Биполярный транзистор схемы включения – Биполярный транзистор. Схемы включения. — Help for engineer

Содержание

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

  1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
  2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
  3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
  4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей – электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения биполярных транзисторов способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками – основными носителями. Образуется базовый ток Iб. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: Iэ = Iб + Iк.

Параметры транзисторов

  1. Коэффициенты усиления по напряжению Uэк/Uбэ и току: β = Iк/Iб (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
  2. Входное сопротивление.
  3. Частотная характеристика – работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором: сигнал поступает на резистор RL, который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С1, а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор RL, а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (Vin), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (VCE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С1, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R1, через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе RL вместе равны величине ЭДС: VCC = ICRL + VCE.

Таким образом, небольшим сигналом Vin на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании каскадов усиления. Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения VБЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания VCC, а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: IC = (VCC — VCE)/RC. Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора IC и напряжение VCE, будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы IВ.

Зона между осью VCE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где IВ = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток IC ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью IC и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Транзисторные ключи предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

fb.ru

1. Биполярный транзистор и схемы его включения

Биполярный
транзистор содержит два pn
перехода,
которые образуются тремя слоями
полупроводниковых материалов с
чередующимися типами проводимостей,
как условно показано на рис.1.7. Каждый
из слоев снабжен электродом, необходимым
для подключения к внешней цепи, и которые
называются эмиттер, база и коллектор.
Pn
переход
на границе эмиттерного слоя называется
эмиттерным, а pn
переход на границе коллекторного слоя
называют коллекторным. Возможны два
типа транзисторов (pnp
и npn)
в соответствии с основными носителями
заряда в полупроводниковых материалах,
используемых в крайних слоях, эмиттерном
и коллекторном, а также в среднем, базовом
слое. На рис.1.7 также представлены схемные
обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением
эмиттерного слоя является формирование
рабочих носителей заряда транзистора.
Тип этих носителей определяется
проводимостью материала эмиттерного
слоя. Следовательно, в транзисторе типа
pnp
рабочими
носителями заряда являются дырки, а в
транзисторе типа npn

электроны.

Рисунок
1.7. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа
npn
и
pnp
и их схемные обозначения

В
коллекторном слое осуществляется сбор
рабочих носителей заряда, которые при
переносе от эмиттера к коллектору
проходят базовый слой. В базовом слое
часть рабочих носителей заряда
нейтрализуется основными зарядами
материала этого слоя (процесс
рекомбинации), что схематически
представлено на рис.1.8 для транзистора
типа npn.
Биполярные транзисторы изготовляются
так, что концентрация основных носителей
заряда в эмиттерном слое много больше
концентрации основных носителей заряда
базового слоя. Кроме того, базовый слой
делается тонким. В результате в этом
слое нейтрализуется лишь малая часть
носителей заряда, поступающая из
эмиттера, а основная часть рабочих
носителей заряда проходит до коллектора.

Рисунок
1.8. Распределение токов в транзисторе
npn

Для
обеспечения описанного процесса переноса
рабочих носителей заряда в биполярном
транзисторе необходимо между его
электродами подать напряжения
соответствующей полярности от источников
ЭДС. Одна из схем включения транзистора
приведена на рис.1.8. Чтобы рабочие
носители заряда (электроны) из эмиттерного
слоя поступали в базовый, эмиттерный
переход должен быть открыт, т.е. к
эмиттерному электроду должен быть подан
“минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы
эти носители заряда из базового слоя
достигли коллектора, к коллектору должен
быть подан “плюс” относительно базы.
Таким образом, для основных носителей
заряда базового и коллекторного слоев
коллекторный переход оказывается
закрытым.

Перенос
рабочих носителей заряда в транзисторе
обусловливает протекание тока во внешней
цепи. Поскольку техническое направление
тока соответствует направлению переноса
положительного заряда, то эмиттерный
ток для транзистора типа npn
направлен от эмиттера, а коллекторный
ток – к коллектору (см. рис.1.8).

