Биполярный транзистор схемы включения: Схемы включения биполярных транзисторов — ООО «УК Энерготехсервис»

Схемы включения биполярных транзисторов.

На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярных транзисторов и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора, в первую очередь, и используется. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера I_э, на выходе I_к.

I_э = I_к + I_б

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе.

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает? 🙂 Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту U_{бэ}. Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает U_{бэ}, что приводит к росту тока эмиттера. А рост I_э приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания U_{ос}) – уменьшилось напряжение U_{бэ}.

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо… Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу 🙂 Если резисторы R_1 и R_2 равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора.

Чем бы еще улучшить нашу схему… Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот! Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 🙂 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи!

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в \(n\)-\(p\)-\(n\)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3):

Рис. 1.3. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)

Режимы работы биполярного транзистора схемы

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

1. отсечка;
2. активный режим;
3. насыщение;
4. барьерный режим.

Существует ещё так называемый инверсный режим, но он на практике не используется и интересен только при теоретических исследованиях поведения полупроводников. Поэтому опишем подробнее только четыре первых.

1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.

В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике, когда БТ играет роль ключа в замкнутом положении.

4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Основные параметры биполярных транзисторов:

1. Максимально допустимый постоянный ток коллектора;
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база-эмиттер;
3. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и токе базы, равным нулю;
4. Максимальное напряжение коллектор-база при заданном токе коллектора и токе эмиттера, равным нулю;
5. Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база при токе коллектора, равном нулю;
6. Максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе;
7. Статический коэффициент передачи тока;
8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером;
9. Обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера;
10. Обратный ток эмиттера. Ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора;
11. Граничная частота коэффициента передачи тока;
12. Коэффициент шума;
13. Емкость коллекторного перехода;
14. Максимально допустимая температура перехода.

Транзистор, в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

Входной характеристикой является зависимость:

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (а).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКБ) при IЭ = const (б).

Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ; 2 – слабая зависимость Iк от UКБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Входной характеристикой является зависимость:

IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (б).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКЭ) при IБ = const (а).

Режим работы биполярного транзистора

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы – усиление, генерация.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент – транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют выходную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Другие элементы схемы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Ек.

Резистор RБ, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора при отсутствии входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя IБ = Ек/RБ. С помощью резистора Rк создается выходное напряжение. Rк выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:

сумма падения напряжения на резисторе Rк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания Ек.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

5)Что такое полевой транзистор? Какие виды бывают?

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором ре-

гулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего

канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполяр-

ного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и

затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и ис-

током. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость кана-

ла, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно

рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Ес-

ли амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротив-

ление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае поле-

вой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

-с управляющим p–n-переходом;

-с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком.

Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл –

диэлектрик – полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является

двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-

транзисторы (металл – окисел – полупроводник). В современных МОП-

транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический

кремний. Однако название МОП-транзистор используют и для таких приборов.

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной

или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор

называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную про-

водимость, называют p-канальными. В МОП- транзисторах канал может быть

обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой

транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых прибо-

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электро-

нике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полно-

стью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими при-229

чинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивле-

ние и обеспечивают малое потребление энергии. Во-вторых, МОП-транзисторы

занимают на кристалле интегральной схемы значительно меньшую площадь,

чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП-

интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии производства

интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций,

чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.

6)Что такое стабилитрон? Объясните принцип его работы. Нарисуйте его вольт-амперные характеристики.

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольтамперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения.

Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р-n-перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т. е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.

Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р-n-перехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р-n-перехода пробой носит лавинный характер.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 6.1 Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.

Рис. 6.1. Конструкция корпуса (а), вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение стабилитрона

Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН)

.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН. (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Температурная зависимость вольт-амперной характеристика стабилитрона

Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов последовательно в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. Как известно, у обычных диодов в прямом направлении падение напряжения на р-n-переходе при нагревании уменьшается. И если последовательно со стабилитроном (рис. 6.3) включить диодов в прямом направлении, где , (– изменение прямого падения напряжения на диоде при нагревании отдо), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона.

Рис. 6.3. Термокомпенсация стабилитрона

Основные параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при про-текании через него тока стабилизации;

Ток стабилизации – значение постоянного тока, протекающего через стабидитрон в режиме стабилизации;

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации, т. е.;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации – отношение относительного изменения напряжения стабилизации стабилитрона к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока стабилизации:;

Предельные параметры стабилитронов:

Минимально допустимый ток стабилизации – наименьший ток через стабилитрон, при котором напряжение стабилизации находится в заданных пределах;

Максимально допустимый ток стабилизации – наибольший ток через стабилитрон, при котором напряжение стабилизациинаходится в заданных пределах, а температура перехода не выше допустимой;

Максимально допустимая рассеиваемая мощность – мощность, при которой не возникает теплового пробоя перехода.

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): I_Б*β=I_K.

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 h_21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h_FE. 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 (I_К=β*I_Б) — 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…

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=(I_К+I_Б)/I_Б=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.

Схемы включения транзисторов — Ремонт220

Автор Светозар Тюменский На чтение 3 мин. Просмотров 2k. Опубликовано 10 марта Обновлено 19 ноября

Что такое транзистор более или менее представляют практически все, кому довелось иметь дело с различными электроприборами, особенно – созданием и починкой этих самых приборов. Однако правильно подключить транзистор может не каждый. Тем более что подключать их следует согласно одной из нескольких схем.

Прежде чем перейти непосредственно к включению, давайте вспомним, чем различаются два типа приборов, о которых пойдет речь в статье – биполярные и полевые транзисторы.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором к трем последовательно расположенным слоям полупроводника подключены электроды.

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, ток которого изменяется под воздействием электрического поля, которое создается на затворе благодаря напряжению. В полевом транзисторе используются заряды только одного типа, что существенно отличает его от биполярного транзистора.
В сегодняшней статье мы рассмотрим схемы включения биполярного и полевого транзистора. И в том, и в другом случае существуют три основные схемы. О достоинствах и недостатках каждой из них скажем отдельно.

Схемы включения биполярного транзистора

1. Схема с общим эмиттером.

