлем, то переключатель нижнего уровня обычно является самым дешевым способом переключения нагрузки.

Переключатель низкого уровня BJT

BJT может использоваться в качестве переключателя нагрузки и может быть двух видов: NPN и PNP. Для переключения на стороне низкого напряжения используются транзисторы NPN, а для переключения на стороне высокого уровня — PNP.

Прежде чем перейти к реальным методам, давайте определим некоторую номенклатуру, которая используется при работе с NPN-транзисторами.

На рис. 2 показаны соответствующие условные обозначения напряжения и тока. Начиная с тока, I B — это базовый ток, и он показан входящим в базу NPN.Те же аргументы применимы к I C и I E , причем I E показан выходящим из транзистора.

Видно, что: I E = I C + I B

Для напряжений V CE — это напряжение между коллектором и эмиттером, и обычно это положительное значение для транзисторов NPN. Другими словами, для NPN-транзистора напряжение коллектора обычно выше, чем напряжение эмиттера.

Согласно тому же соглашению, V BE — это напряжение между базой и эмиттером.В целом это положительно для NPN.

Рисунок 2 — Напряжение и ток NPN BJT

Ключом к пониманию того, как транзистор может управлять большой нагрузкой, является следующее уравнение:

I C = βI B, , где β — коэффициент усиления по постоянному току, который может составлять от 20 до 300 или более.

Это говорит о том, что ток коллектора равен значению β, умноженному на ток базы. Итак, если β = 100, то ток коллектора будет в 100 раз больше базового тока.

Значение β указано в техническом описании данного транзистора как h FE. В данной статье они означают одно и то же. Обратите внимание, что это не фиксированное значение для данного транзистора, но несколько зависит от значения тока коллектора и температуры, но это не имеет большого значения для целей данной статьи.

Когда BJT используются в качестве переключателей нагрузки, они используются в двух режимах: Cutoff и Saturation. Рассмотрим рисунок 3 ниже. Как указывалось ранее, I C = βI B. Итак, если I B = 0, то I C также должен быть 0. В этом состоянии транзистор находится в режиме отсечки. Обратите внимание: поскольку транзистор не течет, он не рассеивает мощность; также в этом случае V C совпадает с V CC .

Для следующей части предположим, что V CC = 10 В, R = 10 Ом и β = 100. Давайте посмотрим, что произойдет, когда I B = 1 мА. В данном случае I C = 100 мА, поскольку β = 100. Напряжение на резисторе I C x R L , или 1 В.Это означает, что тогда V C должен быть 9 В, так как V CC составляет 10 В, а падение напряжения на R L составляет 1 В. Тот же аргумент применим, если I B = 2 мА и т. Д.

Теперь, что будет, если I B = 20 мА. По расчетам это означает, что I C = 2000мА, или 2А. Однако этого не может быть. Поскольку V CC = 10 В и R L = 10 Ом, максимальный ток, который может протекать через R L , составляет 1 А.

Другими словами, максимальное значение I C также равно 1A. Это происходит, когда V C = 0, что означает, что транзистор полностью замкнут на землю.

В этом состоянии транзистор находится в режиме насыщения. В этом режиме ток коллектора транзистора является максимальным, который позволяют условия схемы, и увеличение базового тока не приведет к его увеличению.

Итак, уравнение I C = βI B выполняется только до насыщения транзистора.Обратите внимание, что если в только что описанном примере V CC теперь увеличивается, скажем, до 25 В, или R L изменяется на 1 Ом, транзистор больше не будет насыщаться. Таким образом, насыщение определяется в зависимости от условий внешней цепи.

Наконец, обратите внимание, что настоящие транзисторы не могут полностью замыкать свои коллекторы и эмиттеры, если они не неисправны. Когда реальный транзистор насыщен, его V CE будет иметь значение V CEsat . Это значение указано в таблице данных транзистора и обычно находится в диапазоне от 0.2 В для маленького транзистора и более 1 В для большого.

В CEsat также зависит от тока коллектора и температуры. Эта зависимость обычно представлена ​​в виде набора кривых в таблице данных.

В режиме насыщения транзистор рассеивает некоторую мощность, заданную параметром

.

Рассеиваемая мощность = I C x V CEsat

Однако, поскольку V CEsat обычно довольно низок, рассеиваемая мощность также будет низкой. Таким образом, отсечка и насыщение — это два состояния, при которых транзистор будет рассеивать наименьшую мощность.

Сфокусируясь теперь на базе транзистора, быстрый способ установить I B — это предположить, что V BE составляет 0,7 В. Это значение подходит для большинства транзисторов.