Основную
часть коллекторного тока составляет
поток рабочих носителей заряда. Однако
следует учитывать перенос через закрытый
коллекторный переход неосновных
носителей заряда базового и коллекторного
слоев и связанное с этим протекание в
коллекторной цепи обратного тока
коллекторного перехода I
(см. рис.1.8). Таким образом, если ввести
в рассмотрение коэффициент передачи
тока
,
показывающий, какая часть рабочих
носителей заряда прошла к коллектору,
то величина коллекторного тока транзистора
может быть определена как

I
=
I
+ I.
(1.1)

При
низких температурах величина обратного
тока коллекторного перехода мала. Однако
при работе температура транзистора
повышается, из-за чего возрастает
концентрация неосновных носителей
заряда в базовом и коллекторном слоях
и существенно увеличивается обратный
ток, значение которого удваивается
через каждые 8 — 10
С.

Восполнение
дырок в базовом слое, с которыми
рекомбинируются электроны, поступающие
из эмиттерного слоя, осуществляется за
счет источников ЭДС внешней цепи. Это
обусловливает протекание базового
тока, величина которого значительно
меньше тока эмиттера, вследствие малой
доли рабочих носителей заряда, которые
рекомбинируются в базовом слое. В
транзисторе типа npn
ток базы направлен к этому электроду.
Функция базового электрода – управление
потоком рабочих носителей заряда.
Поскольку величина базового тока мала,
то и уровень мощности, потребляемой
транзистором на управление, невелик, в
результате чего достигается эффективное
управление током базы, протекающего
через транзистор тока.

Токи
транзистора должны удовлетворять
первому закону Кирхгофа

I=
I
+ I.
(1.2)

Поскольку
ток базы мал, часто при расчетах полагают,
что I
I.

На
рис.1.8 представлено включение транзистора
по схеме с общей базой (ОБ). Наряду с
такой схемой на рис.1.9 представлены еще
две возможные схемы включения транзистора:
с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором
(ОК). Как видно из этого рисунка, схемы
содержат две внешние цепи с соответствующими
источниками ЭДС: входная (левые части
схем) и выходная (правые части). Наименование
схемы включения определяется по
электроду, который является общим для
двух этих цепей. Во всех трех схемах
базовый электрод входит в состав входной
цепи, поскольку по базе осуществляется
управление работой транзистора. Нагрузка
включается в выходную цепь.

Рисунок
1.9. Схемы включения биполярного транзистора
типа
npn

а — с общей базой, б
— с общим эмиттером, в — с общим коллектором

Полярность
напряжений источников ЭДС и направления
токов, показанные на рис. 1.9, приведены
для транзистора типа npn.
В случае транзистора типа pnp,
в связи с изменением типа рабочего
носителя заряда, полярности напряжений
источников ЭДС и направления токов
должны быть изменены на противоположные.

Входные и выходные
токи в трех схемах включения транзистора,
а также напряжения между его электродами,
определяемые источниками ЭДС, различны
и перечислены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

studfiles.net

Схемы включения биполярных 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!
Подробнее об истории транзисторов
смотрите здесь.

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.

********************************

СХЕМЫ
ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Любой
усилитель, независимо от частоты,
содержит от одного до нескольких каскадов
усиления. Для того, чтобы иметь
представление по схемотехнике
транзисторных усилителей, рассмотрим
более подробно их принципиальные схемы.

Транзисторные
каскады, в зависимости от вариантов
подключения транзисторов, подразделяются
на:

1
Каскад
с общим эмиттером

(на схеме показан каскад с фиксированным
током базы — это одна из разновидностей
смещения транзистора).

studfiles.net

что это такое, как работает, схемы включения, режимы работы

Применение полупроводниковых приборов (ПП) широко распространено в радиоэлектронике. Благодаря этому уменьшились габариты различных устройств. Широкое применение получил биполярный транзистор, благодаря некоторым особенностям его функционал шире, чем у простого полевого транзистора. Чтобы понять, для чего он нужен и в при каких условиях применяется, необходимо рассмотреть его принцип действия, способы подключения и классификацию.