Считается, что подобная схема позволяет получить наибольшее усиление по мощности, а потому именно она наиболее распространена. Еще одним преимуществом является удобство питания от одного источника. На коллектор и базу идет подача питающего напряжения одного знака. Из недостатков следует отметить более низкие температурные и частотные свойства. Усиление в схеме с общим эмиттером будет снижаться при повышении частоты. Да и каскад при усилении будет вносить искажения, зачастую – значительные.

2. Схема с общей базой.

Подобный план включения значительного усиления не даст, зато обладает температурными и частотными свойствами. В этом его преимущество перед предыдущей схемой. Правда применяется он не так часто. Как и в схеме с общим эмиттером, здесь такой же коэффициент усиления напряжения. И входное сопротивление в десятки раз ниже. Плюс ко всему, такая схема вносит намного меньше искажений при усилении, чем первая.

3. Схема с общим коллектором.

Иначе ее еще называют эмиттерным повторителем. Главная особенность подобной схемы в том, что в ней очень сильна отрицательная обратная связь. Связано это с тем, что напряжение на входе полностью передается обратно на вход. В такой схеме отсутствует фазовый сдвиг между напряжением входным и выходным. Кстати, именно поэтому она называется эмиттерным повторителем (из-за напряжения). Важным преимуществом такой схемы является очень высокое сопротивление на входе и достаточно небольшое – на выходе.

Схема включения полевых транзисторов

Распространены три схемы включения полевых транзисторов. Первая схема – с общим истоком. Вторая – с общим стоком. Третья – с общим затвором.
Самой распространенной является схема с общим истоком. Она очень похожа на схему биполярного транзистора с общим эмиттером. Очень большое усиление мощности и тока достигается каскадом с общим истоком.

Схема с общим затвором также сравнима с одной из схем биполярных транзисторов, а именно – с общей базой. Усиления тока она не дает, а потому не трудно предположить, что в ней и усиление мощности намного меньше, чем в схеме с общим истоком.

Последняя схема – с общим затвором – имеет достаточно ограниченное применение на практике. Связано это в первую очередь с тем, что каскад общего затвора имеет крайне низкое сопротивление на входе.

Биполярный транзистор автосигнализации

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который может усиливать слабые сигналы и управлять большой мощностью при помощи относительно слабых воздействий.

Транзистор, в отличие от диода, имеет 3 вывода. У биполярных транзисторов эти выводы называются база, эмиттер и коллектор.

Состоит биполярный транзистор из кристалла полупроводника (в нем имеются границы сочетания полупроводников с разными типами проводимости), корпуса и металлических выводов, которыми транзистор впаивается в электрическую цепь.

Биполярные транзисторы бывают двух типов — п-р-п и р-п-р.

Р-п-р транзисторы пропускают ток от эмиттера к коллектору, п-р-п — наоборот. В п-р-п транзисторах основные носители заряда — электроны, а в р-п-р — так называемые «дырки», которые менее мобильны (в смысле скорости переноса мощности), соответственно п-р-п транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

В сигнализациях StarLine используются современные компактные транзисторы, предназначенные для поверхностного монтажа ( SMD-монтаж)

Рисунок 51. SMD-транзистор

Транзистор проявляет свои усилительные свойства в трех видах основных схем: схема с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

При включении транзистора по схеме ОЭ входной сигнал поступает между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и источником питания. Такая схема является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности (в тысячи раз).

Достоинствами схемы с общим эмиттером являются: большой коэффициент усиления по току и большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление.

Кроме того, для питания схемы требуются два однополярных источника, то есть, на практике можно обойтись одним источником питания.

Единственным серьезным недостатком является худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

В схеме ОБ входной сигнал подается на эмиттер и базу, а нагрузка подключается между коллектором и источником питания. Входная цепь транзистора представляет собой открытый эмиттерный переход, поэтому входное сопротивление мало (десятки Ом).

Недостатки схемы: не усиливает ток и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но схема с общей базой имеет хорошие температурные и частотные свойства.

В схеме О К входной сигнал поступает на переход эмиттер-база, проходит через нагрузку, а сама нагрузка подключается к эмиттеру и источнику питания. В этой схеме выходное напряжение равно входному, поэтому она получила название «эмиттерный повторитель». При включении общего коллектора напряжение сигнала не усиливается, а лишь повторяется. При этом эмиттерная нагрузка может быть очень небольшой, выходное сопротивление усилителя измеряется сотнями и даже десятками ом. В то же время входное сопротивление очень большое — сотни килоом и даже мегаомы.

При монтаже автомобильных охранных систем биполярный транзистор чаще всего используется в качестве ключа, который либо заперт (не проводит ток), либо открыт (пропускает ток).

Отпирание или запирание транзистора в режиме ключа происходит при подаче тока на его базу. Например, часто в описании сигнализации пишут «дополнительный канал выполнен по схеме «открытый коллектор». Это значит, что внутри блока сигнализации спрятан биполярный транзистор п-р-п типа, включенный по схеме ОЭ. При срабатывании этого канала на выходе будет появляться масса (через проводящую структуру транзистора), а в исходном состоянии выход ни к чему не подсоединен.

Как правило, выходы, выполненные по схеме «открытый коллектор», допускают небольшой ток нагрузки (до 300 мА). То есть подключить к этому выходу напрямую мощную нагрузку нельзя — оборудование выйдет из строя. Для подключения к такому выходу необходимо использовать дополнительное реле.

naf-st >> Радиокомпоненты >> Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Такая схема изображена на рисунке 1. Во всех книжках написано, что эта схема является наиболее распространненой, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.

Рис. 1 — Схема включения транзистора с общим эмиттером

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров — статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R_к = 0). Численно он равен:

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k_i всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению k_u равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение u_б-э, а выходным — переменное напряжение на резике, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает единиц и десятков вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E₂). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома:

и составляет обычно от сотен Ом до единиц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°

К достоинствам схемы ОЭ можно отнести удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например, в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Схема с общей базой (ОБ). Схема ОБ изображена на рисунке 2.

Рис. 2 — Схема включения транзистора с общей базой

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы:

т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Схема включения с общим коллектором показана на рисунке 3. Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.

Рис. 3 — Схема включения транзистора с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_i, т. е. нескольким десяткам.