Итак, в данном случае по закону Ома

I B = (V BB — 0,7) / R B

Если необходимо заданное значение I B , то R B можно рассчитать как:

R B = (V BB — 0,7) / I B

Для насыщения транзистора требуется минимальное значение I B , которое вызовет максимальное значение I C , учитывая значение β транзистора и условия схемы.

На практике это значение I B должно быть больше этого минимума примерно на 10–15%, чтобы учесть изменения значения β от устройства к устройству.

Рисунок 3 — Работа транзистора

Управление BJT от микроконтроллера

То, что было только что описано, на самом деле является переключателем NPN BJT нижнего уровня. Если V BB был выходным выводом микроконтроллера, то, зная его высокое логическое значение, требуемый ток нагрузки и значение β транзистора, можно легко вычислить значение R B .

Еще несколько вещей, которые необходимо проверить, это убедиться, что:

Расчетное значение I B не превышает допустимый ток возбуждения микроконтроллера.

Ток нагрузки не превышает максимального тока коллектора транзистора.

Рассеиваемая мощность в режиме насыщения не превышает максимальной рассеиваемой мощности транзистора.

Напряжение V CC не превышает максимального значения V CE транзистора.

Для обеспечения надежной работы в приведенный выше пример также должны быть включены некоторые запасы безопасности и снижения номинальных характеристик. Около 20% — это разумно.

Перемещение тяжелых грузов с помощью Darlington

Поскольку управляющий ток вывода GPIO микроконтроллера редко превышает 10 мА, а минимальное значение β транзистора обычно не превышает 50 для силового транзистора, то максимальный ток, которым можно управлять, составляет около 500 мА.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Для управления более высокими токами можно использовать схему Дарлингтона. Есть Дарлингтоны, доступные в одном корпусе, или он может быть собран с использованием двух транзисторов, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 — NPN Darlington

В этой схеме Q1 обычно представляет собой транзистор малой мощности с высоким коэффициентом усиления, а Q2 — транзистор большой мощности. Если предположить, что резистора R в данный момент нет, то видно, что весь ток эмиттера Q1 течет в базу Q2.

Как указывалось ранее, эмиттерный ток — это сумма тока коллектора и тока базы.

Итак, I E = I C + I B

Таким образом, I E = β x I B + I B , или I E = (β + 1) I B

Поскольку β довольно велико, (β + 1) близко к β.

Это означает:

I E ≈ I C

Теперь, поскольку I E Q1 течет непосредственно в базу Q2, это означает, что I C2 , ток коллектора Q2 определяется как:

I C2 = β1 x β2 x I B1 .

Итак, небольшой входной базовый ток может вызвать большой выходной ток коллектора. Однако следует отметить несколько моментов. Во-первых, V BE этого составного транзистора теперь является суммой V BE двух транзисторов. Это необходимо учитывать при расчете номинала базового резистора, как описано ранее.

Что касается резистора R, то он влияет на время выключения Q2. Когда Q2 проводит, в его базу текут заряды. Теперь, когда на входе Q1 становится низкий уровень, Q1 выключается, и заряд, хранящийся в Базе Q2, некуда деваться.

В конечном итоге он исчезнет в результате внутреннего процесса, называемого рекомбинацией носителей, но пока это не произойдет, Q2 останется в проводящем состоянии. Это может длиться от нескольких микросекунд до десятков микросекунд в зависимости от транзистора.

По сути, микроконтроллер отключает свой выход, но нагрузка остается включенной еще некоторое время. R используется для ускорения выключения Q2 за счет стравливания сохраненного базового заряда.

Для таких приложений, как ШИМ, рекомендуется использовать этот резистор.Для большинства встроенных приложений подходят значения от 1 кОм до 5 кОм.

R также шунтирует часть базового тока Q2 при нормальной работе. Этот ток равен (V BE2 / R) или приблизительно 0,7 / R. Чтобы компенсировать этот ток, просто увеличьте базовый ток Q1. Поскольку этот базовый ток x β1 должен быть равен 0,7 / R, из этого следует, что базовый ток в Q1 должен быть увеличен на (0,7 / (β1 x R)).

MOSFET Переключатель нижнего уровня

Как и BJT, MOSFET бывает двух основных видов: N-канал и P-канал.N-канальный MOSFET похож на NPN и используется для переключения нижнего уровня. Точно так же MOSFET с P-каналом похож на PNP BJT и используется для переключения высокого уровня.

N-канальный MOSFET-транзистор относительно легко подключается к выходному контакту GPIO микроконтроллера при соблюдении определенных условий.