Устройство и принцип действия

Транзистор – электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского “выпускать”) – тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского “собиратель”) служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току – Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине – большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины – ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран – транзистором, вода – Iк, степень поворота ручки крана – Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран – совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

  1. Активный.
  2. Отсечки (РО).
  3. Насыщения (РН).
  4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Схемы включения

Для корректного применения и подключения БТ нужно знать их классификацию и тип. Классификация биполярных транзисторов:

  1. Материал изготовления: германий, кремний и арсенидогаллий.
  2. Особенности изготовления.
  3. Рассеиваемая мощность: маломощные (до 0,25 Вт), средние (0,25-1,6 Вт), мощные (выше 1,6 Вт).
  4. Предельная частота: низкочастотные (до 2,7 МГц), среднечастотные (2,7-32 МГц), высокочастотные (32-310 МГц), сверхвысокочастотные (более 310 МГц).
  5. Функциональное назначение.

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

  1. Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
  2. Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
  3. Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
  4. Усилительные мощные высоковольтные.
  5. Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
  6. Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
  7. Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

  1. Р-n-p.
  2. N-p-n.

Существует 3 схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:

  1. Общая Б.
  2. Общий Э.
  3. Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

Схема применяется на высоких частотах, позволяя оптимально использовать частотную характеристику. При подключении одного БТ по схеме с ОЭ, а потом с ОБ его частота работы усилится. Эту схему подключения применяют в усилителях антенного типа. Уровень шумов на высоких частотах снижается.

Достоинства:

  1. Оптимальные значения температуры и широкий диапазон частот (f).
  2. Высокое значение Uк.

Недостатки:

  1. Низкое усиление по I.
  2. Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

При подключении по этой схеме происходит усиление по U и I. Схему можно запитать от одного источника. Часто применяется в усилителях мощности (P).

Достоинства:

  1. Высокие коэффициенты усиления по I, U, P.
  2. Один источник питания.
  3. Происходит инвертирование выходного переменного U относительно входного.

Обладает существенными недостатками: наименьшая температурная стабильность и частотные характеристики хуже, чем при подключении с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Входное U полностью передается обратно на вход, и Кi аналогичен при подключении с ОЭ, но по U он низкий.

Этот тип включения применяют для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или при источнике входного сигнала, который имеет высокое выходное R (микрофон конденсаторного типа или звукосниматель). К достоинствам можно отнести следующие: большое значение входного и малого выходного R. Недостатком является низкий коэффициент усиления по U.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

  1. Коэффициент усиления по I.
  2. Входное и выходное R.
  3. Обратный Iк-э.
  4. Время включения.
  5. Частота передачи Iб.
  6. Обратный Iк.
  7. Максимальное значение I.

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех областях человеческой деятельности. Основное применение устройства получили в приборах для усиления, генерации электрических сигналов, а также выполняют роль коммутируемого элемента. Их применяют в различных усилителях мощности, в обыкновенных и импульсных блоках питания с возможностью регулирования значений U и I, в компьютерной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различной защиты потребителей от перегрузок, скачков U, короткого замыкания. Широкое применение получили в горно-добывающей, металлургической сферах.

odinelectric.ru

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы — radiohlam.ru

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β.

Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт.

Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): IБ*β=IK.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить hFE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (IК=β*IБ) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

И снова вперёд!

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(IК+IБ)/IБ=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Продолжение следует…

radiohlam.ru

Как работает биполярный транзистор | Volt-info

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

 Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

 Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично диоду. При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его «смещение». Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную.

 Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема, в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки, активный режим и режим насыщения.

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

UБЭ<0,6 В

или

IБ=0

Активный режим

В активном режиме эмиттерный переход смещается в прямом направлении до момента отпирания (начала протекания тока) напряжением больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов), а коллекторный – в обратном. Если база обладает проводимостью p-типа, происходит перенос (инжекция) электронов из эмиттера в базу, которые моментально распределяются в тонком слое базы и почти все достигают границы коллектора. Насыщение базы электронами приводит к значительному уменьшению размеров коллекторного перехода, через который электроны под действием отрицательного потенциала со стороны эмиттера и базы вытесняются в область коллектора, стекая через вывод коллектора, обуславливая тем самым ток коллектора. Очень тонкий слой базы ограничивает её максимальный ток, проходящий через очень малое сечение поперечного разреза в направлении вывода базы. Но эта малая толщина базы обуславливает её быстрое насыщение электронами. Площадь переходов имеет значительные размеры, что создаёт условия для протекания значительного тока эмиттер-коллектор, в десятки и сотни раз превышающий ток базы. Таким образом, пропуская через базу незначительные токи, мы можем создавать условия для прохождения через коллектор токов гораздо большей величины. Чем больше ток базы, тем больше её насыщение, и тем больше ток коллектора. Такой режим позволяет плавно управлять (регулировать) проводимостью коллекторного перехода соответствующим изменением (регулированием) тока базы. Это свойство активного режима транзистора используется в схемах различных усилителей.

В активном режиме ток эмиттера транзистора складывается из тока базы и коллектора:

IЭ=IК+IБ

Ток коллектора можно выразить соотношением:

IК=αIЭ

где α – коэффициент передачи тока эмиттера

Из приведённых равенств можно получить следующее:

где β – коэффициент усиления тока базы.

Режим насыщения

Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и ни как не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы.

Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.

 

Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами

Выше был рассмотрен случай работы транзистора n-p-n структуры. Транзисторы p-n-p структуры работают аналогично, но есть принципиальные отличия, которые следует знать. Полупроводниковый материал с акцепторной проводимостью p-типа обладает сравнительно низкой пропускной способностью электронов, так как основан на принципе перехода электрона от одного вакантного места (дырки) к другому. Когда все вакансии замещены электронами, то их движение возможно только по мере появления вакансий со стороны направления движения. При значительной протяжённости участка такого материала он будет обладать значительным электрическим сопротивлением, что приводит к большим проблемам при его использовании в качестве наиболее массивных коллекторе и эмиттере биполярных транзисторов p-n-p типа, чем при использовании в очень тонком слое базы транзисторов n-p-n типа. Полупроводниковый материал с донорной проводимостью n-типа обладает электрическими свойствами проводящих металлов, что делает его более выгодным для использования в качестве эмиттера и коллектора, как в транзисторах n-p-n типа.

Эта отличительная особенность различных структур биполярных транзисторов приводит к большим затруднениям при производстве пар компонент с различными структурами и аналогичными друг другу электрическими характеристиками. Если обратить внимание на справочные данные характеристик пар транзисторов, можно заметить, что при достижении одинаковых характеристик двух транзисторов различных типов, например КТ315А и КТ361А, несмотря на их одинаковую мощность коллектора (150 мВт) и примерно одинаковый коэффициент усиления по току (20-90), у них отличаются максимально допустимые токи коллектора, напряжения эмиттер-база и пр.

 

P.S. Данное описание принципа действия транзистора было интерпретировано с позиции Русской Теории, поэтому здесь нет описания действия электрических полей на вымышленные положительные и отрицательные заряды. Русская Физика даёт возможность пользоваться более простыми, понятными механическими моделями, наиболее приближенными к действительности, чем абстракции в виде электрических и магнитных полей, положительных и электрических зарядов, которые вероломно подсовывает нам традиционная школа. По этой причине не рекомендую без предварительного анализа и осмысления пользоваться изложенной теорией при подготовке к сдаче контрольных, курсовых и иных видов работ, Ваши преподаватели могут просто не принять инакомыслие, даже конкурентоспособное и вполне состоятельное с точки зрения здравого смысла и логики. Кроме того, с моей стороны это первая попытка описания работы полупроводникового прибора с позиции Русской Физики, может уточняться и дополняться в дальнейшем.