В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное — сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

Типовые схемы включения Биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК) / Блог им. Celeron / Сообщество EasyElectronics.ru

Тут 4 листа, на каждом рассмотрено по одной модели, снабжены графиками…
Прошу прощения, что надписи на листах на английском. Когда редактировал, то где-то вылезли кракозяблы — и мне показалось, что мой Proteus не принимает русскую кодовую страницу…

Уважаемые Знатоки, прошу обратить внимание на эти модели, проверить их на правильность, и возможно приложить к основному курсу / посту «Основы на пальцах. Часть 3» (в качестве «наглядных примеров»).

(Примечание: картинки кликабельны и ведут на полноразмерное изображение…)

Читая статьи, встретил чей-то вопрос в комментариях:
>>> Пытаюсь разобраться со схемами включения биполярного транзистора: Существует 3 схемы включения транзистора — ОК, ОЭ, ОБ… Представим, что транзистор не соединен ни одним из своих выводов с землей… Вопрос: Каким образом при таком включении понять по какой схеме включен транзистор?

Отличный вопрос! Меня это тоже волнует и интересует. Ведь чтобы понять суть метода, границы и условия его применения — нужно выйти за рамки этого правила, и осознать его место и положение в общем Знании… Поэтому четвёртой моделью в Proteus я рассмотрел некий гибридный каскад: смесь ОК и ОЭ (т. е. подключил нагрузку и в цепь коллектора, и к эмиттору).

Примечание: Такой каскад иногда используется в усилителях для получения одинаковых противофазных сигналов (для раскачки выходного каскада, например). В этом варианте нагрузочные резисторы в коллекторе и эмиттере одинаковы.

Что у меня из этого вышло? Если вкратце, то в плане задачи «усиления мощности» — неудача, и это очень поучительно рассмотреть. Далее, мои размышления поподробнее (поправляйте/дополняйте меня, если что)…

Полученная схема вобрала недостатки обоих исходных усилительных каскадов (с ОК и ОЭ), но при этом не демонстрировала их достоинств! Получившийся каскад также давал значительное усиление по току (усиливал мощность в 100 раз, равное «коэффициенту усиления по току» транзистора), но получившаяся мощность распределялась между потребителями в выходной цепи (Нагрузка1-ТранзисторКЭ-Нагрузка2), пропорционально их сопротивлению (поскольку они соединены последовательно). С одной стороны, это немного похоже на обычный каскад (ОК или ОЭ), к выходу которого последовательных подключено несколько потребителей… Но это не совсем так: тут ключевой момент в том, что сам транзистор также входит в эту цепочку!

Минус 1: Транзистор всегда работает в линейном режиме и никогда не переходит в насышение — наследие схемы с ОК: очень сильна отрицательная обратная связь. А ток то течёт одинаковый через всех — и на транзисторе высаживается очень большая мощность (сравнимая с потреблением самой нагрузки), которая расходуется только на паразитный перегрев. Таким образом, большой ток в выходной цепи через эту схему не прогонишь — тогда спрашивается зачем было пихать дополнительную нагрузку в цепь коллектора? А обычно в коллекторную цепь ставят СИЛОВУЮ нагрузку, которой надо как можно большая мощность (т.е. ей повышение и напряжения, и тока — одинаково выгодны). А тут ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ НА НАГРУЗКЕ СИЛЬНО ОГРАНИЧЕНА.

Минус 2: «Эмитторный повторитель» (схема с ОК) хорош именно тем, что даёт на выходе напряжение практически равное тому что на входе усилительного каскада (т. е. усиливается только ток, причём значительно, в сотни раз) — этот каскад для специфических целевых применений.
Как например, для согласования низкоомного входа (мощного входа, которому требуется много тока для раскачки) <<== и сигнала снимаемого с высокоомного выхода (т.е. маломощного выхода, который может дать малый ток). Без усилительного каскада не обойтись — здесь «эмитторный повторитель» простое и дешёвое решение: ток усилит, а напряжение сохранит. Хотя конечно «эмитторный повторитель» при этом всё-таки немного уменьшит и напряжение сигнала (причём нелинейно, т.е. необратимо исказит) — поэтому в ответственных случаях используют другие схемы усилителей: на операционных усилителях…
А что я увидел на выходе этой гибридной схемы? Выходной сигнал снимаемый с эмиттера транзистора (output2 на модели Proteus) — уже нифига не повторяет входной сигнал, а стал меньше, пропорционально поделённый между сопротивлениями выходной цепи (Нагрузка1-ТранзисторКЭ-Нагрузка2). Таким образом, наличие нагрузки в коллекторной цепи убило «эмитторный повторитель» — ну и зачем тогда вообще нужна такая схема (риторический вопрос)?

Минус 3: Так как нагрузки в выходной цепи включены последовательно, то ток в них течёт одинаковый — следовательно, ОЧЕНЬ ЗАТРУДНЕНО ИХ СОГЛАСОВАНИЕ.
Нагрузки не могут слишком разниться по потребляемой мощности; и вообще, все должны быть рассчитаны на одинаковый рабочий ток; причём, изменения в потреблении одной из нагрузок (модуляции её сопротивления) радикально влияют на всю цепочку (помехи, вывод с режима)…
Короче, тут всё совсем плохо. Т.о. такая схема допустима только если все нагрузки статичны и одинаковые (например, гирлянда лампочек) — но тогда, вообще ВСЕ нагрузки гораздо лучше втулить только в одну цепь, либо коллектора (чаще всего), либо эмиттора.

Итак, вывод: смешивать схемы включения биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК) никогда не стоит — иначе, получится нечто бестолковое и бесполезное.

Правило: Нужно всегда применять конкретную (одну из этих трёх) типовую схему, в зависимости от схемотехнической задачи. Поэтому и в практических (чужих) схемах иных случаев не встретится. Поэтому тут не стоит и голову ломать над вопросом: «а что если трензистор включён как-то странно?» — транзистор всегда включён в одну из типовых схем, реализующих конкретную идею, цель.

Однако не совсем так… На самом деле: «нечистые», комбинированные схемы есть и используются. Действительно, здесь каскады рассмотрены только со стороны усиления мощности, как единственной задачи. Но ещё ж бывают и другие задачи:

Встречаются каскады, работающие одновременно в нескольких режимах, обычно с несколькими сигналами. Например смесители, гетеродины-смесители, сверхрегенераторы, дифференциальные усилители, etc. Ну и классический ОЭ каскад имеет некоторые черты ОК и ОБ — на эмиттерном резисторе выделяется сигнал, выходной для ОК и входной для ОБ (сигнал ООС).