На рис. 5 показан этот тип полевого МОП-транзистора вместе с некоторыми из его наиболее важных аспектов, когда это устройство рассматривается как переключатель нижнего уровня.

Рисунок 5 — MOSFET расширения с N-каналом

Когда напряжение подается между затвором и источником, ток начинает течь между стоком и источником, если напряжение выше порогового напряжения, V th , которое указано в его техническом описании.

Выше этого порогового значения, чем выше V GS , тем больше ток стока I D , пока V GS не достигнет V GSMax , что опять же указано в таблице данных. I D vs V GS определяется набором кривых в таблице данных, и, как и в случае BJT, полевой МОП-транзистор насыщается, когда ток стока является максимальным, что позволяют условия схемы.

Поскольку полевой МОП-транзистор — это устройство, управляемое напряжением, для его включения почти не требуется ток.Итак, GPIO от микроконтроллера может управлять полевым МОП-транзистором, который затем может управлять очень большими токами. Аранжировки Дарлингтона не нужны. Доступны полевые МОП-транзисторы с низким напряжением V и , которые полностью усилены приводом затвора 5 В, которые, в свою очередь, могут управлять несколькими усилителями.

Еще одно преимущество полевого МОП-транзистора перед биполярным транзистором состоит в отсутствии V DS sat. Вместо этого, когда полевой МОП-транзистор является проводящим, соединение сток-исток ведет себя как резистор со значением R DS , которое является функцией V GS и может быть очень низким значением для силового полевого МОП-транзистора.

Таким образом, рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, когда он является проводящим или увеличенным, является просто значением (I D ) 2 , где I D — ток стока, умноженный на R DS , То же, что и мощность, рассеиваемая в резисторе R, пропускающем ток I, определяется выражением P = I 2 R.

Таким образом, во многих случаях мощность, рассеиваемая насыщенным MOSFET, будет меньше, чем мощность эквивалентного BJT. Это особенно актуально, если у меня D довольно высокий.

Следует отметить, что все N-канальные МОП-транзисторы имеют встроенные диоды в подложке, как показано на рисунке 5. Это заложено в конструкции МОП-транзистора. На практике это означает, что Утечка должна быть более положительной, чем Источник; иначе этот диод будет проводить.

Наконец, одна большая проблема с полевыми МОП-транзисторами — это емкость затвор-исток. Он может быть довольно большим для мощного полевого МОП-транзистора — 3 нФ и более не редкость. На практике это означает, что перед тем, как МОП-транзистор сможет начать проводить, эта емкость затвора должна сначала зарядиться.Учитывая, что большинство микроконтроллеров могут обеспечивать ограниченный ток, для зарядки этого конденсатора потребуется время.

Итак, при прямом управлении выходом микроконтроллера MOSFET просто не может переключаться очень быстро. Таким образом, использование полевого МОП-транзистора для быстрой ШИМ, вероятно, не сработает.

В таких ситуациях драйвер MOSFET, такой как TI UCC27511, должен использоваться между выводом GPIO и затвором MOSFET. Это, конечно, увеличивает стоимость и без того более высокой стоимости MOSFET по сравнению с BJT.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатный PDF-файл : The Ultimate Guide to Develop Your New Electronic Hardware Product . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

Транзистор | Инжиниринг | Фэндом

Файл: Transistors.agr.jpg

Транзисторы в ассортименте

Транзистор представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, которое может использоваться для усиления, переключения, стабилизации напряжения, модуляции сигнала и многих других функций.Транзистор является фундаментальным строительным блоком как цифровых, так и аналоговых интегральных схем — схемы, которая управляет работой компьютеров, сотовых телефонов и всей другой современной электроники.

Слово « транзистор », придуманное Джоном Робинсоном Пирсом в 1949 году, является ракурсом трансмиссионного резистора или переходного варистора (см. Раздел «История» ниже).

Транзисторы делятся на две основные категории: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET).Приложение тока в транзисторах BJT и напряжения в полевых транзисторах между входными и общими клеммами увеличивает проводимость между общей и выходной клеммами, тем самым контролируя протекание тока между ними. Для получения дополнительных сведений о работе этих двух типов транзисторов см. Полевой транзистор и транзистор с биполярным переходом.

В аналоговых схемах транзисторы используются в усилителях (усилители постоянного тока, усилители звука, усилители радиочастоты) и источниках питания с линейной регулировкой.Транзисторы также используются в цифровых схемах, где они функционируют как электронные переключатели. Цифровые схемы включают логические элементы, оперативную память (RAM), микропроцессоры и процессоры цифровых сигналов (DSP).