volt-info.ru

Как работает PNP транзистор | Практическая электроника

Виды биполярных транзисторов

Первым делом давайте вспомним, какой проводимости бывают биполярные транзисторы. Кто читал предыдущие статьи, думаю помнят, что транзисторы бывают NPN проводимости:

и PNP проводимости

Принцип работы PNP транзистора

Рассмотрим вот такой рисунок:

Здесь мы видим трубу, по которой течет вода снизу вверх под высоким давлением. В данный момент труба закрыта красной заслонкой и поэтому потока воды нет.

Но как только  мы оттягиваем заслонку, чуток потянув зеленый рычажок, то красная заслонка оттягивается и бурный поток воды бежит по трубе снизу вверх.

Но вот мы снова отпускаем зеленый рычажок, и синяя пружина возвращает заслонку в исходное положение и преграждает путь воде

То есть мы чуток притянули заслонку к себе, и вода побежала через трубу бешеным потоком. Почти точно также ведет себя PNP транзистор. Если представить эту трубу как транзистор, то его выводы будут выглядеть вот так:

Значит, для того, чтобы ток бежал от эмиттера к коллектору (а вы ведь помните, что ток должен бежать туда, куда показывает стрелка эмиттера)

мы должны сделать так, чтобы из базы вытекал ток, или выражаясь дилетантским языком, подавать на базу минус питания (“оттягивать” напряжение на себя).

Практический опыт

Ну что, давайте проведем долгожданный опыт. Для этого возьмем транзистор КТ814Б, который является комплиментарной парой транзистору КТ815Б.

Кто плохо читал прошлые статьи, хочу напомнить, что комплиментарная пара для кого-либо транзистора – это транзистор точно с такими же характеристиками и параметрами, НО  у него просто-напросто другая проводимость. Это значит, что транзистор КТ815 у  нас обратной проводимости, то есть NPN, а КТ814 прямой проводимости, то есть PNP. Справедливо также и обратное: для транзистора КТ814 комплиментарной парой является транзистор КТ815. Короче говоря, зеркальные братья-близнецы.

Транзистор КТ814Б является транзистором PNP проводимости:

Вот его цоколевка:

Для того, чтобы показать принцип его работы, мы его соберем по схеме с Общим Эмиттером (ОЭ):

На деле вся схема выглядит как-то так:

Синие проводки-крокодилы идут от блока питания Bat1, а другие два провода с крокодилами, черный и красный, от блока питания Bat2.

Итак, для того, чтобы схема заработала, выставляем на Bat2 напряжение для питания лампочки накаливания. Так как лампочка у нас на 6 Вольт, то и выставляем 6 Вольт.

На блоке питания Bat1 аккуратно добавляем напряжение от нуля и пока не загорится лампочка накаливания. И вот при напряжении в 0,6 Вольт

у нас загорелась лампочка

То есть транзистор “открылся” и через цепь эмиттер-коллектор побежал электрический ток, который заставил гореть нашу лампочку. Напряжение открытия – это падение напряжение на PN-переходе база-эмиттер. Как вы помните, для кремниевых транзисторов ( а транзистор КТ814Б у нас кремниевый, об этом говорит буква “К” в начале его названия) это значение находится в диапазоне 0,5-0,7 Вольт. То есть чтобы “открыть” транзистор, достаточно подать на базу-эмиттер напряжение более, чем 0,5-0,7 Вольт.

Схемы включения NPN и PNP транзисторов

Итак, посмотрите на две схемы и найдите разницу. Слева NPN транзистор КТ815Б в схеме с ОЭ, а справа КТ814Б по такой же схеме включения:

Ну и в чем заключается различие? Да в полярности питания! И вот теперь можно с уверенностью сказать, что транзистор проводимости PNP открывается “минусом”, так как на базу мы подаем “минус”, а транзистор проводимости NPN открывается “плюсом”.

www.ruselectronic.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о