Замечание: Кстати, в схемах ОК, ОЭ, ОБ не обязательно одна из ножек транзистора должна непременно находится на нулевом потенциале — не это является характерным признаком каскадов. Признак, это отсутствие сопротивления (потребителя мощности) в цепи одной из ножек транзистора — где отсутствует, то и считается «Общим». Привязка какой-то точки схемы к «нулевому потенциалу» (соединение с «землёй») — это условность, для отсчёта напряжений и согласования разных частей «целевой схемы», в которой этот каскад будет использоваться.
Т.е. вообще говоря, вопрос «где будем делать талию (т.е. землю) ?» — трансцендентен, выходит за рамки самого каскада.
Сначала проектируют отдельный усилительный каскад («трёхполюсник»), который принимает некий диаппазон напряжений A..C вольт, и на выходе у него некий диаппазон напряжений B..C вольт (в точке C соединяются два контура «входной» и «выходной», сюда же напрямую без резисторов подключён один из выводов транзистора — что определяет название и тип схемы включения).
А уже потом этот каскад включают в некоторое место целевой схемы (для его подключения можно выделить три точки). И вот только теперь появляется привязка каскада к «земле», потому что «земля» присутствует только в целевой схеме…

Исключения из правила: На практике, в реальных схемах, в эти типовые каскады могут вноситься некоторые дополнительные элементы (резисторы или др.) — защитные цепи (от нештатных ситуаций), компенсирующие (температурный дрейф характеристик), или вызывающие какие-то «смещения» или «подпирания» напряжения (настройка контура на конкретные значения A,C,B вольт)…

Как узнать какие элементы являются «дополнительными», которые внесены поздже основных для улучшения характеристик, и которые можно отбросить?
Нужен опыт… Внесённые «дополнительные элементы» по своим характеристикам значительно отличаются от «основных» по влиянию на схему — это признаки:

• Если вносимые элементы подключаются ПАРАЛЛЕЛЬНО к основным, то их сопротивление выбирается на порядок(!) больше — и т. о. ток через них протекает значительно меньший, которым можно даже пренебречь в большинстве случаев (обычно, их малое влияние сглаживает некоторые участки передаточной ВАХ каскада)… Такие элементы довольно заметны и их можно смело отбрасывать.
• Если вносимые элементы подключаются ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО в цепь к основным, то их сопротивление выбирается, напротив, на порядок меньше — по тем же причинам, чтобы ОКАЗЫВАТЬ МАЛОЕ ВЛИЯНИЕ…
• Есть вносимые элементы, которые работают не всегда, а только в некоторых режимах — это обычно «защитные цепи», и в них как правило ПРИСУТСТВУЕТ ДИОДный вентиль, чтобы различить эту самую «специфическую ситуацию», когда добавочная цепь включается в работу (самый простой критерий — это когда ток идёт в обратную сторону; и он же — самый опасный случай для электрических элементов: т.н. «переполюсовка»).
• Если дополнительно вносятся вспомогательные ёмкость (КОНДЕНСАТОР) или индуктивность (ДРОССЕЛЬ) — то это наверняка для сглаживания помех по напряжению или по току. Номиналы таких «сглаживающих» C или L также на порядок меньше, чем у «основных» ёмкостей и индуктивностей. Подключаются: дополнительная ёмкость — параллельно; дополнительная индуктивность — последоватено (Причём не наоборот! Например, учтите: если маленький конденсатор включён наоборот ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО? то это уже никакой не «дополнительный», а самый что ни на есть «основной» — разделительный конденсатор, что исполняет совершенно другую функцию в цепи…)
• Стабилитроны и Варисторы (используются в силовых цепях) — это однозначно защитные «дополнительные элементы» в цепи, ими как правило всегда можно пренебречь при анализе схемы. (Хотя в реальном устройстве ими пренебрегать конечно никак нельзя, потому что там есть стартовые токи и переходные процессы — паразитные скачки тока случаются огромные, сгорит…)

Биполярный переходной транзистор (BJT) в качестве переключателя | Биполярные переходные транзисторы

Транзисторы с биполярным переходом (также известные как BJT) могут использоваться как усилитель , фильтр, выпрямитель, генератор или даже переключатель, , пример которого мы рассмотрим в первом разделе. Транзистор будет работать как усилитель или другая линейная схема, если транзистор смещен в линейную область. Транзистор можно использовать в качестве переключателя, если он смещен в областях насыщения и отсечки.Это позволяет току течь (или нет) в других частях цепи.

Поскольку ток коллектора транзистора пропорционально ограничивается его базовым током, его можно использовать как своего рода переключатель с управлением по току. Относительно небольшой поток электронов, проходящий через базу транзистора, может контролировать гораздо больший поток электронов через коллектор.

Использование BJT в качестве переключателя: пример

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотим включать и выключать выключателем.Такая схема была бы чрезвычайно простой, как показано на рисунке ниже (а).

Для иллюстрации давайте вставим транзистор вместо переключателя, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу. Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером.

Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, мы должны расположить коллектор и эмиттер нашего транзистора там, где были два контакта переключателя.Мы также должны убедиться, что ток лампы будет перемещаться на против в направлении, указанном стрелкой эмиттера, чтобы гарантировать, что смещение перехода транзистора будет правильным, как показано на рисунке ниже (b).

(а) механический переключатель, (б) транзисторный переключатель NPN, (в) транзисторный переключатель PNP.

Для работы также можно было выбрать транзистор PNP. Его применение показано на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP действительно произвольный.Все, что имеет значение, — это поддержание правильного направления тока для правильного смещения перехода (поток электронов идет против стрелки символа транзистора).

На приведенных выше рисунках база любого BJT не подключена к подходящему напряжению, и ток не течет через базу. Следовательно, транзистор не может включиться. Возможно, проще всего было бы подключить переключатель между базовым и коллекторным проводами транзистора, как показано на рисунке (а) ниже.

Транзистор: а — отсечка, лампа выключена; (б) насыщенный, лампа включена.

и насыщенные транзисторы

Если переключатель разомкнут, как показано на рисунке (а), базовый провод транзистора останется «плавающим» (ни к чему не подключен), и ток через него не будет. В этом состоянии транзистор называется отсечкой .

Если переключатель замкнут, как показано на рисунке (b), ток сможет течь от базы к эмиттеру транзистора через переключатель.Этот базовый ток позволит протекать гораздо большему току от коллектора к эмиттеру, таким образом зажигая лампу. В этом состоянии максимального тока цепи транзистор называется насыщенный .