Транзистор считается многими одним из величайших изобретений в современной истории, по важности он уступает печатному станку, автомобилю и телефону. Это ключевой активный компонент практически во всей современной электронике. Его значение в современном обществе основано на его способности массового производства с использованием высокоавтоматизированного процесса (изготовления), который обеспечивает исчезающе низкую стоимость транзистора.

Хотя миллионы отдельных (известных как дискретных ) транзисторов все еще используются, подавляющее большинство транзисторов изготовлено в виде интегральных схем (также называемых микрочипами или просто микросхемами ) вместе с диодами, резисторами, конденсаторами и другой электронной схемой. компоненты для производства полных электронных схем. Логический вентиль состоит примерно из двадцати транзисторов, тогда как усовершенствованный микропроцессор по состоянию на 2006 год может использовать до 1,7 миллиарда транзисторов (MOSFET) [1].

Низкая стоимость, гибкость и надежность транзистора сделали его универсальным устройством для немеханических задач, таких как цифровые вычисления. Транзисторные схемы также заменили электромеханические устройства для управления приборами и механизмами. Часто дешевле и эффективнее использовать стандартный микроконтроллер и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем проектировать эквивалентную функцию механического управления.

Из-за низкой стоимости транзисторов и, следовательно, цифровых компьютеров, существует тенденция к оцифровке информации.Поскольку цифровые компьютеры предлагают возможность быстро находить, сортировать и обрабатывать цифровую информацию, все больше и больше усилий прилагается к тому, чтобы сделать информацию цифровой. В результате сегодня большая часть мультимедийных данных доставляется в цифровой форме, а затем конвертируется и представляется в аналоговой форме компьютерами. Сферы, на которые повлияла цифровая революция, включают телевидение, радио и газеты.

Первые патенты на принцип транзистора были зарегистрированы в Германии в 1928 году Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом.В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал полевой транзистор. Не ясно, была ли когда-либо построена какая-либо конструкция, и это обычно считается маловероятным.

22 декабря 1947 года Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн создали первый практический точечный транзистор в Bell Labs. Эта работа была результатом их усилий во время войны по производству сверхчистых германиевых «кристаллических» смесительных диодов, используемых в радиолокационных устройствах в качестве элемента частотного смесителя в микроволновых радиолокационных приемниках.Ранняя ламповая технология не использовалась достаточно быстро для этой роли, что побудило команду Bell использовать вместо нее твердотельные диоды. Обладая этими знаниями, они обратились к разработке триода, но обнаружили, что это совсем не просто. В конце концов Бардин разработал новую ветвь физики поверхности, чтобы объяснить «странное» поведение, которое они наблюдали, и Бардин и Браттейн в конце концов смогли построить работающее устройство.

Bell Telephone Laboratories потребовалось общее название для нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Твердый триод», «Триод с поверхностными состояниями», «Кристаллический триод» и «Иотатрон» все рассматривались, но «транзистор» придумал Джон Р.Пирс выиграл внутреннее голосование. Обоснование названия описано в следующей выдержке из Технического меморандума компании, призывающей к голосованию:

Шаблон: цитата

Пирс вспомнил название несколько иначе:

Шаблон: цитата

Компания Bell запустила производство транзистора на заводе Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания. Они также передали лицензию ряду других компаний, производящих электронику, включая Texas Instruments, которые производили ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж.Другой компании идея понравилась, и она тоже решила получить лицензию, представив собственное радио под торговой маркой Sony. Ранние транзисторы были «нестабильными» и подходили только для маломощных низкочастотных приложений, но по мере развития конструкции транзистора эти проблемы постепенно преодолевались. В течение следующих двух десятилетий транзисторы постепенно заменили более ранние электронные лампы в большинстве приложений, а позже сделали возможным появление многих новых устройств, таких как интегральные схемы и персональные компьютеры.

Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».Бардин впоследствии получил вторую Нобелевскую премию по физике, один из двух человек, получивших более одного в той же дисциплине, за свою работу по исследованию сверхпроводимости.

В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре (1912–) и Генрих Уокер (около 1912–1981), работавшие в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Париже, Франция, подали заявку на патент на усилитель на основе неосновной несущей. процесс впрыска, который они назвали «транзистроном». Поскольку Bell Labs не объявляла о транзисторе публично до июня 1948 года, транзистрон считался разработанным независимо.Матаре впервые наблюдал эффекты крутизны при производстве германиевых дуодиодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзистроны коммерчески производились для французской телефонной компании и вооруженных сил, а в 1953 году твердотельный радиоприемник с четырьмя транзистронами был продемонстрирован на Дюссельдорфской радиоярмарке.

Динамическая характеристика транзистора могла отображаться в виде кривых на раннем Transistor Curve Tracer

Шаблон: Начало плавания | — align = «center» | 50px || ПНП || 80px || P-канал | — align = «center» | 50px || NPN || 80px || N-канал | — align = «center» | BJT || || JFET || Шаблон: плавающий конец

Транзисторы подразделяются на:

  • Материал полупроводника: германий, кремний, арсенид галлия, карбид кремния
  • Структура: BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, «другие типы»
  • Полярность: NPN, PNP, N-канал, P-канал
  • Максимальная мощность: низкая, средняя, ​​высокая
  • Максимальная рабочая частота: низкая, средняя, ​​высокая, радиочастота (RF), микроволновая печь (максимальная эффективная частота транзистора обозначается термином, сокращенным от «частота перехода.«Частота перехода — это частота, при которой транзистор дает единичное усиление».
  • Применение: переключатель, общего назначения, аудио, высокое напряжение, супер-бета, согласованная пара
  • Физическая упаковка: металл сквозного отверстия, пластик сквозного отверстия, поверхностный монтаж, решетка шариков

Таким образом, конкретный транзистор может быть описан как: кремний , поверхностный монтаж, BJT, NPN, маломощный, высокочастотный переключатель .

Биполярный переходной транзистор [редактировать | править источник]

Биполярный транзистор (BJT) был первым типом транзистора, который производился серийно.Биполярные транзисторы названы так потому, что они проводят с использованием как основных, так и неосновных носителей. Три терминала имеют названия , эмиттер , базовый и коллектор . Внутри BJT существуют два p-n перехода: переход база / коллектор и переход база / эмиттер . BJT обычно описывается как устройство, работающее от тока, поскольку ток эмиттера / коллектора контролируется током, протекающим между выводами базы и эмиттера. В отличие от полевого транзистора, BJT представляет собой устройство с низким входным сопротивлением.BJT имеет более высокую крутизну, чем полевой транзистор. Биполярные транзисторы могут проводить как свет (фотоны), так и ток. Устройства, предназначенные для этой цели, называются фототранзисторами.

Полевой транзистор [править | править источник]

Полевой транзистор (FET), иногда называемый униполярным транзистором , использует для проводимости электроны (N-канальный FET) или дырки (P-канальный FET). Три основных вывода полевого транзистора названы исток , затвор и сток .На некоторых полевых транзисторах предусмотрено четвертое соединение с корпусом (подложкой), но обычно корпус подключается к источнику внутри.

Напряжение, приложенное между затвором и истоком, регулирует ток, протекающий между истоком и стоком. В полевых транзисторах ток истока / стока протекает через проводящий канал около затвора , . Этот канал соединяет область истока с областью стока . Проводимость канала изменяется за счет электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным между выводами затвор / исток.Таким образом регулируется ток, протекающий между истоком и стоком. Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут проводить свет (фотоны), а также напряжение. Устройства, предназначенные для этой цели, называются фототранзисторами.

Полевые транзисторы

делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) из-за их первоначальной конструкции как слой металла (затвор), слой оксида (изоляция) и слой полупроводника.В отличие от IGFET, затвор JFET образует PN-диод с каналом, который находится между истоком и стоком. Функционально это делает N-канальный полевой транзистор JFET твердотельным эквивалентом триода для электронных ламп, который аналогично образует диод между своей сеткой и катодом. Кроме того, оба устройства работают в режиме истощения , они оба имеют высокий входной импеданс и оба проводят ток под контролем входного напряжения.

MESFET — это полевые транзисторы JFET, в которых обратносмещенный PN-переход заменен переходом Шоттки полупроводник-металл.Они, а также HEMFET (полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (микроволновые частоты; несколько ГГц).

Полевые транзисторы

подразделяются на типов режима истощения и режима улучшения . Режим относится к полярности напряжения затвора по отношению к источнику на пороге проводимости. Для полевых транзисторов с N-канальным режимом истощения затвор является отрицательным по отношению к источнику, тогда как для полевых транзисторов с N-канальным расширенным режимом затвор является положительным на пороге проводимости.Для обоих режимов, если напряжение затвора сделать более положительным, ток истока / стока увеличится. Для устройств с P-каналом полярность обратная. Почти все полевые транзисторы JFET являются типами в режиме истощения, а большинство IGFET — в режиме расширения.