Конечно, использование транзистора в этом качестве для управления лампой может показаться бессмысленным. Вместо транзистора подойдет обычный переключатель.

Зачем использовать транзистор для управления током?

Здесь можно отметить два момента.Во-первых, это тот факт, что при использовании таким образом переключающим контактам необходимо обрабатывать только тот небольшой базовый ток, который необходим для включения транзистора; сам транзистор обрабатывает большую часть тока лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель имеет низкий номинальный ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно сильноточной нагрузкой.

Что еще более важно, управление током транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения или выключения лампы.Рассмотрим рисунок ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1 В, чтобы преодолеть напряжение 0,7 В база-эмиттер транзистора, чтобы вызвать ток базы, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит датчиком освещенности.

Или мы могли бы использовать термопару (многие из которых соединены последовательно), чтобы обеспечить необходимый базовый ток для включения транзистора, показанного на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает менее 40 мВ.Многие подключенные последовательно могут производить транзистор V _BE с напряжением более 0,7 В, чтобы вызвать ток базы и, как следствие, ток коллектора к лампе.

Даже микрофон (см. Рисунок ниже) с достаточным напряжением и током (от усилителя) на выходе мог бы включить транзистор, при условии, что на его выходе выпрямляется переменный ток в постоянный, так что PN-переход эмиттер-база внутри транзистора всегда будет смещенный вперед:

Усиленный микрофонный сигнал выпрямляется до постоянного тока для смещения базы транзистора, обеспечивая больший ток коллектора.

К настоящему моменту суть должна быть очевидна. Для включения транзистора можно использовать любой достаточный источник постоянного тока, и этот источник тока должен составлять лишь часть тока, необходимого для возбуждения лампы.

Здесь мы видим, что транзистор работает не только как переключатель, но и как усилитель t rue: с использованием относительно маломощного сигнала для управления относительно большим количеством мощности. Обратите внимание, что фактическая мощность для зажигания лампы исходит от батареи, расположенной справа от схемы.Это не значит, что слабый сигнальный ток от солнечного элемента, термопары или микрофона волшебным образом преобразуется в большее количество энергии. Скорее, эти небольшие источники энергии просто контролируют мощность батареи, чтобы зажечь лампу.

BJT as Switch ОБЗОР:

• Транзисторы могут использоваться в качестве переключающих элементов для управления мощностью постоянного тока нагрузки. Коммутируемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
• Когда транзистор пропускает через него нулевой ток, говорят, что он находится в состоянии отсечки (полностью непроводящий).
• Когда через транзистор проходит максимальный ток, говорят, что он находится в состоянии насыщения (полностью проводящий).

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

BJT устройство как коммутатор [Analog Devices Wiki]

Цель:

Транзистор с биполярным соединением (BJT) может использоваться во многих конфигурациях схем, таких как усилитель, генератор, фильтр, выпрямитель, или просто как двухпозиционный переключатель. Если транзистор смещен в линейную область, он будет работать как усилитель или другая линейная схема, если смещен поочередно в областях насыщения и отсечки, то он используется как переключатель, позволяя току течь или не течь. в других частях схемы. В этой лабораторной работе описывается BJT, работающий как переключатель.

Фон:

Цепи переключения существенно отличаются от линейных цепей. Их также легче понять. Прежде чем исследовать более сложные схемы, мы начнем с представления дискретных твердотельных переключающих схем: построенных на основе BJT.

Переключатель состоит из BJT-транзистора, который попеременно управляется между областями насыщения и отсечки. Простая версия переключателя показана на рисунке 1. Когда входной сигнал равен — В, , _в , переход база-эмиттер смещен в обратном направлении или отключен, поэтому ток в коллекторе не течет.Это иллюстрируется линией нагрузки, показанной на рисунке. Когда BJT находится в отключенном состоянии, схема (в идеале) имеет следующие значения:

В _CE = В _CC и I _C = 0 A

Это состояние похоже на разомкнутый переключатель.

Когда входной сигнал равен + В _в , транзистор переводится в состояние насыщения, и возникают следующие условия:

В _CE ~ 0 В и I _Csat = В _CC / R _C

Это состояние похоже на замкнутый переключатель, соединяющий нижнюю часть R _C с землей.

Рисунок 1 Переключатель NPN BJT и его линия нагрузки.

Характеристики переключателя BJT предполагают, что:

1. – В _в достаточно мало, чтобы транзистор перешел в режим отсечки.
2. + В _в должен производить достаточный базовый ток через R _B , чтобы перевести транзистор в состояние насыщения.

3. Транзистор — идеальный компонент.

Эти условия можно обеспечить, спроектировав схему так, чтобы:

2. + V _дюйм = V _BE + I _B R _B ( V _CC — хороший максимум)

3. I _B > I _Csat / ß

Условие 1 гарантирует, что схема будет переведена в область отсечки входом.Условия 2 и 3 гарантируют, что транзистор будет переведен в область насыщения.

Настоящий переключатель BJT отличается от идеального переключателя по нескольким аспектам. На практике даже в режиме отсечки через транзистор есть ток утечки. Кроме того, во время насыщения на внутреннем сопротивлении транзистора всегда падает некоторое напряжение. Обычно это будет от 0,2 до 0,4 В в насыщении в зависимости от тока коллектора и размера устройства. Эти отклонения от идеала обычно незначительны для устройства правильного размера, поэтому мы можем предположить, что условия близки к идеальным при анализе или проектировании схемы переключателя BJT.

Материалы:

Аппаратное обеспечение лаборатории Analog Discovery
Макетная плата без пайки
1 — Резистор 6,8 кОм (R _B )
1 — Резистор 100 Ом (R _C )
1 — Светодиод 5 мм (любой цвет) 2N3904)

Направления:

Одним из распространенных применений переключателя BJT (или любого другого) является управление светодиодом. Драйвер светодиода показан на рисунке 2. Драйвер, показанный на этом рисунке, используется для соединения слаботочной части схемы с относительно сильноточным устройством (светодиодом).Когда на выходе из слаботочной цепи низкий уровень (0 В ), транзистор находится в отключенном состоянии и светодиод не горит. Когда на выходе из слаботочной цепи появляется высокий уровень (+3,3 В ), транзистор переводится в состояние насыщения и загорается светодиод. Драйвер используется, потому что слаботочная часть схемы может не иметь возможности по току для подачи 20 мА (типично), необходимых для освещения светодиода на полную яркость.

Постройте схему переключателя светодиодов, показанную на рисунке 2, на беспаечной макетной плате.R _C служит для ограничения тока, протекающего через светодиод от источника питания +5 В (Vp). Переключатель управляется цифровым выходом DO от разъема Discovery. Канал осциллографа 1 будет отображать напряжение на переключающем транзисторе Q ₁ ( В, _CE ), а канал осциллографа 2 будет отображать напряжение на светодиоде.

Настройка оборудования:

Откройте экран цифрового управления статическим вводом / выводом из главного окна запуска Waveforms.Настройте DIO-0, щелкнув его правой кнопкой мыши и выбрав опцию Push / Pull Switch. Также откройте окно осциллографа или вольтметра.

Процедура:

Наблюдайте за светодиодом, когда вы меняете переключатель в окне управления цифровым входом / выходом. Запишите напряжение на транзисторе коллектор-эмиттер (канал 1) и на светодиоде (канал 2) для каждого положения переключателя и включите их в описание своей лаборатории.

Вопросы:

Работа транзистора как переключателя

В этом руководстве по транзистору мы узнаем о работе транзистора как переключателя. Переключение и усиление — это две области применения транзисторов и транзисторов, поскольку коммутатор является основой для многих цифровых схем.

Введение

Как одно из важных полупроводниковых устройств, транзистор нашел применение в огромных электронных приложениях, таких как встроенные системы, цифровые схемы и системы управления. Как в цифровой, так и в аналоговой областях транзисторы широко используются для различных приложений, таких как усиление, логические операции, переключение и так далее.

Эта статья в основном концентрируется и дает краткое объяснение применения транзистора в качестве переключателя.

Биполярный транзистор или просто BJT — это трехслойный полупроводниковый прибор с тремя выводами и двумя переходами. Почти во многих приложениях эти транзисторы используются для двух основных функций, таких как переключение и усиление.

Название «биполярный» указывает на то, что в работе БЮТ участвуют два типа носителей заряда. Эти два носителя заряда являются дырками и электронами, где дырки являются носителями положительного заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда.

Транзистор имеет три области: базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер представляет собой сильно легированный вывод и испускает электроны в базу. Вывод базы слегка легирован и передает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Клемма коллектора промежуточно легирована и собирает электроны с базы. Этот коллектор больше по сравнению с двумя другими областями, поэтому он рассеивает больше тепла.

BJT бывают двух типов: NPN и PNP, оба функционируют одинаково, но различаются по смещению и полярности питания.В транзисторе PNP между двумя материалами P-типа материал N-типа помещен между двумя материалами N-типа, тогда как в случае транзистора NPN материал P-типа зажат между двумя материалами. Эти два транзистора могут иметь разные типы, такие как общий эмиттер, общий коллектор и общая базовая конфигурация.

НАЗАД НАЗАД

Режимы работы транзисторов

В зависимости от условий смещения, таких как прямое или обратное, транзисторы имеют три основных режима работы, а именно области отсечки, активности и насыщения.

Активный режим

В этом режиме транзистор обычно используется как усилитель тока. В активном режиме два перехода смещены по-разному, что означает, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении. В этом режиме между эмиттером и коллектором протекает ток, и величина протекания тока пропорциональна току базы.

Режим отсечки

В этом режиме и коллектор-база, и эмиттер-база имеют обратное смещение.Это, в свою очередь, не позволяет току течь от коллектора к эмиттеру, когда напряжение база-эмиттер низкое. В этом режиме устройство полностью выключено, в результате ток, протекающий через устройство, равен нулю.

Режим насыщенности

В этом режиме работы переходы база эмиттера и база коллектора смещены в прямом направлении. Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру при высоком напряжении база-эмиттер. В этом режиме устройство полностью включено.

На рисунке ниже показаны выходные характеристики BJT-транзистора. На приведенном ниже рисунке область отсечки имеет рабочие условия, такие как нулевой выходной ток коллектора, нулевой базовый входной ток и максимальное напряжение коллектора. Эти параметры вызывают образование большого обедненного слоя, который не позволяет току проходить через транзистор. Следовательно, транзистор полностью выключен.

Аналогично, в области насыщения транзистор смещен таким образом, что прикладывается максимальный ток базы, что приводит к максимальному току коллектора и минимальному напряжению коллектор-эмиттер.Это приводит к уменьшению размера обедненного слоя и пропусканию максимального тока через транзистор. Следовательно, транзистор полностью открыт.

Следовательно, из приведенного выше обсуждения, мы можем сказать, что транзисторы можно заставить работать как твердотельный переключатель ВКЛ / ВЫКЛ, работая транзистором в областях отсечки и насыщения. Этот тип коммутации используется для управления двигателями, ламповыми нагрузками, соленоидами и т. Д.

НАЗАД НАЗАД

Транзистор как переключатель

Транзистор используется для переключения при размыкании или замыкании цепи.Твердотельное переключение этого типа обеспечивает значительную надежность и меньшую стоимость по сравнению с обычными реле.

В качестве переключателей можно использовать транзисторы NPN и PNP. В некоторых приложениях в качестве переключающего устройства используется силовой транзистор, тогда может потребоваться другой транзистор уровня сигнала для управления мощным транзистором.

NPN-транзистор как переключатель

На основе напряжения, приложенного к клемме базы, выполняется операция переключения транзистора.Когда между базой и эмиттером приложено достаточное напряжение ( _{В в} > 0,7 В), напряжение коллектор-эмиттер примерно равно 0. Следовательно, транзистор действует как короткое замыкание. Коллекторный ток V _cc / R _c протекает через транзистор.

Аналогичным образом, когда на вход не подается напряжение или нулевое напряжение, транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь. В этом типе коммутационного подключения нагрузка (здесь светодиодная лампа) подключается к коммутационному выходу с контрольной точкой.Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь от источника к земле через нагрузку.

НАЗАД НАЗАД

Пример транзистора NPN в качестве переключателя

Рассмотрим приведенный ниже пример, в котором сопротивление базы R _b = 50 кОм, сопротивление коллектора R _c = 0,7 кОм, V _cc составляет 5 В, а значение бета равно 125. На входе базы сигнал изменяется от 0 и 5 В, поэтому мы собираемся увидеть выход на коллекторе, изменяя напряжение V _и в двух состояниях: 0 и 5 В, как показано на рисунке.