Другие типы транзисторов [править | править источник]

  • Однопереходные транзисторы могут использоваться как простые генераторы импульсов. Они состоят из основного корпуса полупроводника P-типа или N-типа с омическими контактами на каждом конце (клеммы Base1 и Base2 ).Переход с противоположным типом полупроводника формируется в точке по длине корпуса для третьего вывода (, эмиттер, ).
  • Полевые транзисторы с двумя затворами имеют один канал с двумя затворами в каскоде; конфигурация, оптимизированная для высокочастотных усилителей , смесителей и генераторов.
  • Матрицы транзисторов используются для приложений общего назначения, для генерации функций и низкоуровневых, малошумящих усилителей .Они включают в себя два или более транзисторов на общей подложке для обеспечения точного согласования параметров и теплового отслеживания, характеристик, которые особенно важны для усилителей с длинными хвостовиками.
  • Транзисторы Дарлингтона содержат биполярный транзистор средней мощности, подключенный к силовому биполярному транзистору. Это обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления по току двух транзисторов. Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования.
  • Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) используют IGFET средней мощности, аналогично подключенный к силовому BJT, чтобы обеспечить высокий входной импеданс.Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования. IGBT особенно подходят для тяжелых промышленных приложений. Asea Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 [2] показывает, насколько далеко продвинулась технология силовых полупроводников. Это устройство, предназначенное для трехфазных источников питания, вмещает три NPN IGBT в корпусе размером 38 на 140 на 190 мм и весом 1,5 кг. Каждый IGBT рассчитан на 1700 вольт и может выдерживать 2400 ампер.
  • Одноэлектронные транзисторы (SET) состоят из островка затвора между двумя туннельными переходами.Туннельный ток регулируется напряжением, подаваемым на затвор через конденсатор. [3] [4]
  • Полный список типов транзисторов T-Transistor.com

Полупроводниковый материал [редактировать | править источник]

Первые биполярные транзисторы были сделаны из германия (Ge), и некоторые из них до сих пор используются с высокой мощностью. Типы кремния (Si) в настоящее время преобладают, но в некоторых усовершенствованных микроволновых и высокопроизводительных версиях теперь используются составной полупроводниковый материал , арсенид галлия (GaAs) и полупроводниковый сплав , кремний-германий (SiGe).Одноэлементный полупроводниковый материал (Ge и Si) описывается как элементарный .

Характеристики наиболее распространенных полупроводниковых материалов, используемых для изготовления транзисторов, приведены в таблице ниже:

Характеристики полупроводникового материала
Полупроводник
материал
Переход вперед
напряжение
В при 25 ° C
Подвижность электронов
м / с при 25 ° C
Подвижность отверстий
м / с при 25 ° C
Макс.температура соединения.
° С
Ge 0,27 0,39 0,19 от 70 до 100
Si 0,71 0,14 0,05 от 150 до 200
GaAs 1,03 0,85 0,05 от 150 до 200
переход Al-Si 0,3 от 150 до 200

Прямое напряжение перехода — это напряжение, приложенное к переходу эмиттер-база BJT, чтобы заставить базу проводить заданный ток.Ток экспоненциально увеличивается по мере увеличения прямого напряжения перехода. Значения, приведенные в таблице, являются типичными для тока 1 мА (те же значения применимы к полупроводниковым диодам). Чем ниже прямое напряжение перехода, тем лучше, поскольку это означает, что для «управления» транзистором требуется меньше энергии. Прямое напряжение перехода для данного тока уменьшается с температурой. Для типичного кремниевого перехода изменение составляет примерно -2,1 мВ / ° C.

Подвижность электронов Столбцы и подвижности дырок показывают среднюю скорость, с которой электроны и дырки диффундируют через полупроводниковый материал с электрическим полем 1 вольт на метр, приложенным к материалу.Как правило, чем выше подвижность электронов, тем быстрее транзистор. Таблица показывает, что Ge в этом отношении является лучшим материалом, чем Si. Однако Ge имеет четыре основных недостатка по сравнению с кремнием и арсенидом галлия: его максимальная температура ограничена, он имеет относительно высокий ток утечки, он не выдерживает высоких напряжений и менее подходит для изготовления интегральных схем. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок для всех полупроводниковых материалов, данный биполярный транзистор NPN имеет тенденцию быть быстрее, чем эквивалентный тип транзистора PNP.GaAs обладает самой быстрой подвижностью электронов из трех полупроводников. Именно по этой причине GaAs используется в высокочастотных приложениях. Относительно недавняя разработка полевого транзистора, транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), имеет гетероструктуру (соединение между различными полупроводниковыми материалами) из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) -арсенида галлия (GaAs), который имеет двойную подвижность электронов по сравнению с GaAs- металлический барьерный переход. Из-за их высокой скорости и низкого уровня шума HEMT используются в спутниковых приемниках, работающих на частотах около 12 ГГц.

Макс. Значения температуры перехода представляют собой значения поперечного сечения, взятые из технических данных различных производителей. Эту температуру нельзя превышать, иначе можно повредить транзистор.

Переход Al-Si относится к быстродействующему (алюминий-кремний) полупроводниково-металлическому барьерному диоду, широко известному как диод Шоттки. Это включено в таблицу, потому что некоторые кремниевые силовые IGFET-транзисторы имеют паразитный обратный диод Шоттки , сформированный между истоком и стоком как часть процесса изготовления.

Упаковка [править | править источник]

Файл: Transistor-photo.JPG

Транзисторы со сквозным отверстием (рулетка, отмеченная в сантиметрах)

Транзисторы бывают разных корпусов (держателей микросхем) (см. Изображения). Двумя основными категориями являются со сквозным отверстием (или с выводами ) и для поверхностного монтажа , также известное как устройство для поверхностного монтажа (SMD). Матрица с шариковой решеткой (BGA) — это новейший корпус для поверхностного монтажа (в настоящее время только для больших массивов транзисторов ).На обратной стороне вместо выводов расположены «шарики» припоя. Поскольку они меньше по размеру и имеют более короткие межсоединения, SMD имеют лучшие высокочастотные характеристики, но меньшую номинальную мощность.

Корпуса транзисторов изготавливаются из стекла, металла, керамики или пластика. Пакет часто диктует номинальную мощность и частотные характеристики. Силовые транзисторы имеют большие корпуса, которые можно прикрепить к радиаторам для улучшения охлаждения. Кроме того, у большинства силовых транзисторов коллектор или сток физически соединены с металлической банкой / металлической пластиной.С другой стороны, некоторые СВЧ-транзисторы для поверхностного монтажа имеют размер как песчинки.

Часто транзисторы определенного типа доступны в разных корпусах. Пакеты транзисторов в основном стандартизированы, но назначение функций транзистора клеммам — нет: разные типы транзисторов могут назначать разные функции клеммам корпуса. Даже для одного и того же типа транзистора назначение выводов может различаться (обычно обозначается буквой суффикса к номеру детали — i.е. BC212L и BC212K).

На заре разработки схем транзисторов биполярный переходной транзистор, или BJT, был наиболее часто используемым транзистором. Даже после того, как полевые МОП-транзисторы стали доступны, BJT оставался предпочтительным транзистором для цифровых и аналоговых схем из-за простоты их изготовления и скорости. Однако полевой МОП-транзистор имеет несколько желаемых свойств для цифровых схем, и с тех пор, как значительные достижения в цифровых схемах подтолкнули дизайн МОП-транзистора к современному уровню техники. MOSFET теперь широко используются как для аналоговых, так и для цифровых функций.

Файл: BJT Switch.png

Транзистор BJT, используемый в качестве электронного переключателя

Файл: BJT Amplifier.png

Принципиальная схема усилителя

Переключатели [редактировать | править источник]

Транзисторы

обычно используются в качестве электронных переключателей как для приложений высокой мощности, включая источники питания | импульсные источники питания]], так и для приложений с низким энергопотреблением, таких как логические вентили.

Усилители

[править | править источник]

От мобильных телефонов до телевизоров — огромное количество товаров включает усилители для воспроизведения звука, радиопередачи и обработки сигналов.Первые дискретные транзисторные усилители звука едва выдавали несколько сотен милливатт, но мощность и качество звука постепенно увеличивались по мере появления лучших транзисторов и развития архитектуры усилителя.

Транзисторы обычно используются в усилителях современных музыкальных инструментов, где схемы мощностью до нескольких сотен ватт являются обычными и относительно дешевыми. Транзисторы в значительной степени заменили клапаны в инструментальных усилителях. Некоторые производители усилителей для музыкальных инструментов смешивают в одной цепи транзисторы и вакуумные лампы, чтобы использовать преимущества обоих устройств.

Компьютеры [править | править источник]

Электронные компьютеры «первого поколения» использовали электронные лампы, которые выделяли большое количество тепла, были громоздкими и ненадежными. Разработка транзистора была ключом к миниатюризации и надежности компьютера. «Второе поколение» компьютеров, до конца 1950-х и 1960-х годов, состояло из плат, заполненных отдельными транзисторами и сердечниками магнитной памяти. Впоследствии транзисторы, другие компоненты и их необходимая проводка были объединены в единый массовый компонент: интегральную схему.Транзисторы, встроенные в интегральные схемы, заменили большинство дискретных транзисторов в современных цифровых компьютерах.