I _c = V _cc / R _c при V _CE = 0

I _c = 5 В / 0,7 кОм

I _c = 7,1 мА

Базовый ток I _b = I _c / β

I _b = 7,1 мА / 125

I _b = 56,8 мкА

Из приведенных выше расчетов максимальное или пиковое значение тока коллектора в цепи составляет 7,1 мА, когда Vce равно нулю. И соответствующий базовый ток, по которому протекает ток коллектора, равен 56.8 мкА. Таким образом, очевидно, что когда ток базы увеличивается выше 56,8 мкА, транзистор переходит в режим насыщения.

Рассмотрим случай, когда на входе подается нулевое напряжение. Это вызывает нулевой ток базы, и, поскольку эмиттер заземлен, переход базы эмиттера не смещен в прямом направлении. Таким образом, транзистор находится в выключенном состоянии, а выходное напряжение коллектора равно 5 В.

Когда V _i = 0 В, I _b = 0 и I _c = 0,

V _c = V _cc — (I _c R _c )

= 5 В — 0

= 5 В

Предположим, что приложенное входное напряжение составляет 5 вольт, тогда базовый ток можно определить, применив закон Кирхгофа для напряжения.

Когда V _i = 5V

I _b = (V _i — V _на ) / R _b

Для кремниевого транзистора _В = 0,7 В

Таким образом, I _b = (5 В — 0,7 В) / 50 кОм

= 86 мкА, что больше 56,8 мкА

Следовательно, базовый ток превышает 56,8 мкА, транзистор будет доведен до насыщения, которое полностью включено, когда на входе подается 5 В. Таким образом, выход коллектора становится примерно нулевым.

НАЗАД НАЗАД

PNP-транзистор как переключатель

PNP работает так же, как NPN для операции переключения, но ток течет от базы. Этот тип переключения используется для конфигураций с отрицательным заземлением. Для транзистора PNP клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру. При этом переключении базовый ток течет, когда базовое напряжение более отрицательное. Просто низкое напряжение или более отрицательное напряжение приводит к короткому замыканию транзистора, в противном случае он будет иметь разомкнутую цепь или состояние с высоким импедансом.

В связи с этим, нагрузка подключена к выходу коммутационного транзистора с опорной точкой. Когда транзистор включен, ток течет от источника через транзистор к нагрузке и, наконец, к земле.

Пример транзистора PNP в качестве переключателя

Подобно схеме транзисторного переключателя NPN, вход схемы PNP также является базой, но эмиттер подключен к постоянному напряжению, а коллектор подключен к земле через нагрузку, как показано на рисунке.

В этой конфигурации база всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру путем соединения базы на отрицательной стороне и эмиттера на положительной стороне входного источника питания. Таким образом, напряжение V _BE отрицательное, а напряжение питания эмиттера по отношению к коллектору положительное (V _CE положительное).

Следовательно, для проводимости транзистора эмиттер должен быть более положительным как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе. Другими словами, база должна быть более отрицательной по отношению к эмиттеру.

Для расчета токов базы и коллектора используются следующие выражения.

I _c = I _e — I _b

I _c = β. Я _б

I _b = I _c / β

Рассмотрим приведенный выше пример, что для нагрузки требуется ток 100 мА, а бета-значение транзистора равно 100. Тогда ток, необходимый для насыщения транзистора, равен

Минимальный базовый ток = ток коллектора / β

= 100 мА / 100

= 1 мА

Следовательно, когда базовый ток равен 1 мА, транзистор будет полностью открыт.Но для гарантированного насыщения транзистора требуется практически на 30% больше тока. Итак, в этом примере требуемый базовый ток составляет 1,3 мА.

НАЗАД НАЗАД

Общие практические примеры транзистора в качестве переключателя

для переключения светодиода

Как уже говорилось ранее, транзистор можно использовать в качестве переключателя. На схеме ниже показано, как транзистор используется для переключения светоизлучающего диода (LED).

• Когда переключатель на клемме базы разомкнут, ток через базу не течет, поэтому транзистор находится в состоянии отсечки.Следовательно, цепь работает как разомкнутая, и светодиод гаснет.
• Когда переключатель замкнут, базовый ток начинает течь через транзистор, а затем переходит в состояние насыщения, и светодиод загорается.
Резисторы
• устанавливаются для ограничения токов, протекающих через базу и светодиод. Также можно изменять интенсивность светодиода, изменяя сопротивление на пути тока базы.

НАЗАД НАЗАД

для работы реле

Также можно управлять работой реле с помощью транзистора.С помощью небольшой схемы транзистора, способного возбуждать катушку реле, чтобы управлять внешней нагрузкой, подключенной к ней.

• Рассмотрим приведенную ниже схему, чтобы узнать, как работает транзистор для возбуждения катушки реле. Входной сигнал, приложенный к базе, приводит к переходу транзистора в область насыщения, в результате чего в цепи возникает короткое замыкание. Таким образом, на катушку реле подается напряжение, и контакты реле срабатывают.
• При индуктивных нагрузках, особенно при переключении двигателей и катушек индуктивности, внезапное отключение питания может поддерживать высокий потенциал на катушке. Это высокое напряжение может вызвать серьезные повреждения остальной цепи. Следовательно, мы должны использовать диод параллельно с индуктивной нагрузкой, чтобы защитить схему от индуцированных напряжений индуктивной нагрузки.

НАЗАД НАЗАД

для привода двигателя

• Транзистор также может использоваться для управления и регулирования скорости двигателя постоянного тока в однонаправленном режиме путем переключения транзистора через равные промежутки времени, как показано на рисунке ниже.
• Как упоминалось выше, двигатель постоянного тока также является индуктивной нагрузкой, поэтому мы должны разместить на нем диод свободного хода для защиты цепи.
• Переключая транзистор в областях отсечки и насыщения, мы можем многократно включать и выключать двигатель.
• Также можно регулировать скорость двигателя от состояния покоя до полной скорости, переключая транзистор на регулируемые частоты. Мы можем получить частоту переключения от устройства управления или IC, например, микроконтроллера.

У вас есть четкое представление о том, как транзистор можно использовать в качестве переключателя? Мы подтверждаем, что предоставленная информация разъясняет всю концепцию переключения с соответствующими изображениями и примерами. В дальнейшем любые сомнения, предложения и комментарии к этому посту вы можете писать ниже.

НАЗАД НАЗАД

ПРЕДЫДУЩИЙ — МОП-транзистор

СЛЕДУЮЩИЙ — ПОЛЕВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

4.2: Биполярный переходной транзистор (BJT) в качестве переключателя

Поскольку ток коллектора транзистора пропорционально ограничен его базовым током, его можно использовать как своего рода переключатель с управляемым током.Относительно небольшой поток электронов, проходящий через базу транзистора, может контролировать гораздо больший поток электронов через коллектор.

Использование BJT в качестве переключателя: пример

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотим включать и выключать выключателем. Такая схема была бы чрезвычайно простой, как показано на рисунке ниже (а).

Для иллюстрации давайте вставим транзистор вместо переключателя, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу.Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером.

Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, мы должны расположить коллектор и эмиттер нашего транзистора там, где были два контакта переключателя. Мы также должны убедиться, что ток лампы будет перемещаться на против в направлении стрелки эмиттера, чтобы гарантировать, что смещение перехода транзистора будет правильным, как показано на рисунке ниже (b).

(а) механический переключатель, (б) транзисторный переключатель NPN, (в) транзисторный переключатель PNP.

Для работы также можно было выбрать транзистор PNP. Его применение показано на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP действительно произвольный. Все, что имеет значение, — это поддержание правильного направления тока для правильного смещения перехода (поток электронов идет на против стрелки символа транзистора).

Возвращаясь к транзистору NPN в нашей примерной схеме, мы сталкиваемся с необходимостью добавить что-то еще, чтобы получить базовый ток.Без подключения к проводу базы транзистора ток базы будет равен нулю, и транзистор не сможет включиться, в результате чего лампа всегда будет выключена. Помните, что для NPN-транзистора ток базы должен состоять из электронов, текущих от эмиттера к базе (напротив символа стрелки эмиттера, как и ток лампы).

Возможно, проще всего было бы подключить переключатель между проводами базы и коллектора транзистора, как показано на рисунке ниже (а).

Транзистор: а — отсечка, лампа выключена; (б) насыщенный, лампа включена.

Отсечка и насыщение транзисторов

Если переключатель разомкнут, как показано на рисунке выше (а), базовый провод транзистора останется «плавающим» (ни к чему не подключен), и ток через него не будет. В этом состоянии транзистор называется с отсечкой .

Если переключатель замкнут, как показано на рисунке выше (b), электроны смогут проходить от эмиттера к базе транзистора, через переключатель, до левой стороны лампы, обратно к положительной стороне. батареи.Этот базовый ток обеспечит гораздо больший поток электронов от эмиттера через коллектор, таким образом, загорится лампа. В этом состоянии максимального тока цепи транзистор считается насыщенным .

Конечно, использование транзистора в этом качестве для управления лампой может показаться бессмысленным. В конце концов, мы все еще используем переключатель в цепи, не так ли? Если мы все еще используем переключатель для управления лампой — хотя бы косвенно, — тогда какой смысл иметь транзистор для управления током? Почему бы просто не вернуться к нашей исходной схеме и не использовать переключатель напрямую для управления током лампы?

Зачем использовать транзистор для управления током?

Здесь можно отметить два момента. Во-первых, это тот факт, что при использовании таким образом переключающим контактам необходимо обрабатывать только тот небольшой базовый ток, который необходим для включения транзистора; сам транзистор обрабатывает большую часть тока лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель имеет низкий номинальный ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно сильноточной нагрузкой.

Что еще более важно, управление током транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения или выключения лампы.Рассмотрим рисунок ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1 В, чтобы преодолеть 0,7 В _BE транзистора, чтобы вызвать ток базы, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит датчиком освещенности.

Или мы могли бы использовать термопару (многие из которых соединены последовательно), чтобы обеспечить необходимый базовый ток для включения транзистора, показанного на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает менее 40 мВ.Многие подключенные последовательно могут производить транзистор V _BE с напряжением более 0,7 В, чтобы вызвать ток базы и, как следствие, ток коллектора к лампе.

Даже микрофон (см. Рисунок ниже) с достаточным напряжением и током (от усилителя) на выходе мог бы включить транзистор, при условии, что на его выходе выпрямляется переменный ток в постоянный, так что PN-переход эмиттер-база внутри транзистора всегда будет смещенный вперед:

Усиленный микрофонный сигнал выпрямляется до постоянного тока для смещения базы транзистора, обеспечивая больший ток коллектора.

К настоящему моменту суть должна быть совершенно очевидной: Для включения транзистора можно использовать любой достаточный источник постоянного тока , и этот источник тока должен составлять лишь часть тока, необходимого для включения лампы.

Здесь мы видим, что транзистор функционирует не только как переключатель, но и как настоящий усилитель : с помощью относительно маломощного сигнала управляет относительно большим количеством мощности. Обратите внимание, что фактическая мощность для зажигания лампы исходит от батареи, расположенной справа от схемы.Это не значит, что слабый сигнальный ток от солнечного элемента, термопары или микрофона волшебным образом преобразуется в большее количество энергии. Скорее, эти небольшие источники питания просто управляют мощностью батареи для зажигания лампы.

BJT as Switch ОБЗОР:

• Транзисторы могут использоваться в качестве переключающих элементов для управления мощностью постоянного тока нагрузки. Коммутируемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
• Когда через транзистор проходит нулевой ток, говорят, что он находится в состоянии отсечки , (полностью непроводящий).
• Когда через транзистор проходит максимальный ток, говорят, что он находится в состоянии , насыщение (полностью проводящее).

транзисторов — learn. sparkfun.com

Приложения I: переключатели

Одно из самых 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 превышает 0,6 В (или любое другое значение V _th вашего транзистора), 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 выше называется переключателем низкого уровня , потому что переключатель — наш транзистор — находится на стороне низкого (заземления) цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Подобно схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер 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 осложнения, особенно если высокое напряжение нагрузки (V _CC — 12 В, подключенное к эмиттеру V _E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить выключателем , потому что V _B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V _E .

Базовые резисторы!

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

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

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

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

Цифровая логика

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 вентиль:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером. Поскольку эмиттер подключен напрямую 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 с 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 выходной сигнал схемы также высокий.

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с 2 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 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 H-мостом?

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

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

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

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.