Преимущества транзисторов перед электронными лампами [править | править источник]

До разработки транзисторов электронные лампы (или в Великобритании термоэлектронных клапанов или просто клапанов ) были основными активными компонентами в электронном оборудовании. Ключевые преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников на электронных лампах в большинстве приложений:

  • Меньший размер (несмотря на продолжающуюся миниатюризацию электронных ламп)
  • Высокоавтоматизированное производство
  • Снижение затрат (при массовом производстве)
  • Более низкие возможные рабочие напряжения (но вакуумные лампы могут работать и при более высоких напряжениях)
  • Нет периода прогрева (большинству электронных ламп для правильной работы требуется от 10 до 60 секунд)
  • Меньшее рассеивание мощности (отсутствие мощности нагревателя, очень низкое напряжение насыщения)
  • Более высокая надежность и большая физическая прочность (хотя вакуумные лампы электрически более прочны.Также вакуумная трубка намного более устойчива к ядерным электромагнитным импульсам (NEMP) и электростатическому разряду (ESD))
  • Значительно более длительный срок службы (катоды вакуумных ламп в конечном итоге израсходуются, и вакуум может загрязняться)
  • Доступны дополнительные устройства (допускаются схемы с комплементарной симметрией : вакуумные лампы с полярностью, эквивалентной PNP BJT или полевым транзисторам P-типа, недоступны)
  • Способность управлять большими токами (доступны силовые транзисторы для управления сотнями ампер, электронные лампы для управления даже одним ампером большие и дорогостоящие)
  • Намного менее микрофонный (вибрация может модулировать характеристики вакуумной лампы, хотя это может способствовать звучанию гитарных усилителей)

« Природа ненавидит вакуумную лампу » Myron Glass (см. John R.Пирс), Bell Telephone Laboratories, около 1948 г.

Широкий спектр транзисторов доступен с 1960-х годов, и производители постоянно вводят улучшенные типы. Ниже приведены несколько примеров из основных семейств. Если не указано иное, все типы изготавливаются из кремниевых полупроводников. Дополнительные пары показаны как канал NPN / PNP или N / P. Ссылки ведут к таблицам данных производителя, которые находятся в формате PDF. (В некоторых таблицах данных точность указанной категории транзисторов вызывает споры.)

  • 2N3904 / 2N3906, BC182 / BC212 и BC546 / BC556: универсальные, BJT, универсальные, маломощные, дополнительные пары. У них есть пластиковые корпуса, и они стоят примерно десять центов США в небольших количествах, что делает их популярными среди любителей.
  • AF107: Германий, 0,5 Вт, 250 МГц PNP BJT.
  • BFP183: низкое энергопотребление, микроволновая печь, 8 ГГц, NPN BJT.
  • LM394: «пара суперматч», с двумя NPN BJT на одной подложке.
  • 2N2219A / 2N2905A: BJT, общего назначения, средней мощности, дополнительная пара.В металлических корпусах они рассчитаны примерно на один ватт.
  • 2N3055 / MJ2955: В течение многих лет уважаемый NPN 2N3055 был «стандартным» силовым транзистором. Его дополнение, PNP MJ2955, прибыло позже. Эти BJT 1 МГц, 15 А, 60 В, 115 Вт используются в усилителях мощности звука, источниках питания и системах управления.
  • 2SC3281 / 2SA1302: Эти BJT, сделанные Toshiba, имеют характеристики с низким уровнем искажений и используются в мощных усилителях звука. Они широко подделывались [5].
  • BU508: NPN, питание 1500 В, BJT. Разработанный для горизонтального отклонения телевизионных сигналов, его способность к высоковольтному напряжению также делает его пригодным для использования в системах зажигания.
  • MJ11012 / MJ11015: 30 А, 120 В, 200 Вт, дополнительная пара BJT Дарлингтона большой мощности. Используется в усилителях звука, управлении и переключении мощности.
  • 2N5457 / 2N5460: JFET (режим истощения), общего назначения, малой мощности, дополнительная пара.
  • BSP296 / BSP171: IGFET (режим улучшения), средняя мощность, почти комплементарная пара.Используется для преобразования логического уровня и управления силовыми транзисторами в усилителях.
  • IRF3710 / IRF5210: IGFET (режим улучшения), 40 А, 100 В, 200 Вт, пара почти комплементарная. Для мощных усилителей и переключателей мощности, особенно в автомобилях.

Патентов [править | править источник]

Книги [править | править источник]

Другое [править | править источник]

Шаблон: Викиучебники

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *