Для чего нужен транзистор в электрической цепи: Для чего нужен транзистор в электрической цепи: назначение и принцип работы

Транзистор — полупроводниковый элемент, устройство. Как транзистор работает, из чего состоит, для чего нужен?

Транзистор (transistor) – полупроводниковый элемент с тремя выводами (обычно), на один из которых (коллектор) подаётся сильный ток, а на другой (база) подаётся слабый (управляющий ток). При определённой силе управляющего тока, как бы «открывается клапан» и ток с коллектора начинает течь на третий вывод (эмиттер).

То есть транзистор – это своеобразный клапан, который при определённой силе тока, резко уменьшает сопротивление и пускает ток дальше (с коллектора на эмиттер). Происходит это потому, что при определенных условиях, дырки имеющие электрон, теряют его принимая новый и так по кругу. Если к базе не прилагать электрический ток, то транзистор будет находиться в уравновешенном состоянии и не пропускать ток на эмиттер.

В современных электронных чипах, количество транзисторов исчисляется миллиардами. Используются они преимущественно для вычислений и состоят из сложных связей.

Полупроводниковые материалы, преимущественно применяемые в транзисторах это: кремний, арсенид галлия и германий. Также существуют транзисторы на углеродных нанотрубках, прозрачные для дисплеев LCD и полимерные (наиболее перспективные).

Разновидности транзисторов:

Биполярные – транзисторы в которых носителями зарядов могут быть как электроны, так и «дырки». Ток может течь, как в сторону эмиттера, так и в сторону коллектора. Для управления потоком применяются определённые токи управления.

Полевые транзисторы – распротранёные устройства в которых управление электрическим потоком происходит посредством электрического поля. То есть когда образуется большее поле – больше электронов захватываются им и не могут передать заряды дальше. То есть это своеобразный вентиль, который может менять количество передаваемого заряда (если полевой транзистор с управляемым p—n—переходом). Отличительной особенностью данных транзисторов являются высокое входное напряжение и высокий коэффи­циент усиления по напряжению.

Комбинированные – транзисторы с совмещёнными резисторами, либо другими транзисторами в одном корпусе. Служат для различных целей, но в основном для повышения коэффициента усиления по току.

Подтипы:

Био-транзисторы – основаны на биологических полимерах, которые можно использовать в медицине, биотехнике без вреда для живых организмов. Проводились исследования на основе металлопротеинов, хлорофилла А (полученного из шпината), вируса табачной мозаики.

Одноэлектронные транзисторы – впервые были созданы российскими учёными в 1996 году. Могли работать при комнатной температуре в отличии от предшественников. Принцип работы схож с полевым транзистором, но более тонкий. Передатчиком сигнала является один или несколько электронов. Данный транзистор также называют нано- и квантовый транзистор. С помощью данной технологии, в будущем рассчитывают создавать транзисторы с размером меньше 10 нм, на основе графена.

Для чего используются транзисторы?

Используются транзисторы в усилительных схемах, лампах, электродвигателях и других приборах где необходимо быстрое изменение силы тока или положение вклвыкл. Транзистор умеет ограничивать силу тока либо плавно, либо методом импульс—пауза. Второй чаще используется для ШИМ-управления. Используя мощный источник питания, он проводит его через себя, регулируя слабым током.

Если силы тока недостаточно для включения цепи транзистора, то используются несколько транзисторов с большей чувствительностью, соединённые каскадным способом.

Мощные транзисторы соединённые в один или несколько корпусов, используются в полностью цифровых усилителях на основе ЦАП. Часто им требуется дополнительное охлаждение. В большинстве схем, они работают в режиме ключа (в режиме переключателя).

Применяются транзисторы также в системах питания, как цифровых, так и аналоговых (материнские платы, видеокарты, блоки питания & etc).

Центральные процессоры, микроконтроллёры и SOC тоже состоят из миллионов и миллиардов транзисторов, соединённых в определённом порядке для специализированных вычислений.

Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку. Все виды ОЗУ и ПЗУ памяти, тоже состоят из транзисторов.

Все достижения микроэлектроники были бы практически невозможны без изобретения и использования транзисторов. Трудно представить хоть один электронный прибор без хотя бы одного транзистора.

transistor

transistor

Диод
и транзистор

На
плате передо мной есть несколько диодов
и транзисторов, немного, но они есть.
Их, в отличие от резисторов, конденсаторов
и катушек индуктивности, относят к
активным элементам электрической цепи.
Без них не обходятся ни усилители, ни
генераторы. Выпрямители, стабилизаторы,
индикаторы, фотоприемники – вот неполный
перечень применений диодов. А если
разобрать любую микросхему, аналоговую
или цифровую, то можно убедиться в том,
что это царство транзисторов. Диоды и
транзисторы изготавливаются особым
образом из полупроводниковых материалов.
Напомню, что полупроводником называют
материал, который по свойству проводить
электрический ток занимает промежуточное
положение между проводниками и
изоляторами. Когда-то по этой причине
они были мало интересны, провода из них
не сделаешь, слишком большое сопротивление,
а в качестве изолятора лучше использовать
резину или текстолит. Причина плохой
проводимости тока у полупроводников в
их строении. Количество электронов,
способных перемещаться по материалу,
много меньше, чем у металлов, но они
есть, что мешает использовать материал
в качестве изолятора. Мало того, у одних
типов полупроводников, как и у металлов,
есть электроны-бродяги, а у других типов
полупроводников все еще путаней –
вместо добропорядочных носителей
зарядов есть вакансии для неприкаянных
электронов, которые называют «дырками».
Интерес к полупроводникам появился
тогда, когда из полупроводников двух
типов сделали двухслойную конструкцию,
у которой обнаружилось любопытное
свойство – пропускать постоянный ток
в одном направлении, и не пропускать в
другом.

Проведем
два эксперимента с полупроводниковым
диодом: соединим последовательно диод
и резистор (чтобы ограничить ток), добавим
амперметр, подключим все это к батарейке.
В первом случае включим батарейку в
одной полярности, а во втором в
противоположной, и посмотрим, что у нас
происходит с постоянным током, проходящим
по нашей схеме.

Рис.
1.16. Диод (в прямой полярности подключения)
в цепи постоянного тока

В
этом случае ток в цепи равен 10 мА (тысячным
долям ампера), что мы, зная закон Ома,
можем получить расчетным путем: ток
равен напряжению, деленному на
сопротивление. Разделим напряжение
(ЭДС) 10 В на сопротивление (резистора) 1
кОм (тысяча Ом) и получим ток в 10 мА
(десять тысячных ампера). Диод ведет
себя себя как проводник, то есть, так,
как будто его почти совсем нет. Изменим
полярность батарейки на противоположную.

Рис.
1.17. Диод (в обратной полярности) в цепи
постоянного тока

Ток
через амперметр в этом случае равен 1
мкА (одной миллионной доли ампера), а мы
можем рассчитать сопротивление цепи,
разделив напряжение на ток: 10 В разделим
на ток 1 мкА и получим сопротивление 10
МОм (десять миллионов Ом). Этот расчет
можно проверить опытным путем – замените
диод резистором в 10 МОм и, если получите
ток через амперметр I1 равным 1 мкА, то
расчет сделан верно.

Что
полупроводниковый диод чувствителен
к полярности приложенного напряжения
можно убедиться с помощью мультиметра.
У него есть режим измерения, который
помечен значком диода (диод
обозначается на схемах в виде треугольника,
упирающегося в стенку), подключая диод
к мультиметру в этом режиме, можно
увидеть, что тот показывает сопротивление
порядка нескольких сотен ом при одной
полярности включения и показывает
перегрузку (горит только единичка в
старшем разряде) при смене полярности.
Именно так проверяют работоспособность
полупроводникового диода мультиметром.

Как
объясняется это свойство двухслойной
конструкции из полупроводниковых
материалов разного типа? Представим,
что у нас есть две маленькие тонкие
пластинки из полупроводников разного
типа. Поверхности пластинок так идеально
отшлифованы, что соединив их вместе, мы
получим, как бы, единую пластинку. В этом
случае электроны-бродяги из полупроводника
одного типа (его называют полупроводником
типа «n») могут перемещаться через
границу, попадая в полупроводник другого
типа (его называют полупроводником типа
«p»), где электроны охотно занимают
вакантные места в атомах материала
(заполняют «дырки»). Но до этого
электрически нейтральные атомы на
границе раздела материалов становятся
заряженными – те, что потеряли электроны,
отрицательно, присоединившие электроны,
положительно. Между этими заряженными
атомами на границе раздела возникает
электрическое поле, которое теперь уже
мешает электронам из материала типа
«n» попадать в материал типа «p».
В целом наша конструкция остается
электрически нейтральной, сколько было
каких зарядов, столько их и осталось.
Но, когда мы подключаем к нашей конструкции
внешний источник ЭДС, то создаваемое
им поле может ослабить поле на границе
раздела при одной полярности включения,
и тогда электроны от одного полюса
источника питания могут двигаться по
полупроводнику, как по обычному.
Полупроводник будет проводить ток хуже
проводника, но достаточно хорошо. Если
мы изменим полярность источника ЭДС,
то внешнее поле усилит поле на границе
раздела и электроны от одного полюса к
другому почти не смогут перемещаться
из-за противодействия результирующего
электрического поля. Наша конструкция
почти не проводит ток, как изолятор.

Свойство
диода столь разно проводить ток разной
полярности используется для «выпрямления»
переменного тока. Заменим батарейку на
схеме источником переменного тока,
чтобы понаблюдать за током. Как выглядит
переменный ток, будем считать, мы знаем.

Рис.
1.18. Диод в цепи переменного тока

Диод
как бы «отрезает» отрицательную
полу-волну синусоидального переменного
напряжения. Если поменять полярность
включения диода, то диод будет отрезать
другую полу-волну.

Рис.
1.19. Обратная полярность включения диода

То,
что пропускает диод, остается переменным
током, но его направление почти не
меняется, меняется только величина. И
если в цепь добавить конденсатор (для
конденсации «результатов»), то мы
получим почти постоянный ток из
переменного.

Рис.
1.20. Выпрямление переменного тока

Результирующий
ток будет тем больше похож на постоянный,
чем больше величина конденсатора C1 в
нашей схеме выпрямителя. Ведь, в сущности,
мы «выпрямили» переменный ток.

Вот
каким полезным свойством обладает
простейшая конструкция из полупроводников
разного типа проводимости. И почти так
работаю блоки питания электронных
устройств от силовой сети 220 В. Конечно
с участием понижающего трансформатора,
поскольку напряжение питания многих
электронных устройств 5-10 В, а не 220. Как
именно устроен простейший блок питания?
Добавьте трансформатор к схеме, и все.
Правда, схема, показанная выше, осуществляет
однополупериодное
выпрямление. То есть, выпрямляется
только один полу-период переменного
напряжения. Но можно увеличить количество
диодов, получив двухполупериодное
выпрямление, либо с мостовой схемой при
четырех диодах, либо с двумя диодами и
двумя выходными обмотками трансформатора.
Думаю, с этим вы разберетесь без меня,
а я хочу только отметить, что конденсатор,
добавленный к схеме, заряжается, когда
присутствует полу-волна, и разряжается,
когда она отсутствует, играя роль
источника тока для схемы в это время и
«сглаживая» напряжение на выходе
блока питания, поэтому конденсатор в
схеме выпрямителя часто называют
сглаживающим,
а напряжение на выходе пульсирующим.

А
я хочу продолжить рассказ о конструкциях
полупроводников.

Положим,
мы возьмем не две пластинки из
полупроводниковых материалов разного
типа, а три. Соединим эти три кусочка
полупроводника, так, чтобы между двумя
пластинками одного типа была тоненькая
пластинка другого. В итоге мы получим
конструкцию, имеющую три вывода, и
называющуюся биполярный транзистор. В
зависимости от выбора типа полупроводника
средней пластинки мы получим транзистор
«n-p-n» или «p-n-p» типа.

Итак,
биполярный транзистор типа «n-p-n».
Он имеет две области с электронным типом
проводимости, между которыми заключена
область полупроводника с «дырочным»
типом проводимости. Как и у диода на
границах областей образуются пограничные
слои, и теперь их два. Как и у диода, в
зависимости от полярности приложенной
ЭДС эти пограничные слои будут влиять
на пропускную способность, оказывая
сопротивление постоянному току, зависящее
от приложенного напряжения. Такую
конструкцию можно было бы представить
в виде двух диодов, включенных встречно,
если бы ни одно «но!». Область,
заключенная между двумя материалами с
одним типом проводимости, конструктивно
очень тонкая. Вывод, подключенный к ней,
называется у транзистора базой.
Конструкция транзистора такова, что
области одинаковой проводимости не
равнозначны, одна из них играет роль
поставщика носителей тока и называется
эмиттер,
другая роль сборщика носителей и
называется коллектор.
Возникающие в отсутствии источников
ЭДС два пограничных слоя, чем похожие
на заряженные конденсаторы, препятствуют
перемещению носителей тока из эмиттера
в базу и из коллектора в базу, но для
носителей, прошедших из эмиттера в базу
поле перехода база-коллектор (пограничный
слой называют переходом) становится
«попутным», помогающим им перейти
в область коллектора. Два источника
питания транзистора включают так, что
переход эмиттер-база смещен
в прямом направлении,
то есть, поле пограничного слоя
компенсируется, а переход коллектор-база
смещен
в обратном направлении,
его поле усиливается внешним. Ток двух
источников питания будет частично
протекать по базовому выводу, но основная
масса носителей от их поставщика,
эмиттера (из-за того, что область базы
очень тонкая), будет попадать в «попутное»
поле перехода коллектора-база. Вот
неполная картина происходящего в
транзисторе. В дальнейшем я, надеюсь,
не буду обращаться к ней, но какую-то
картинку происходящего полезно иметь
перед глазами.

Мне
кажется, что для работы с транзистором
удобнее рассматривать его, как
распределитель токов: ток эмиттера
разветвляется в базу и коллектор, а
между токами базы и коллектора существует
строгая взаимосвязь – ток коллектора
всегда равен произведению тока базы на
постоянную, которую называют (статическим)
коэффициентом усиления транзистора по
току. Этот коэффициент у разных
транзисторов меняется от нескольких
десятков до сотен единиц. Именно благодаря этому свойству транзистор
имеет то
широкое применение, которое он имеет.

На
практике редко применяют включение
двух источников постоянного напряжения
для питания базовой и коллекторной
цепей, но лучше все-таки это нарисовать,
чтобы легче было понимать, как на практике
включают транзистор, чтобы использовать
его «активное» свойство усиливать
ток, втекающий в базу транзистора (или
из нее вытекающий у транзистора другого
типа).

Рис.
1.21. Схема включения транзистора

Хочу
сразу заметить, что не следует пытаться
проводить подобный эксперимент, впаяв
транзистор на макетную плату. Дело в
том, что переход транзистора база-эмиттер
(эмиттер обозначен стрелкой) ведет себя
подобно диоду, то есть при том включении
(и напряжении источника VDC1), которое
изображено выше, ток через переход будет
весьма большим, вызывая разогрев
перехода, который попытается «засветиться»
подобно лампочке при нагреве, но сгорит
быстрее, чем вы успеете заметить это
свечение. Я даже не стал рисовать землю,
чтобы показать, что не запускал симуляцию
схемы. Впрочем, на компьютере вы можете
провести любые эксперименты без опасений
за целостность ваших компонентов, чем
компьютер и полезен.

Итак,
источник тока VDC1 создает на переходе
база-эмиттер электрическое поле,
ослабляющее поле пограничного слоя.
Носители, выходя из области эмиттера
попадают под действие разгоняющего их
поля источника VDC2, и почти все «улетают»
в область коллектора. Влияние поля,
создаваемого источником VDC1 на ток
коллектора очень велико, а роль источника
VDC2 можно назвать «направляющей»,
направляющей ток к коллектору, чтобы
он весь не уходил в базу. Если убрать
этот источник тока, то весь ток, выходящий
из эмиттера, пройдет в базовую цепь
транзистора.

Для
экспериментов, на макетной плате или
за компьютером, удобнее следующая схема:

Рис.
1.22. Наблюдение токов базы и коллектора
транзистора

Такая
схема включения транзистора гораздо
чаще встречается на практике. Программа,
как вы заметили, которую я использовал
– это другая программа, и она называется
Qucs. Есть несколько причин, по которым я
сменил программу.

Первая
причина банальна, о ней не стоило бы
говорить, но она есть. Я не смог найти
транзистор в программе PSIM, который
позволил бы мне легко проиллюстрировать
несколько опытов с транзистором. Выбор
оставался небольшой, либо потратить
некоторое время на чтение документации,
либо сменить программу. Я выбрал второе.
И для этого была еще одна причина.

Вторая
причина смены программы – если первая
предназначена для работы в Windows, то
вторая для работы в Linux. Хотя первая
работает у меня в Linux, а вторая может
работать в Windows, я хочу уделить одинаковое
внимание программам для обеих операционных
систем, переходя к той, что в данный
момент удобнее.

Возвращаясь
к свойствам транзистора, отметим, что
ток базы, измеряемый прибором Pr1, равен
91.7 мкА, а ток коллектора (Pr2) 9. 17 мА.
Результаты измерений в программе Qucs
можно выводить в табличном виде, и
приведенные данные я взял из таблицы.
Отношение тока коллектора к току базы
равно 100. Это и есть статический коэффициент
усиления, который на схеме (рядом с
транзистором) обозначен как Bf. Если
изменить величину резистора R1, то ток
базы изменится, а это приведет к изменению
тока коллектора. Попробуйте изменить
значение резистора R1 так, чтобы ток базы
изменился незначительно, скажем, стал
равен 90 мкА. Новое значение тока коллектора
можно использовать для получения еще
одного коэффициента – отношение
разностей
токов коллектора к разности токов базы
называют динамическом
коэффициенте усиления
транзистора по току, если приращения
токов небольшие.

Что
мне в данный момент кажется самым важным?
Что изменения тока базы вызывают
пропорциональное изменение тока
коллектора. При этом ток базы много
меньше тока коллектора. То есть, транзистор
усиливает изменения тока базы, но
сохраняет закон, по которому ток базы
меняется. Именно, благодаря этим
свойствам, транзистор находит широкое
применение в электронике в качестве
основы разного рода усилителей,
преобразователей и генераторов.

Вы
можете убедиться, что те три закона
электротехники, о которых мы говорили
раньше, так же справедливы и сейчас. Ток
от плюса источника питания разветвляется
на коллекторный и базовый. Ток, подходящий
к узлу ветвления, будет равен сумме
токов в ветвях схемы, базовой и
коллекторной. Падение напряжения на
резисторе R2, складываясь с падением
напряжения на транзисторе (между
эмиттером и коллектором), даст величину,
равную напряжению источника питания.
Зная ток базы транзистора, проходящий
через резистор R1, мы можем вычислить
падение напряжения на этом резисторе
и проверить прямым измерением напряжения,
что оно почти равно напряжению питания.
Если измерить падение напряжения между
базой и эмиттером и прибавить его к
падению напряжения на R1, то равенство
будет точным, хотя это напряжение не
очень велико, для кремниевого транзистора
оно составит 0.5-0.7 вольт. Мало того, даже
небольшие изменения этого напряжения
будут вызывать значительное изменение
тока базы, а, соответственно, пропорциональные
ему изменения тока коллектора. Последнее,
в свою очередь, приведет к существенным
изменениям напряжения эмиттер-коллектор
транзистора. То есть, можно говорить не
только об усилении транзистором тока,
но, в этой схеме, об усилении транзистором
напряжения.

Биполярный
транзистор имеет три вывода: базу,
коллектор, эмиттер. В зависимости от
того, какой из выводов используется в
качестве общего, различают схемы
включения транзистора с общей базой, с
общим эмиттером и с общим коллектором.
Все три схемы включения обеспечивают
усиление, но при одних способах включения
осуществляется усиление по току, тогда
как усиления по напряжению нет, в других
случаях есть усиление и по напряжению,
и по току. Чаще всего применяется
включение транзистора с общим эмиттером,
как это изображено на рис. 1.22. Сигнал
при таком включении подается на
базу-эмиттер, а снимается с выводов
эмиттер-коллектор. Общий вывод у входного
и выходного сигнала – эмиттер, поэтому
и схему включения называют с общим
эмиттером.

С
помощью резистора R1 (рис. 1.22) устанавливается
рабочая точка транзистора на постоянном
токе. Чаще всего этот резистор выбирают
таким, чтобы напряжение эмиттер-коллектор
было равно половине напряжения питания.
Зачем это делается? Многие полезные
сигналы, о которых мы поговорим позже,
симметричны относительно горизонтальной
оси, как синусоидальный сигнал. Если,
усиливая сигнал, мы нарушим эту симметрию,
то получим другой сигнал, а это уже не
усиление, и чаще всего нам этого не надо,
но для получения максимального
симметричного сигнала на выходе,
начальное состояние выхода (на постоянном
токе) тоже желательно иметь симметричным,
то есть, напряжение должно быть равно
половине напряжения питания.

Я
уже говорил, что величина сопротивления
зависит от температуры. Включив
сопротивление в цепь постоянного тока
и измеряя ток, проходящий через
сопротивление, мы можем судить о
температуре вокруг сопротивления.
Изменения тока дадут нам информацию об
изменении температуры. Разные материалы
имеют разную чувствительность к
температуре. Особенно сильно реагируют
на температуру полупроводниковые
материалы. Это их и полезное в одних
случаях, и вредное при других обстоятельствах
свойство. Резисторы, которые изготавливают
для получения информации о температуре,
так и называю терморезисторами.

Какое
же вредное влияние оказывает температура
на полупроводники?

Если
в схеме рис. 1.22, которую мы тщательно
наладили, получив напряжение
эмиттер-коллектор точнехонько равным
половине напряжения питания, подвергнуть
транзистор воздействию температуры,
на макетной плате его можно обдувать
феном, то начальная рабочая точка
(напряжение на выходе) сместится. Теперь
напряжение эмиттер-коллектор, сколько
мы потратили труда!, уже не равно половине
питающего напряжения. Фен, которым мы
разогревали транзистор, дает представление
о влиянии внешней температуры на рабочую
точку транзистора. Но не надо забывать,
что на любом сопротивлении, через которое
протекает ток, мы говорили об этом,
появляется падение напряжения и
рассеивается мощность. Транзистор ведет
себя также. На нем тоже рассеивается
мощность, и для него тоже существует
такой параметр, как допустимая мощность
рассеивания. А выделяющаяся в процессе
работы мощность, выделяемая в виде
тепла, разогревает транзистор, смещая
его рабочую точку. Для стабилизации
рабочей точки транзистора применяют
специальные схемные решения, о которых
мы поговорим, когда будем говорить об
усилителях. Эксперименты, например, по
измерению влияния температуры можно
проводить в программе Qucs. Если заглянуть
в свойства транзистора, то можно
обнаружить такой параметр, как температура.
Изменяя этот параметр, добавив в схему
рис. 1.22 вольтметр параллельно транзистору,
можно увидеть изменение напряжения при
изменении температуры.

Вообще,
для любителей очень важно делать только
то, что интересно. Не нравится вам
разрабатывать собственные схемы,
нравится повторять готовые, занимайтесь
тем, что нравится, но не забывайте, что
далеко не всегда повторение готовой
схемы сразу приводит к ожидаемым
результатам. Важно хорошо понимать
назначение и работу всех элементов
схемы, а нет лучшего средства для решения
этой задачи, чем эксперименты с этими
элементами. Часть из них лучше провести
с паяльником в руках. Без этого не
обойтись. Но подобные эксперименты,
порой, требуют хорошего оснащения
любительской лаборатории. Далеко не
все могут позволить себе покупку всех
необходимых приборов. Часть таких
приборов можно изготовить самостоятельно,
но их настройка тоже требует наличия
приборов, и образуется замкнутый круг,
из которого трудно выбраться. В этом
смысле компьютерные программы, подобные
PSIM и Qucs оказываются очень полезны.
Проводя ряд экспериментов за компьютером,
можно найти то место, где опыты можно
перенести на макетную плату, а работа
будет обеспечена теми приборами, что
есть в распоряжении любителя. Со временем
парк приборов пополнится за счет
самодельных, эти приборы будут
откалиброваны, а круг интересов и
возможностей значительно расширится.
Но и в этом случае не стоит пренебрегать
теми возможностями и теми удобствами,
что дают компьютер и программы.

Введение в электронику. Транзисторы

Серия статей известного автора множества радиолюбительских публикаций  Дригалкина В.В.  для начинающих радиолюбителей

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

Транзисторы

Транзистор входит в целую группу деталей, которую называют полупроводниковые приборы. Кроме транзистора, в нее входят диоды, стабилитроны и другие детали. В каждой из них использован полупроводниковый материал (полупроводник). Что это такое? Все существующие вещества можно условно поделить на три большие группы. Одни из них – медь, железо, алюминий и прочие металлы – хорошо проводят электрический ток. Это проводники. Древесина, фарфор, пластмасса совсем не проводят тока. Они – непроводники, изоляторы (диэлектрики).
Полупроводники же занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.

Из полупроводниковых приборов транзистор чаще всего применяется в радиоэлектронике, особенно биполярный. Первые такие транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. У биполярного транзистора три вывода: база (б), эмитер (е) и коллектор (к). Назначение выводов называют цоколевкой или в народе – расПИНовкой (от английского PIN – вывод). Цоколевку транзисторов можно найти в специальной справочной литературе.

Транзистор – усилительный прибор. Условно его можно сравнить с таким известным Вам устройством, как рупор. Довольно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое отверстие в сторону приятеля, который стоит за несколько десятков метров, и голос, усиленный рупором, будет ему хорошо слышан. Если воспринять узкое отверстие как вход рупора-усилителя, а широкий – как выход, то можно сказать, что исходный сигнал в несколько раз более сильный от входных. Это и есть показатель усилительной способности рупора, его коэффициент усиления. Некоторые разновидности транзисторов и их обозначение на принципиальной схеме представлены на Рис. 1.

Если пропустить через участок база-эмитер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже в сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор-эмитер2. В зависимости от наибольшего тока, что можно пропускать через коллектор, транзисторы разделяют на маломощные, средней и большой мощности. Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры р-п-р или n-p-n (на английском). Так различаются транзисторы с разным расположением пластов полупроводниковых материалов3 (если в диоде два пласта материалов, то здесь их три) . Тем не менее, не думайте, что транзисторы разной структуры имеют и разное усиление. Это совсем не обязательно. Усилительная способность транзистора определяется его так называемым статическим коэффициентом передачи тока. Для некоторых конструкций этот коэффициент важный, и его указывают в описании.
Статический коэффициент передачи тока транзистора указывает во сколько раз больший ток по участку коллектор-эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база-эмиттер. Для некоторых схем этот параметр очень важен. В отечественной схемотехнике он обозначается как h31э, в зарубежной как hFE.
Приведу пример: допустим, hFE = 500, и через переход база-эмиттер проходит ток 0.1mA, тогда транзистор пропустит максимум через себя 50mA. Если в электрической цепи за транзистором стоит деталь, потребляющая 30mA, то у транзистора будет запас, и он передаст именно 30mA, но если стоит деталь, потребляющая больше 50mA (например, 80mA), то ей будет доступно всего 50mA.
В электронных конструкциях может встретится еще одна разновидность транзистора – полевой. У него чаще всего три вывода, но называют их по-другому: затвор (как база), исток (эмитер), сток (коллектор). Некоторые полевые транзисторы в металлическом корпусе имеют четыре вывода – затвор, исток, сток и корпус. Последний вывод, как Вы уже догадались, соединен с корпусом транзистора. Подбирать эти транзисторы по усилительной способности не нужно, а вот проверять исправность особенно не нового транзистора рекомендуется, т.к. “полевики” выходят из строя при самых непредвиденных обстоятельствах. В частности полевые транзисторы очень чувствительны к статическому электричеству, поэтому их рекомендуется проверять, предварительно организовав заземление. Для снятие статики достаточно коснуться рукой батареи отопления или любых заземленных предметов. При хранении полевых транзисторов, особенно маломощных, их выводы должны быть замкнуты между собой. Полевые транзисторы, благодаря ряду уникальных параметров, в том числе высокому входному сопротивлению, находят широкое применение в блоках питания компьютеров, мониторов, телевизоров и другой радиоэлектронной аппаратуры.

Транзисторы бывают и однопереходные. У этой детали две базы и один эмиттер. В отличии от биполярных и полевых транзисторов однопереходные представляет собой прибор с отрицательным сопротивлением. Это означает, что в определённых условиях входное напряжение или сигнал могут уменьшаться даже при возрастании выходного тока через нагрузку. Когда однопереходном транзистор находится во включённом состоянии, выключить его можно только разомкнув цепь, либо сняв входное напряжение.

По диапазону рабочих частот транзисторы делятся на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные.

По мощности различают транзисторы малой, средней и большой мощности. Чем мощнее транзистор – тем больше его внешний вид. Такие транзисторы имеют отверстия для крепления на радиатор – кусочек алюминия, который рассеивает тепло полупроводника, выделяемое во время его работы.

Среди транзисторов присутствуют фотоэлементы. Фототранзистор отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы.

Перейти к следующей статье: Тиристоры

Биполярные транзисторы, их схемы включения

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1.

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

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

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

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

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

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

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

Схемы включения транзисторов

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

Рисунок 2.

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

Работа транзистора в ключевом режиме

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

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

Рисунок 3.

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

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

Рисунок 4.

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 5.

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

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

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

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

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

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

На рисунке 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Рисунок 6.

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

Схемы с термостабилизацией

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

Рисунок 7.

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

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

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

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

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

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

Рисунок 8.

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

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

Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке 9.

Рисунок 9.

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 10.

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

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

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

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

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

По материалам: electrik.info.

Транзисторы: принцип работы,​ схема подключения, отличие биполярного от полевого

Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 44.2k. Опубликовано 18 ноября
Обновлено 18 ноября

В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».

Что такое транзистор

Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n. Принципиальное различие между ними – направление течения тока.

Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.

В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.

Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.

Полевой транзистор

Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.

Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.

Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).

Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.

Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

1. МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.

Основные характеристики

Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.

Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.

Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.

Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.

1. Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
2. Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
3. Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.

Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.

Виды транзисторов

В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.

В настоящее время начинают набирать популярность триоды на основе органических материалов и даже веществ биологического происхождения: протеинов, пептидов, молекул хлорофилла и целых вирусов. Биотранзисторы используются в медицине и биотехнике.

Другие классификации транзисторов:

1. По мощности подразделяются на маломощные (до 0,1 Вт), средней мощности (от 0,1 до 1 Вт) и просто мощные (свыше 1 Вт).
2. Также разделяются по материалу корпуса (металл или пластмасса), типу исполнения (в корпусе, бескорпусные, в составе интегральных схем).
3. Нередко их объединяют друг с другом для улучшения характеристик. Такие транзисторы называются составными или комбинированными и могут состоять из двух и более полупроводниковых приборов. Строение и у них простое: эмиттер первого является базой для второго и так далее до необходимого количества триодов. Бывает нескольких типов: Дарлинга (все составляющие с одинаковым типом проводимости), Шиклаи (тип проводимости разный), каскодный усилитель (два прибора, работающие как один с подключением по схеме с общим эмиттером).
4. К составным относится также и IGBT-транзистор, представляющий собой биполярный, который управляется при помощи полярного триода с изолированным затвором. Такой тип полупроводниковых приборов применяется в основном там, где нужно управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электротранспорт).
5. В качестве управления может применяться не ток, а другое электромагнитное воздействие. К примеру, в фототранзисторах в качестве базы используется чувствительный фотоэлемент, а в магнитотранзисторах – материал, индуцирующий ток при воздействии на него магнитного поля.

Технологический предел для транзисторов еще не достигнут. Их размеры уменьшаются с каждым голом, а различные научно-исследовательские институты ведут поиск новых материалов для использования в качестве полупроводника. Можно сказать, что эти полупроводниковые приборы еще не сказали миру своего последнего слова.

Как работает транзистор?

Подробности

Категория: Начинающим

Опубликовано 29.11.2013 14:41

Автор: Admin

Просмотров: 35305

Транзисторы – это радиоэлектронные компоненты из полупроводникового материала, которые предназначены для преобразований, усилений и генерации электрических колебаний.

Но всё же, как работает транзистор? Говоря простым языком с помощью транзистора можно управлять током. Транзисторами называются любые устройства, которое способно имитировать главные его свойства, а именно – изменять сигнал между двумя разными типами состояний при изменениях сигнала на управляющем электроде.

Транзисторы бывают двух типов:

• полевые;
• биполярные.

Материалами изготовления служат германий и кремний, но при добавлении примесей способность проводить ток возрастает. Нужно рассмотреть оба типа транзисторов, для того чтобы понять как работает транзистор? На рисунке представлены три области p-n-p или n-p-n из которых состоит любой биполярный транзистор.

Структура транзистора

В биполярных транзисторах носители зарядов двигаются от эмиттера к коллектору. База отделяется от коллектора и эмиттера p-n переходами. Протекает ток через транзистор лишь при инжектировании носителей заряда через p-n переход из эмиттера в базу. Находясь в базе, они начинают становиться неосновными носителями заряда и достаточно легко проникают через p-n переходы. Управление током между коллектором и эмиттером осуществляется за счет изменения напряжения между базой и эмиттером.

Конструкция транзистора

Как работает транзистор в цепи электрического тока? 

Основной принцип работы транзистора заключается в управлении электрическим током с помощью незначительного тока являющегося своего рода управляющим током. В полевых транзисторах носители зарядов движутся к коллектору от эмиттера через базу. Существует канал, в легированном проводнике находясь в промежутке между нелегированной подложкой и затвором. В подложке отсутствует заряд, и она не проводит ток. Перед затвором есть область обеднения с отсутствием носителей заряда.

Таким образом, вся ширина канала ограничивается пространством между областью обеднения и пространством между подложкой. Напряжение, прикладываемое к затвору, уменьшает или увеличивает область обеднения, и тем самым ширину самого канала, контролируя при этом ток.

Многие начинающие радиолюбители не так представляют себе принцип работы транзистора. Они думают, что транзистор способен усилить мощность источника питания, но это далеко не так. Важно понимать, что транзистор управляет большим током коллектора с помощью маленького тока протекающего через базу. Здесь речь идет скорее всего об управлении чем об усилении. 

Схема подключение транзистора

Схема состоит из двух электрических цепей : 

• цепь эмиттера;
• цепь коллектора;

В цепи эмиттера протекает незначительный ток, который управляет током коллектора. На выходе мы получаем «копию» тока эммитера но усиленного в несколько раз.

Интересное видео о принципе действия транзистора

• < Назад
• Вперёд >

Добавить комментарий

Биполярный транзистор -устройство, принцип работы, технические характеристики, схемы включения, область применения. Сравнение с лампой.

Раздел Техническая информация → Транзисторы

Сырьем для транзисторов может служить обычный песок. Не вериться? Песок представляет собой окись кремния SiO₂.
Кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.
Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Кратко вспомним, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.
Электрический проводник-это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы -хорошие проводники. В металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку.

Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум-небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.
Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почта все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева-проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не углубляться, посмотрим лишь несколько цифр.
Удельное сопротивление вещества-величина, обратная проводимости,-измеряется в омах на метр (Ом-м). Это сопротивление бруска вещества сечением 1 м² и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10^-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·10¹³Ом, т.е. на двадцать один порядок (10²¹) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и других факторов.
Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает.

Различают два вида примесей: акцепторные и донорные.
Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона.

Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».
Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь.
Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места-валентные связи-заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный — «дырочный» или отрицательный — «электронный»). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Биполярный транзистор

Значение «Би» означает, что имеется два основными носителями которыми являются электроны и дырки. По способу чередования областей различают npn и pnp транзисторы.
Обозначение биполярного транзистора на схеме.

Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить, опираясь на те же явления, которые наблюдаются в рп-выпрямителе. У npn-транзистора одна n-область находится в контакте с р-областью, а та в свою очередь контактирует со второй n-областью (рис.).

Главным здесь, как мы сейчас видим, является то, что средняя р-область очень узка и относительно слабо легирована, рпр-транзистор получается заменой в npn-транзисторе р и n областей. На практике применяются транзисторы обоих видов; функции их схожи, но в pnp-транзисторе носителями заряда в основном являются дырки, а в npn-транзисторе — электроны. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то в большинстве случаев кремниевые pnp-транзисторы превосходят pnp-транзисторы. Чтобы рассмотреть принцип действия прп-транзистора, обратимся еще раз к рис.

В таком транзисторе есть два p-n-перехода, т.е. n-p-переход слева и p-n-переход справа. Приложим положительное высокое напряжение Uк к правой n-области и отрицательное напряжение UЕ к левой n-области. Пусть на p-область действует напряжение Vв, которое больше Ue, но меньше Uk. В результате на левом n-p -переходе мы имеем прямое смещение (пропускное направление), а на правом p-n-переходе -обратное смещение (запирающее направление). Электроны из инжектирующей левой n-области, называемой эмиттером, диффундируют в р-область, где в нормальном случае они бы рекомбиннровали, если бы p-область, т. е. так называемая база, не была настолько узкой, что электроны успевают проскочить через нее не рекомбинируя. Таким образом удается добиться того, чтобы электроны попали в правую n-область и там поступали на электрод. Поэтому правую n-область называют коллектором. Он собирает инжектированные из левой n-области — эмиттера — электроны.
Различные роли обеих n-областей, которые без приложенного к ним напряжения совершенно равноправны, конечно же, являются следствием того, что к правой n-области приложено положительное напряжение, а к левой — отрицательное. Соединим теперь базу через источник напряжения и проводник с эмиттером, как это показано на рис. Мы получим две цепи тока -базовую и коллекторную. В базовой цепи в ток вносят вклад лишь те электроны, которые, как мы видели в случае с прямосмещенным переходом (в пропускном направлении), рекомбинируют в p-области. Но из-за узости p-области их очень мало. Следовательно, выходящий из базы поток электронов очень невелик. Большая часть тока, поступающего с эмиттера, течет через коллектор (рис.).

Однако мы знаем, что в ток через р-n-переход вносят вклад не только электроны, но и дырки. В нашем конкретном случае это означает, что из базы в эмиттер поступает поток дырок.
Он существенно превысил бы сравнительно слабый поток электронов и стал бы причиной появления в целом относительно сильного тока в базовой цепи, если бы его не удалось уменьшить каким-либо способом. В биполярном транзисторе с этой целью слабо легируют базу. В результате концентрация дырок в базе является низкой и из базы может поступить лишь небольшой поток дырок. Вывод, сделанный выше в отношении потока электронов, остается справедливым и для суммарного потока электронов и дырок: большая часть тока течет по коллекторной и меньшая-по базовой цепи.
Какую же пользу можно извлечь из всего этого? Если изменить напряжение между эмиттером и базой при постоянном напряжении между базой и коллектором, то изменится ток, идущий от эмиттера. Это изменение в большей мере затронет коллекторную цепь и в меньшей -базовую. Таким образом, путем небольшого изменения тока в базовой цепи можно получить значительное изменение тока в коллекторной цепи. В данном случае транзистор работает как усилитель тока. Но так как сопротивление базовой цепи значительно меньше (прямосмещенный р-n-переход) сопротивления коллекторной цепи (обратносмещенный p-n -переход), то и потребляемая в базовой цепи электрическая мощность значительно меньше, чем в коллекторной. В итоге с помощью небольшой электрической мощности в базовой цепи можно управлять величиной мощности в коллекторной цепи.

Сравнение с электронной лампой

Ту же функцию в вакуумной электронике выполняют трех электродные электронные лампы. Эмиттер транзистора соответствует катоду электронной лампы, коллектор-аноду и база-сетке.

Схема включения транзистора, показанная на рис., где эмиттер соединен с базой и коллектором, а база и коллектор-соответственно только с эмиттером, называется схемой с общим эмиттером.

Она является одной из трех возможных схем включения транзистора. Если транзистор включен по схеме с общим коллектором, то коллектор является общей областью для обеих цепей тока, а при включении по схеме с общей базой такой областью становится база.

Схема с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

В микроэлектронике применяются также транзисторы, обладающие двумя и более изолированными друг от друга эмиттерными областями. В результате появляются разнообразные варианты схем включения. Существует также возможность получения транзисторов с несколькими коллекторами.
Рис. npn-транзистор с базой, общей для двух цепей. Здесь показаны потоки электронов и дырок, т.е. потоки основных носителей заряда.
С помощью транзисторов можно осуществлять увеличение или преобразование электрической мощности. В микроэлектронике транзисторы являются прежде всего усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электрической природы и используются в ключевых схемах. Важной характеристикой такого транзисторного ключа является время, необходимое для одного переключения из положения «включено» в положение «выключено» или наоборот, короче говоря, время задержки. Чтобы получить представление о величине времени задержки биполярного транзистора, рассмотрим следующий пример. Пусть к эмиттеру, базе и коллектору npn -транзистора приложены определенные электрические напряжения Ue, Ub и Uk. В коллекторной цепи появится ток определенной силы. Если напряжение, приложенное к базе, возрастает до Ub + ΔUb, то сопротивление как левого n-p- перехода, так и правого p-n -перехода уменьшается и в результате ток в коллекторной цепи увеличивается. Но при этом мы полагаем, что во время пролета электронов через базу напряжение на ней остается неизменным и равным UB + ΔUb. Ситуация изменяется, если за это время приложенное к базе напряжение меняется. Когда оно, например, снова уменьшается до UB, а электроны еще не успели проскочить через базу, то вызванное ΔUb возрастание тока в коллекторной цепи не так велико, как при неизменном напряжении Ub + ΔUb. Отсюда можно сделать вывод о том, что эффективность переключения транзистора падает, если команды на переключение в форме более высоких или низких напряжений поступают на базу с интервалами, которые меньше времени, затрачиваемого электронами на пролет через базу. Время задержки Т транзистора представляет собой, таким образом, время, необходимое для пролета электронов через базу. Поэтому становится ясно: чем тоньше база, тем меньше время задержки. Делается понятным и стремление сделать как можно тоньше прежде всего базу. Тем самым мы также доказали высказанное в гл. 2 утверждение, что с уменьшением размеров полупроводниковых электронных элементов их быстродействие возрастает. Ориентировочно время пролета Т сквозь базу инжектированных эмиттером носителей заряда легко определить, зная коэффициент диффузии электронов D и ширину базы Ь. В общем случае справедливо выражение Т ≈ b2/D. Если для кремния ширину базы принять равной 0,7 мкм и коэффициент диффузии электронов 50 см2/с, то время задержки для pnp-транзистора составит Т ≈ 10^-10 с. Коэффициент диффузии менее подвижных по сравнению с электронами дырок в кремнии почти в 3 раза меньше. Поэтому и время задержки pnp-транзистора в 3 раза больше, чем у npn-транзистора. Еще более высокой подвижностью по сравнению с электронами кремния обладают электроны арсенида галлия (GaAs). Поэтому из арсенида галлия n-типа можно изготавливать сверхбыстродействующие рпр-транзисторы.
Итак, теперь мы в состоянии рассчитать требуемую энергию для выполнения одной операции переключения в npn-транзисторе. Необходимое на одно переключение время Т следует умножить на израсходованную при этом электрическую мощность Р. В биполярном транзисторе преобразование электрической мощности осуществляется в базовой цепи. Вообще мощность равна произведению напряжения на силу тока. В нашем конкретном примере сила тока зависит от величины транзистора. Чем меньше транзистор, тем слабее возникающие в нем токи. В интегральных микросхемах транзисторы размещаются на площади 1000 мкм2 и менее. Сила тока в базовой цепи составляет всего несколько микроампер, а напряжение — около 1 В. Следовательно, мощность, необходимая для переключения, равна произведению одного вольта на несколько микроампер, т. е. нескольким микроваттам. При Р=10^-5 Вт и Т = 10″10 с получаем энергию переключения, равную 10^-5 х 10^-10 Вт.с=10^-15 Дж. Это очень малая энергия, которая, однако, не имеет ничего общего с действительным энергопотреблением транзистора. Энергозатраты в коллекторной цепи гораздо выше.

Транзистор

| Определение и использование

Транзистор , полупроводниковый прибор для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы — это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко укоренившиеся почти во всем электронном, стали нервными клетками информационного века.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который течет между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком) в большинстве приложений. Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, а скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

NMOS-транзистор Металлооксидные полупроводники с отрицательным каналом (NMOS) используют положительное вторичное напряжение для переключения мелкого слоя полупроводникового материала типа p под затвором в тип n . Для металлооксидных полупроводников (PMOS) с положительным каналом все эти полярности меняются на противоположные. Транзисторы NMOS дороже, но быстрее, чем транзисторы PMOS.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах.Благодаря своему небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности. Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными.Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

Безусловно, наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — это микросхемы памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также микропроцессоры, в которых миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку.В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем.В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздки и хрупки, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении.Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между изоляторами, такими как стекло, и проводниками, такими как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров.Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель — устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца. Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия.В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях.Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

Транзисторные схемы | Клуб электроники

Транзисторные схемы | Клуб электроники

Типы | Токи | Функциональная модель |
Использовать как переключатель | Выход IC | Датчики |
Инвертор | Дарлингтон пара

Следующая страница: Емкость

См. Также: Транзисторы

На этой странице объясняется работа транзисторов в простых схемах, в основном их использование в качестве переключателей.Практические вопросы, такие как тестирование, меры предосторожности при пайке и идентификация выводов, рассматриваются в
страница транзисторов.

Типы транзисторов

Есть два типа стандартных (биполярных) транзисторов, NPN и PNP ,
с разными обозначениями схем. Буквы относятся к слоям полупроводникового материала, из которых изготовлен транзистор.
Большинство используемых сегодня транзисторов являются NPN-транзисторами, потому что их проще всего сделать из кремния.
Эта страница в основном посвящена транзисторам NPN, и новичкам следует сначала сосредоточиться на этом типе.

Выводы имеют маркировку база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).
Эти термины относятся к внутренней работе транзистора, но их не так много.
Помогите понять, как используется транзистор, поэтому относитесь к ним как к ярлыкам.

Обозначения схем транзисторов

Пара Дарлингтона — это два транзистора, соединенных вместе.
чтобы дать очень высокий коэффициент усиления по току.

Помимо стандартных (биполярных) транзисторов, есть
полевых транзисторов , которые обычно обозначаются как FET s.У них разные символы схем и свойства, и они не рассматриваются на этой странице.

Rapid Electronics: транзисторы

Токи транзисторов

На схеме показаны два пути тока через транзистор.

Малый базовый ток управляет большим током коллектора .

Когда переключатель замкнут , небольшой ток течет в основание (B)
транзистор. Этого достаточно, чтобы светодиод B тускло светился.Транзистор усиливает
этот небольшой ток, чтобы позволить большему току течь через его коллектор (C)
к его эмиттеру (E). Этот ток коллектора достаточно велик, чтобы светодиод C светился ярко.

Когда переключатель разомкнут базовый ток не течет, поэтому транзистор отключается
коллекторный ток. Оба светодиода выключены.

Вы можете построить эту схему с двумя стандартными 5-миллиметровыми красными светодиодами и любыми маломощными светодиодами общего назначения.
Транзистор NPN (например, BC108, BC182 или BC548).Это хороший способ проверить транзистор и убедиться, что он работает.

Транзистор усиливает ток и может использоваться как переключатель, как описано на этой странице.

С подходящими резисторами (и конденсаторами для переменного тока) транзистор может усиливать напряжение, такое как аудиосигнал.
но это еще не рассматривается на этом веб-сайте.

Режим общего эмиттера

Это устройство, в котором эмиттер (E) находится в цепи управления (базовый ток)
а в управляемой цепи (коллекторный ток) называется общим эмиттерным режимом .Это наиболее широко используемая схема транзисторов, поэтому ее нужно изучить в первую очередь.

Функциональная модель NPN-транзистора

Функционирование транзистора сложно объяснить и понять с точки зрения его внутренней структуры.
Более полезно использовать эту функциональную модель.

• Переход база-эмиттер ведет себя как диод.
• A базовый ток I _B протекает только при напряжении V _BE
  через переход база-эмиттер равен 0.7В или больше.
• Малый базовый ток I _B управляет большим током коллектора Ic
  варьируя сопротивление R _CE .
• Ic = h _FE × I _B
  (если транзистор не открыт и не насыщен).
  h _FE — коэффициент усиления по току (строго по постоянному току),
  Типичное значение для h _FE — 100 (это отношение, поэтому у него нет единиц измерения).
• Сопротивление коллектор-эмиттер R _CE регулируется током базы I _B :
  
  I _B = 0 , R _CE = бесконечность, транзистор выключен
  
  I _B малый , R _CE уменьшенный, транзистор частично включен
  
  I _B увеличено , R _CE = 0, транзистор полностью открыт («насыщен»)

Дополнительные примечания:

• Базовый ток I _B должен быть ограничен, чтобы предотвратить повреждение транзистора.
  и резистор может быть подключен последовательно с базой.
• Транзисторы имеют максимальный ток коллектора Ic.
• Коэффициент усиления по току h _FE может широко варьироваться ,
  даже для однотипных транзисторов!
• Транзистор, заполненный на на (с R _CE = 0), называется
  « насыщенный ».
• При насыщении транзистора напряжение коллектор-эмиттер В _CE
  снижается почти до 0В.
• Когда транзистор насыщен, определяется ток коллектора Ic.
  напряжением питания и внешним сопротивлением в цепи коллектора, а не
  коэффициент усиления транзистора по току.В результате соотношение Ic / I _B
  для насыщенного транзистора коэффициент усиления по току меньше h _FE .
• Ток эмиттера I _E = Ic + I _B , но Ic
  намного больше, чем I _B , поэтому примерно I _E = Ic.

Использование транзистора в качестве переключателя

Когда транзистор используется в качестве переключателя, он должен быть либо ВЫКЛ. , либо полностью ВКЛЮЧЕННЫМ .
Он никогда не должен быть включен частично (со значительным сопротивлением между C и E), потому что в
В этом состоянии транзистор может перегреться и выйти из строя.

В полностью открытом состоянии напряжение V _CE на транзисторе почти равно нулю, и транзистор находится в
считается насыщенным , потому что он больше не может пропускать ток коллектора Ic.

Устройство, переключаемое транзистором, называется нагрузкой .

При выборе транзистора для использования в качестве переключателя необходимо учитывать его максимальный ток коллектора.
Ic (макс.) и его минимальное усиление по току ч _FE (мин.) .
Номинальное напряжение транзистора может быть проигнорировано при напряжении питания менее 15 В.

Технические данные транзистора

Большинство поставщиков предоставляют данные о транзисторах, которые они продают, например
Быстрая электроника.

Мощность, развиваемая переключающим транзистором, должна быть очень маленькой

Мощность, развиваемая в транзисторе, отображается как нагрев , и транзистор будет разрушен, если станет слишком горячим.
Это не должно быть проблемой для транзистора, используемого в качестве переключателя, если он был выбран и настроен правильно, потому что
мощность, развиваемая внутри него, будет очень маленькой.

• Когда ВЫКЛ. : Ic равно нулю, поэтому мощность равна нулю .
• Когда полный ВКЛ : V _CE почти равен нулю, поэтому мощность очень мала .

Может ли реле быть лучше транзисторного переключателя?

Транзисторы не могут переключать переменный ток или высокое напряжение (например, электросеть), и они
обычно не лучший выбор для коммутации больших токов (> 5A).Реле подходят для всех этих ситуаций, но учтите, что
для переключения тока катушки реле может все еще потребоваться маломощный транзистор.
Для получения дополнительной информации, включая преимущества и недостатки,
см. страницу реле.

Защитный диод для нагрузок с катушкой, таких как реле и двигатели

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки, такой как двигатель или реле,
диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от
кратковременное высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки.

На схеме показано, как защитный диод подключен к нагрузке «в обратном направлении», в данном случае катушка реле.

Для этого подходит сигнальный диод типа 1N4148.

Зачем нужен защитный диод?

Ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое внезапно схлопывается.
при отключении тока. Внезапный коллапс магнитного поля вызывает
кратковременное высокое напряжение на катушке, которое может повредить транзисторы и микросхемы.Защитный диод позволяет индуцированному напряжению пропускать кратковременный ток через катушку.
(и диод), поэтому магнитное поле исчезает быстро, а не мгновенно. Это предотвращает
индуцированное напряжение становится достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение транзисторов и микросхем.

Подключение транзистора к выходу включения / выключения цифровой ИС

Большинство микросхем не могут обеспечивать большие выходные токи, поэтому может потребоваться использование транзистора.
для переключения большего тока, необходимого для таких устройств, как лампы, двигатели и реле.Микросхема таймера 555 необычна тем, что может обеспечивать относительно большой ток до 200 мА,
Достаточно для многих реле и других нагрузок без транзистора.

Резистор базы ограничивает ток, протекающий в базу транзистора, чтобы предотвратить его повреждение.
но он также должен пропускать достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью насыщен.
при включении.

Транзистор, который не полностью насыщен при включении, может перегреться и выйти из строя.
особенно если транзистор переключает большой ток (> 100 мА).

В следующем разделе объясняется, как выбрать транзистор и базовый резистор для обеспечения полного насыщения.

Переключение нагрузки с другим напряжением питания

Транзистор может использоваться для включения ИС, подключенной к источнику низкого напряжения (например, 5 В)
для переключения тока нагрузки с отдельным источником постоянного тока (например, 12 В).

Два источника питания должны быть связаны. Обычно их соединения 0 В связаны и транзистор NPN
используется на выходе IC. Однако, если на выходе IC используется транзистор PNP, положительные (+) соединения
вместо этого должны быть подключены.

Выбор транзистора и базового резистора для цифрового выхода ИМС

Следуйте этому пошаговому руководству, чтобы выбрать подходящий транзистор для подключения к выходу включения / выключения.
цифровой ИС (логический вентиль, счетчик, PIC, микроконтроллер и т. д.) для переключения нагрузки, такой как лампа, двигатель или реле.
Данные о транзисторах можно получить у большинства поставщиков, например см.
Быстрая электроника.

1. Выберите правильный тип транзистора, NPN или PNP

Вы хотите, чтобы нагрузка включалась, когда выход IC высокий? Или когда он или низкий?

• Для включения, когда на выходе IC высокий , используйте NPN транзистор .
• Для включения, когда на выходе IC низкий уровень , используйте транзистор PNP .

Транзисторы NPN и PNP подключаются по-разному, как показано на схемах ниже, но
Расчеты и требуемые свойства одинаковы для обоих типов транзисторов.

Транзисторный переключатель NPN
нагрузка включена, когда выход IC высокий

Транзисторный переключатель PNP
нагрузка включена, когда выход IC низкий

2.Узнайте напряжение питания и характеристики нагрузки.

Для определения требуемых свойств транзистора вам необходимо знать следующие значения:

• Vs = напряжение питания нагрузки.
• R _L = сопротивление нагрузки (например, сопротивление катушки реле).
• Ic = ток нагрузки (= Vs / R _L ).
• Максимальный выходной ток микросхемы — см. Техническое описание микросхемы.
  Если вы не можете найти эту информацию, примите низкое значение, например 5 мА.
• Vc = напряжение питания IC (обычно это Vs, но оно будет другим, если IC и нагрузка имеют отдельные источники питания).

Примечание: не путайте IC (интегральная схема) с Ic (ток коллектора).

3. Определить требуемые свойства транзистора

Выберите транзистор правильного типа (NPN или PNP из шага 1), чтобы удовлетворить следующие требования:

• Максимальный ток коллектора транзистора Ic (max) должен быть больше тока нагрузки:
  

  Ic (max)>	напряжение питания Vs
  	сопротивление нагрузки R L

• Минимальный коэффициент усиления по току транзистора h _FE (мин) должен быть не менее 5
  умноженный на ток нагрузки Ic, деленный на максимальный выходной ток IC.

  ч FE (мин)> 5 ×	ток нагрузки Ic
  	макс. Ток IC

4. Определите значение для базового резистора R

_B

Базовый резистор (R _B ) должен пропускать ток, достаточный для обеспечения работы транзистора.
полностью насыщен при включении, и было бы хорошо сделать базовый ток (I _B ) примерно в пять раз
значение, которое просто насыщает транзистор.Воспользуйтесь приведенной ниже формулой, чтобы найти подходящее сопротивление для R _B и выбрать ближайшее стандартное значение.

Примечание: Если ИС и нагрузка имеют разные напряжения питания, например 5 В для ИС
но 12 В для нагрузки используйте формулу ниже для R _B :

5.Проверьте, нужен ли вам защитный диод

Если включаемой и выключаемой нагрузкой является двигатель, реле или соленоид (или любое другое устройство с катушкой):
диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от короткого замыкания.
высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки. Обратите внимание, что диод подключен «в обратном направлении», как показано на рисунке.
на диаграммах выше.

Пример

Выход из КМОП-микросхемы серии 4000 необходим для работы реле с
100, включается, когда выход IC высокий.Напряжение питания составляет 6 В как для ИС, так и для нагрузки. ИС может обеспечивать максимальный ток 5 мА.

• Требуется транзистор NPN , потому что катушка реле должна быть включена, когда выход IC высокий.
• Ток нагрузки = Vs / R _L = 6/100 = 0,06 A = 60 мА, поэтому транзистор должен иметь Ic (макс.)> 60 мА .
• Максимальный ток от ИС составляет 5 мА, поэтому транзистор должен иметь ч _FE (мин)> 60
  (5 × 60 мА / 5 мА).
• Выберите транзистор малой мощности общего назначения BC182 с Ic (макс.) = 100 мА
  и ч _FE (мин) = 100 .
• R _B = 0,2 × R _L × h _FE
  = 0,2 × 100 × 100 = 2000,
  поэтому выберите R _B = 1k8 или 2k2 .
• Для катушки реле требуется защитный диод .

Rapid Electronics: транзисторы

Использование транзистора в качестве переключателя с датчиками

На схемах ниже показано, как подключить LDR (датчик освещенности) к транзистору, чтобы
светочувствительный переключатель цепи на светодиоде. Есть две версии: одна включается в темноте, другая при ярком свете.Переменный резистор регулирует чувствительность. Для переключения светодиода можно использовать любой транзистор малой мощности общего назначения.

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки (например, двигателя или реле) вместо светодиода, вы должны включить
защитный диод поперек нагрузки.

Если переменный резистор находится между + Vs и базой, вы должны добавить резистор с фиксированным номиналом не менее
1к (10к
в примере ниже), чтобы защитить транзистор, когда переменный резистор уменьшен до нуля, в противном случае чрезмерная база
ток разрушит транзистор.

Светодиод загорается, когда LDR не горит

Светодиод загорается при яркости LDR

Обратите внимание, что переключающее действие этих простых схем не очень хорошее, потому что
будет промежуточная яркость, когда транзистор будет частично на (не насыщенный).
В этом состоянии транзистор может перегреться, если он не коммутирует небольшой ток.
Нет проблем с небольшим током светодиода, но больший ток лампы, двигателя или реле может вызвать перегрев.

Другие датчики, например термистор,
могут использоваться с этими схемами, но для них может потребоваться другой переменный резистор.
Вы можете рассчитать приблизительное значение переменного резистора (Rv), используя
мультиметр для определения минимального и максимального значений
сопротивления датчика (Rmin и Rmax), а затем по этой формуле:

Например, LDR: Rmin = 100,
Rmax = 1M,
поэтому Rv = квадратный корень из (100 × 1M)
= 10к.

Вы можете сделать гораздо лучшую схему переключения, подключив датчики к подходящему
IC (чип). Действие переключения будет намного более резким без частичного включения.

Транзисторный инвертор (НЕ затвор)

Дарлингтон пара

Пара Дарлингтона — это два транзистора, соединенных вместе, так что ток, усиливаемый первым, усиливается.
далее вторым транзистором.

Пара ведет себя как одиночный транзистор с очень высоким коэффициентом усиления по току, так что
для включения пары требуется лишь крошечный базовый ток.

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона (h _FE ) равен двум индивидуальным коэффициентам усиления
(h _FE1 и h _FE2 ), умноженные вместе — это дает паре очень высокий коэффициент усиления по току, например 10000.

Обратите внимание, что для включения пары Дарлингтона должно быть 0,7 В на обоих переходах база-эмиттер, которые являются
соединены последовательно так 1.Для включения требуется 4В.

Rapid Electronics: транзисторы Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона

пары Дарлингтона доступны в виде корпуса «транзистор Дарлингтона» с тремя выводами.
(B, C и E)
эквивалентно стандартному транзистору.

Вы также можете сделать свою собственную пару Дарлингтона из двух обычных транзисторов.
TR1 может быть маломощным, но TR2 может потребоваться высокая мощность.
Максимальный ток коллектора Ic (max) для пары такой же, как Ic (max) для TR2.

Цепь сенсорного переключателя

Пара Дарлингтона достаточно чувствительна, чтобы реагировать на небольшой ток, проходящий через
ваша кожа, и его можно использовать для изготовления сенсорного переключателя , как показано на схеме.

Для этой схемы, которая просто зажигает светодиод, два транзистора могут быть любого общего назначения.
транзисторы малой мощности.

100к
резистор защищает транзисторы, если контакты соединены куском провода.

Схема сенсорного переключателя

Rapid Electronics
любезно разрешили мне использовать их изображения на этом веб-сайте, и я очень благодарен за их поддержку.У них есть широкий ассортимент компонентов, инструментов и материалов для электроники, и я рад
рекомендую их как поставщика.

Следующая страница: Емкость | Исследование

Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию.
Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет
используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому.
На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на
рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден.Рекламодателям не передается никакая личная информация.
Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации.
Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов.
(включая этот), как объяснил Google.
Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста,
посетите AboutCookies.org.

клуб электроники.инфо © Джон Хьюс 2021

Что такое транзистор? Определение, символ, клеммы и условия эксплуатации

Определение: Транзистор — это полупроводниковый прибор, который передает слабый сигнал от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Слова trans означают свойство передачи , а istor означают свойство сопротивления , предлагаемое соединениям. Другими словами, это переключающее устройство, которое регулирует и усиливает электрический сигнал, например напряжение или ток.

Транзистор состоит из двух PN диодов, соединенных спина к спине. Он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Основа — это средняя часть, состоящая из тонких слоев. Правая часть диода называется эмиттерным диодом, а левая часть — коллекторно-базовым диодом. Эти имена даны по общему выводу транзистора. Эмиттерный переход транзистора подключен к прямому смещению, а переход коллектор-база подключен к обратному смещению, что обеспечивает высокое сопротивление.

Обозначения транзисторов

Существует два типа транзисторов, а именно транзистор NPN и транзистор PNP. Транзистор, который имеет два блока из полупроводникового материала n-типа и один блок из полупроводникового материала P-типа, известен как транзистор NPN. Точно так же, если материал имеет один слой материала N-типа и два слоя материала P-типа, то он называется транзистором PNP. Символ NPN и PNP показан на рисунке ниже.

Стрелка в символе указывает направление протекания обычного тока в эмиттере с прямым смещением, приложенным к переходу эмиттер-база.Единственная разница между транзисторами NPN и PNP заключается в направлении тока.

Клеммы транзистора

Транзистор имеет три вывода: эмиттер, коллектор и базу. Клеммы диода подробно описаны ниже.

Эмиттер — Секция, которая снабжает большую часть основного носителя заряда, называется эмиттером. Эмиттер всегда подключен с прямым смещением относительно базы, так что он подает основной носитель заряда на базу.Переход эмиттер-база вводит большое количество основных носителей заряда в базу, потому что она сильно легирована и имеет умеренный размер.

Коллектор — Секция, которая собирает большую часть основного носителя заряда, подаваемого эмиттером, называется коллектором. Коллектор-база всегда имеет обратное смещение. Его основная функция — удалить большинство зарядов из соединения с базой. Коллекторная часть транзистора умеренно легирована, но больше по размеру, так что она может собирать большую часть носителей заряда, подаваемых эмиттером.

База — Средняя часть транзистора известна как база. База образует две цепи: входную цепь с эмиттером и выходную цепь с коллектором. Цепь эмиттер-база смещена в прямом направлении и обеспечивает низкое сопротивление цепи. Коллектор-база имеет обратное смещение и обеспечивает более высокое сопротивление цепи. База транзистора слегка легирована и очень тонкая, из-за чего основной носитель заряда подается на базу.

Работа транзистора

Обычно для изготовления транзисторов используется кремний из-за их высокого напряжения, большего тока и меньшей температурной чувствительности. Часть эмиттер-база, смещенная в прямом направлении, составляет базовый ток, протекающий через базовую область. Величина базового тока очень мала. Ток базы заставляет электроны перемещаться в область коллектора или создавать отверстие в области базы.

База транзистора очень тонкая и слегка легированная, из-за чего в ней меньше электронов по сравнению с эмиттером.Несколько электронов эмиттера объединяются с отверстием в базовой области, а оставшиеся электроны перемещаются к области коллектора и составляют ток коллектора. Таким образом, можно сказать, что большой ток коллектора достигается за счет изменения базовой области.

Условия эксплуатации транзистора

Когда эмиттерный переход находится в прямом смещении, а коллекторный переход находится в обратном смещении, то говорят, что он находится в активной области. Транзистор имеет два перехода, которые могут быть смещены по-разному.Различная рабочая проводимость транзистора показана в таблице ниже.

FR — В этом случае переход эмиттер-база подключен с прямым смещением, а переход коллектор-база подключен с обратным смещением.Транзистор находится в активной области, и ток коллектора зависит от тока эмиттера. Транзистор, который работает в этой области, используется для усиления.

FF — В этом состоянии оба перехода находятся в прямом смещении. Транзистор находится в состоянии насыщения, и ток коллектора перестает зависеть от тока базы. Транзисторы действуют как замкнутый переключатель.

RR — Оба тока имеют обратное смещение. Эмиттер не подает основной носитель заряда на базу, и ток носителей не собирается коллектором.Таким образом, транзисторы действуют как замкнутый переключатель.

RF — Переход эмиттер-база находится в обратном смещении, а переход коллектор-база остается в прямом смещении. Поскольку коллектор слабо легирован по сравнению с эмиттерным переходом, он не подает основной носитель заряда на базу. Таким образом достигается плохая работа транзистора.

Что такое транзистор?

Транзисторы — это устройства, управляющие движением электронов и, следовательно, электричества.Они работают как водопроводный кран — они не только запускают и останавливают течение тока, но также контролируют его величину. С помощью электричества транзисторы могут переключать или усиливать электронные сигналы, позволяя с точностью управлять током, протекающим через печатную плату.

Транзисторы, изготовленные в Bell Labs, изначально были изготовлены из германия. Ученые знали, что чистый германий — хороший изолятор. Но добавление примесей (процесс, называемый легированием ) превратило германий в слабый проводник или полупроводник .Полупроводники — это материалы, которые обладают промежуточными свойствами между изоляторами и проводниками, обеспечивая электрическую проводимость в различной степени.

Момент изобретения транзисторов был выбран не случайно. Для правильной работы транзисторам требуются чистые полупроводниковые материалы. Так уж получилось, что сразу после Второй мировой войны улучшения в очистке германия, а также достижения в области легирования сделали германий пригодным для применения в полупроводниках.

В зависимости от элемента, используемого для легирования, полученный слой германия был либо отрицательного типа (N-тип), либо положительного типа (P-тип).В слое N-типа легирующий элемент добавлял электроны к германию, облегчая выброс электронов. И наоборот, в слое P-типа определенные легирующие элементы заставляли германий терять электроны, таким образом, электроны из соседних материалов текли к нему.

Поместите N-тип и P-тип рядом друг с другом, и вы получите P-N диод . Этот диод пропускает электрический ток, но только в одном направлении, что является полезным свойством при построении электронных схем.

Следующим шагом были полноценные транзисторы. Для создания транзисторов инженеры наложили легированный германий слоями, чтобы сделать два слоя вплотную друг к другу, в конфигурации P-N-P или N-P-N. Точка контакта была названа переходом, отсюда и название переходного транзистора .

При подаче электрического тока на центральный слой (называемый базой) электроны будут перемещаться со стороны N-типа на сторону P-типа. Первоначальная небольшая струйка действует как переключатель, позволяющий протекать гораздо большему току.В электрической цепи это означает, что транзисторы действуют как переключатель и как усилитель.

В наши дни вместо германия в коммерческой электронике используются полупроводники на основе кремния, которые более надежны и доступны по цене, чем транзисторы на основе германия. Но как только технология стала популярной, германиевые транзисторы широко использовались более 20 лет.

Описание транзисторов

— как работают транзисторы

Узнайте о транзисторах — одном из самых важных устройств, когда-либо изобретенных.В этой статье мы подробно узнаем, как они работают.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть руководство YouTube.

Что такое транзистор

Транзисторы

Транзисторы бывают разных форм и размеров. Существует два типа сети: биполярная и с полевым эффектом. В этой статье мы в основном сосредоточимся на биполярной версии. Транзисторы — это небольшие электронные компоненты, выполняющие две основные функции. Он может действовать как переключатель цепей управления, а также они могут усиливать сигналы.

Маленькие транзисторы малой мощности заключены в пластмассовый корпус для защиты внутренних частей. Но транзисторы большей мощности будут иметь частично металлический корпус, который используется для отвода выделяемого тепла, так как со временем это приведет к повреждению компонентов. Обычно мы находим эти транзисторы в металлическом корпусе прикрепленными к радиатору, который помогает отводить нежелательное тепло.

Mosfet

Например, внутри этого настольного источника питания постоянного тока у нас есть несколько МОП-транзисторов, которые прикреплены к большим радиаторам.Без радиатора компоненты быстро нагреваются до 45 градусов Цельсия (или 113 ° F) при токе всего 1,2 А. По мере увеличения силы тока они станут намного горячее. Но для электронных схем с небольшими токами мы можем просто использовать транзисторы с полимерным корпусом, которые не требуют радиатора.

Номер детали

На корпусе транзистора мы находим текст, который сообщает нам номер детали, который мы можем использовать, чтобы найти техническое описание производителя. Каждый транзистор рассчитан на работу с определенным напряжением и током, поэтому важно проверять эти таблицы.

3 контакта

Теперь с транзистором у нас есть 3 контакта, обозначенные E, B и C. Это обозначает эмиттер, базу и коллектор. Обычно у этих транзисторов с полимерным корпусом с плоской кромкой левый вывод является эмиттером, средний — базой, а правая сторона — коллектором. Однако не все транзисторы используют эту конфигурацию, поэтому обязательно проверьте данные производителя.

Почему мы используем транзисторы?

Мы знаем, что если мы подключим лампочку к батарее, она загорится.Мы можем установить выключатель в схему и управлять светом, отключив подачу питания. Но для этого требуется, чтобы человек вручную управлял переключателем. Итак, как мы можем это автоматизировать? Для этого мы используем транзистор. Этот транзистор блокирует прохождение тока, поэтому свет не горит. Но если мы подадим небольшое напряжение на базовый вывод посередине, это заставит транзистор запускаться, позволяя току течь в главной цепи, поэтому загорается свет. Затем мы можем поместить переключатель на управляющий штифт, чтобы управлять им удаленно, или мы можем разместить на нем датчик, чтобы автоматизировать управление.

Как правило, нам нужно подать минимум 0,6 — 0,7 В на вывод базы, чтобы транзистор включился. Например, эта простая транзисторная схема имеет красный светодиод с напряжением питания 9 В на главной цепи. Базовый вывод подключается к источнику питания постоянного тока. Принципиальная схема выглядит так.

Когда напряжение питания на выводе базы составляет 0,5 В, транзистор выключен, поэтому светодиод также не горит. При 0,6 В транзистор включен, но не полностью, светодиод тусклый, потому что транзистор еще не пропускает полный ток через главную цепь.Тогда при 0,7 В светодиод ярче, потому что транзистор пропускает почти полный ток, а при 0,8 В светодиод имеет полную яркость, транзистор полностью открыт.

Итак, что происходит, мы используем небольшое напряжение и ток для управления большим напряжением и током.

Мы видели, что небольшое изменение напряжения на выводе базы вызывает большое изменение в главной цепи. Следовательно, если мы подаем сигнал на вывод базы, транзистор действует как усилитель.Мы могли бы подключить микрофон, который изменяет сигнал напряжения на базовом выводе, и это усилит громкоговоритель в основной цепи, чтобы сформировать очень простой усилитель.

Обычно в базовом выводе очень небольшой ток, возможно, всего 1 миллиампер или даже меньше. Коллектор имеет гораздо больший ток, например 100 миллиампер. Отношение между этими двумя величинами известно как текущий коэффициент усиления и использует символ бета (β). Мы можем найти соотношение в паспорте производителя.

В этом примере ток коллектора составляет 100 миллиампер, а базовый ток — 1 миллиампер, поэтому отношение 100, деленное на 1, дает нам 100.Мы можем изменить эту формулу, чтобы найти токи.

Транзисторы NPN и PNP

У нас есть два основных типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Два транзистора выглядят почти одинаково, поэтому нам нужно проверить номер детали, чтобы определить, какой из них.

С транзистором NPN у нас есть главная цепь и цепь управления. Оба подключены к плюсу батареи. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем переключатель на цепи управления. Мы видим, что ток течет по обоим проводам к транзистору.Мы можем удалить основную цепь, и светодиод схемы управления будет по-прежнему включаться при нажатии переключателя, поскольку ток возвращается к батарее через транзистор.

Пример

В этом упрощенном примере, когда переключатель нажат, на основной штифт течет 5 миллиампер. На коллекторный стержень втекает 20 миллиампер, а на эмиттер — 25 миллиампер. Таким образом, ток объединяется в транзисторе.

С транзистором PNP у нас снова есть главная цепь и цепь управления.Но теперь эмиттер подключен к плюсу батареи. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем переключатель на цепи управления. С помощью этого типа мы можем видеть, что часть тока вытекает из базового вывода и возвращается к батарее, остальная часть тока течет через транзистор, через главный светодиод и обратно к батарее. Если мы удалим главную цепь, светодиод цепи управления все равно будет гореть.

В этом примере, когда переключатель нажат, в эмиттер втекает 25 миллиампер, из коллектора выходит 20 миллиампер, а из базы — 5 миллиампер.Таким образом, ток в транзисторе делится.

Транзисторы

показаны на электрических чертежах подобными символами. Стрелка находится на выводе эмиттера. Стрелка указывает в направлении обычного тока, поэтому мы знаем, как подключить их к нашим цепям.

Как работает транзистор

Чтобы понять, как работает транзистор, мы хотим, чтобы вы сначала представили воду, текущую по трубе. Он свободно течет по трубе, пока мы не заблокируем ее диском.Теперь, если мы подключим меньшую трубу к основной и поместим в эту маленькую трубу поворотный затвор, мы сможем перемещать диск с помощью шкива. Чем дальше открывается калитка; тем больше воды может течь в основной трубе. Распашная калитка немного тяжелая, поэтому небольшого количества воды будет недостаточно, чтобы ее открыть. Чтобы ворота открылись, требуется определенное количество воды. Чем больше воды течет в этой маленькой трубе, тем дальше открывается клапан и пропускает все больше и больше воды в основную трубу.По сути, так работает транзистор NPN.

Возможно, вы уже знаете, что при разработке электронных схем мы используем обычный ток. Итак, в этой схеме NPN-транзистора мы предполагаем, что ток течет от положительного полюса батареи к контактам коллектора и базы, а затем выходит из контакта эмиттера. Мы всегда используем это направление для проектирования наших схем.

Однако на самом деле происходит не это. На самом деле электроны текут от отрицательного полюса батареи к положительному.Это было доказано Джозефом Томпсоном, который провел несколько экспериментов по обнаружению электрона, а также доказал, что он движется в противоположном направлении. Таким образом, на самом деле электроны текут с отрицательного полюса в эмиттер, а затем выходят из коллекторов и выводов базы. Мы называем это электронным потоком.

Помните, мы всегда проектируем схемы, используя традиционный метод измерения тока. Но ученые и инженеры знают, что именно поток электронов работает.

Кстати, мы также подробно рассмотрели, как работает аккумулятор в нашей предыдущей статье, проверьте ЗДЕСЬ.

Итак, мы знаем, что электричество — это поток электронов по проводу. Медный провод — это проводник, а резина — изолятор. Электроны могут легко проходить через медь, но не через резиновый изолятор.

Если мы посмотрим на базовую модель атома для металлического проводника, у нас есть ядро ​​в центре, и оно окружено множеством орбитальных оболочек, удерживающих электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрон должен иметь определенное количество энергии, чтобы попасть в каждую оболочку.Электроны, расположенные дальше всего от ядра, обладают наибольшей энергией. Самая внешняя оболочка известна как балансовая оболочка, проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей балансовой оболочке. Электроны удерживаются на месте ядром, но есть еще одна оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон может достичь этого, он может вырваться из атома и перейти к другим атомам. У атома металла, такого как медь, оболочка и зона проводимости перекрываются, поэтому электронам очень легко перемещаться.

Самая внешняя оболочка уплотнена изолятором. Для электрона очень мало места, или нет места. Ядро плотно захватывает электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Следовательно, электричество не может проходить через этот материал.

Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний — это пример полупроводника. В этом материале в оболочке слишком много электронов, чтобы он мог быть проводником, поэтому он действует как изолятор.Но поскольку зона проводимости находится довольно близко, если мы предоставим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок в зону проводимости и стать свободными. Следовательно, этот материал может действовать как изолятор, так и как проводник.

Чистый кремний почти не имеет свободных электронов, поэтому инженеры добавляют в кремний небольшое количество другого материала, который изменяет его электрические свойства. Мы называем это легированием P-типа и N-типа. Мы объединяем эти материалы, чтобы сформировать соединение P-N.Мы можем соединить их вместе, чтобы сформировать транзистор NPN или PNP.

Внутри транзистора находятся коллекторный вывод и эмиттерный вывод. Между ними в транзисторе NPN есть два слоя материала N-типа и один слой P-типа. Базовый провод подключается к слою типа P. В транзисторе PNP это просто настроено противоположным образом. Вся вещь покрыта смолой для защиты внутренних материалов.

Давайте представим, что кремний еще не легирован, так что внутри находится чистый кремний.Каждый атом кремния окружен 4 другими атомами кремния. Каждый атом хочет 8 электронов в своей валентной оболочке. Но атомы кремния имеют только 4 электрона в своей валентной оболочке. Таким образом, они украдкой делятся электроном со своим соседним атомом, чтобы получить желаемую восьмерку. Это известно как ковалентное связывание. Когда мы добавляем материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. Атомы фосфора имеют в своей валентной оболочке 5 электронов. Итак, поскольку атомы кремния делятся электронами, чтобы получить желаемые 8, им не нужен этот дополнительный, а это означает, что теперь в материале есть дополнительные электроны, и они могут свободно перемещаться.

При легировании P-типа мы добавляем такой материал, как алюминий или алюминий-мин-мкм, у этого атома всего 3 электрона в его валентной оболочке. Следовательно, он не может предоставить своим четырем соседям электрон для совместного использования, поэтому одному из них придется обойтись без него. Это означает, что была создана дыра, в которой электрон может сидеть и занимать ее.

Теперь у нас есть два легированных куска кремния, в одном слишком много электронов, а в другом их недостаточно. Два материала соединяются, образуя PN-соединение, на этом стыке мы получаем так называемую область истощения.В этой области часть избыточных электронов со стороны n-типа переместится, чтобы занять дырку со стороны p-типа. Эта миграция образует барьер со скоплением электронов и дырок на противоположных сторонах.

Электроны заряжены отрицательно, поэтому дырки считаются заряженными положительно. Таким образом, это накопление приводит к образованию слегка отрицательно заряженной области и слегка положительно заряженной области. Это создает электрическое поле и предотвращает перемещение большего количества электронов.Разность потенциалов в этой области обычно составляет около 0,7 В.

Когда мы подключаем источник напряжения к обоим концам, а положительный вывод соединен с материалом P-типа, это создаст прямое смещение, и электроны начнут течь. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут совершить прыжок.

Когда мы меняем местами источник питания так, чтобы положительный вывод был подключен к материалу N-типа, электроны, удерживаемые в барьере, будут оттянуты обратно к положительному выводу, а отверстия будут оттянуты обратно к отрицательному выводу.Это вызвало обратную предвзятость.

В транзисторе NPN есть два слоя материала N-типа, поэтому у нас есть два перехода и, следовательно, два барьера. Таким образом, обычно через него не может протекать ток.

Материал эмиттера N-типа сильно легирован, поэтому здесь много лишних электронов. База P-типа слегка легирована, поэтому здесь есть несколько отверстий. Коллектор N-типа умеренно легирован, поэтому здесь есть несколько лишних электронов.

Если мы подключили батарею между базой и эмиттером, с плюсом, подключенным к слою P-типа, это создаст прямое смещение.Прямое смещение вызывает коллапс барьера до тех пор, пока напряжение составляет не менее 0,7 вольт. Таким образом, барьер уменьшается, и электроны устремляются, заполняя пространство внутри материала P-типа. Некоторые из этих электронов займут отверстие и будут притягиваться к положительному выводу батареи. Слой P-типа тонкий и специально был слегка легирован, поэтому вероятность попадания электронов в дырку мала. Остальные останутся свободно перемещаться по материалу. Следовательно, только небольшой ток будет вытекать из базового штифта, оставляя избыток электронов в материале P-типа.

Если мы затем подключим другую батарею между эмиттером и коллектором, с плюсом, подключенным к коллектору. Отрицательно заряженные электроны внутри коллектора будут притягиваться к положительному выводу, что вызывает обратное смещение. Если вы помните, при обратном смещении электроны и дырки барьера вытягиваются обратно.

Итак, электроны на стороне P-типа барьера притягиваются к стороне N-типа, а отверстия на стороне N-типа притягиваются обратно к P-типу.В материале P-типа уже есть избыточное количество электронов, поэтому они будут двигаться, чтобы занять эти отверстия, и некоторые из них будут перетянуты, потому что напряжение этой батареи больше, поэтому притяжение намного выше. Когда эти электроны протягиваются, они перетекают в батарею, поэтому через переход обратного смещения возникает ток.

Более высокое напряжение на выводе базы полностью открывает транзистор, что означает больший ток и большее количество электронов, перемещающихся в слой P-типа, и, следовательно, большее количество электронов тянется через обратное смещение.Мы также видим, что на стороне эмиттера транзистора течет больше электронов, чем на стороне коллектора.

Что такое транзистор? Типы, использование, принцип работы

Транзистор определяется как полупроводниковое устройство, которое в основном состоит из трех выводов для усиления или переключения электронных сигналов и электрических целей. Эти устройства, обычно классифицируемые на биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET), позволяют использовать радиоприемники, компьютеры, калькуляторы и т. Д.которые вы используете сегодня.

Что ж, учитывая, что современные транзисторы, такие как BC547, 2n2222, 2n3904 и т. Д., Используются в микроконтроллерах (например, Arduino) или в приложениях для построения электрических схем, важно, чтобы мы более подробно рассмотрели транзисторы в сегодняшнем блоге.

Типы транзисторов и условные обозначения их схем

Ранее мы упоминали, что существует два типа транзисторов; Биполярные и полевые транзисторы. В этом разделе мы углубимся в каждый тип транзистора и объясним, как он работает.

Что такое BJT (NPN и PNP) и как это работает?

Типичный BJT

Во-первых, для BJT он поставляется в двух итерациях или версиях; NPN и PNP BJT с обозначениями схем, показанными ниже:

BJT: символы цепей NPN и PNP

Как видите, и в итерациях NPN и PNP контакты помечены; Коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Разницу между ними можно заметить по направлению стрелки; где для NPN стрелка выходит из базы, а для PNP стрелка входит в базу.

Как работает BJT?

Теперь, когда мы определили, что такое BJT, мы посмотрим, как BJT работают, на простой иллюстрации ниже:

Ref

Для NPN-транзистора он состоит из слоя полупроводника, легированного P, между двумя слоями материала, легированного азотом, где электроны проходят от эмиттера к коллектору. Затем эмиттер «испускает» электроны в базу, при этом база управляет номером. электронов испускает эмиттер. Выброшенные электроны, наконец, собираются коллектором и отправляются в следующую часть цепи.

В то время как для транзистора PNP он состоит из слоя полупроводника с примесью азота между двумя слоями материала с примесью фосфора, где ток базы, поступающий в коллектор, усиливается. По сути, ток по-прежнему контролируется базой, но течет в противоположном направлении. Кроме того, вместо испускания электронов эмиттер в PNP испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые затем собираются коллектором.

Что такое полевой транзистор и как он работает?

Полевой транзистор, другой тип транзистора, чаще всего классифицируется как MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и состоит из контактов; Ворота, исток, сток.Благодаря другой конструкции выводов он работает несколько иначе, чем BJT.

Как работает полевой транзистор

Чтобы понять, как работает полевой транзистор, мы рассмотрим типичную принципиальную схему:

Схема полевого МОП-транзистора

• Блок, также известный как подложка из полупроводника p-типа, действует как основа для полевого МОП-транзистора
• Две стороны этой подложки p-типа сделаны с высокой степенью легирования примесью n-типа (обозначена как n +)
  • Выводы стока (исток и сток) затем выводятся из этих двух концевых областей
• Вся поверхность подложки покрыта слоем диоксида кремния
  • Диоксид кремния действует как изоляция
• Тонкая Затем поверх диоксида кремния помещается изолированная металлическая пластина, действующая как пластина конденсатора.
  • Вывод затвора затем выводится из тонкой металлической пластины
• Затем формируется цепь постоянного тока путем подключения источника напряжения между этими двумя Области n-типа (отмечены красным)

Когда на затвор подается напряжение, оно генерирует электрическое поле, которое изменяет ширину области канала, где e лектроны текут.Чем шире область канала, тем лучше будет проводимость устройства.

BJT против MOSFET-транзистора

Теперь, когда мы рассмотрели оба типа транзисторов; BJT и FET (широко известные MOSFET), давайте посмотрим на их различия, показанные в таблице ниже:

902

902 , сток с более сложной структурой

Какой транзистор выбрать?

Хотя MOSFET имеет преимущества перед BJT, такие как контроль напряжения, выбор любого из них зависит от целей вашего приложения.Вот для чего подходит каждый транзистор:

• Если вы хотите регулировать поток сильного тока узкими импульсами или для любых приложений с большой мощностью, MOSFET — это то, что вам нужно.
• Для обычных электрических цепей или слаботочных домашних приложений, BJT вполне могут быть достаточно для выполнения работы

Применения транзистора

Транзистор чаще всего используется в качестве электронных переключателей в цифровых схемах или в качестве усилителя.Давайте объясним, как работает каждое приложение.

Транзисторы как переключатели

Переключатели включаются и выключаются, тогда как для транзисторов он действует как таковой, создавая двоичный эффект включения / выключения переключателя, поэтому для его переключения не требуется привод, а вместо этого требуется напряжение. Такое приложение используется для управления потоком энергии к другой части цепи. Другими словами, небольшой ток, протекающий через одну часть транзистора, позволяет протекать гораздо большему току через другую часть транзистора.

Транзисторы как переключатели можно увидеть в микросхемах памяти, где присутствуют миллионы транзисторов, которые включаются и выключаются.

Транзисторы в качестве усилителя

Транзисторы работают не только как переключатели, но и как усилители, принимая крошечные электрические токи и производя гораздо более высокий выходной ток на другом конце. Такие транзисторы обычно используются в слуховых аппаратах, радио и т.

Рекомендуемые транзисторы для использования

Ранее мы установили, что MOSFET является частью семейства полевых транзисторов, что делает его отличным вариантом для управления большим током.Но знаете ли вы, что это первый компактный транзистор, который можно миниатюризировать для широкого диапазона применений?

Да! с революцией в электронных технологиях, он постепенно превратился в миниатюрные модули для использования в микроконтроллерах (например, Arduino)

Ниже мы даем рекомендации по MOSFET-транзисторам, идеально подходящим для такого использования!

Grove — МОП-транзистор

Grove — MOSFET

Как следует из названия, Grove — MOSFET — это миниатюрный МОП-транзистор, который помогает вам легко управлять проектом высокого напряжения с помощью вашей платы Arduino!

Особенности:

• Две винтовые клеммы на плате; один для внешнего источника питания, а другой для устройства, которым вы хотите управлять с помощью
• 5V — 15V управления напряжением

Благодаря нашей системе Grove вы также сможете использовать наши кабели Grove в режиме Plug and Play, легко добавить или удалить этот транзистор в свой электронный проект!

Хотите узнать больше о Grove — MOSFET? Вы можете посетить страницу продукта здесь, чтобы увидеть его техническое описание, схему и многое другое!

Сводка

Это все на сегодняшний день руководства по транзисторам.Я надеюсь, что благодаря этому вы получите общее представление о том, что такое транзистор, типы транзисторов (BJT, FET), как они работают и их применение!

Если вы ищете простое взаимодействие Arduino с MOSFET, обратите внимание на Grove — MOSFET!

Следите за нами и ставьте лайки:

Теги: bc547, bjt, bjt транзистор, fet, как работает транзистор, mosfet, транзистор mosfet, npn, pnp, транзистор, схема транзистора, функция транзистора, символ транзистора, символы транзистора, типы транзисторов, что такое транзистор

Продолжить чтение

на транзисторах! Руководство для учителей, урок 4

Использование транзисторов: давайте перейдем к транзисторам!

Обзор

На этом уроке студенты строят две схемы и исследуют, как работают транзисторы.

Цели

• Наблюдать за работой транзистора в простой схеме

• Чтобы понять усиление — небольшой ток на входе транзистора управляет большим током на его выходе.

Фон

Когда Bell Labs представила транзистор в июне 1948 года, представитель с гордостью объявил: «Этот цилиндрический объект … может усиливать электрические сигналы … Он полностью состоит из холодных твердых веществ.«

Холодное твердое вещество, благодаря которому возможен транзистор, — это полупроводник, класс материалов, включающий кремний и германий. Полупроводники обычно очень плохо проводят электричество. Но с добавлением крошечных количеств других элементов, которые являются носителями электрического тока, они могут стать хорошими проводниками.

Первым транзистором, изобретенным в 1947 году, был точечный транзистор. Уильям Шокли усовершенствовал эту конструкцию со своим переходным транзистором, трехслойным сэндвичем из различных типов полупроводников.

Схема иллюстрирует базовую конструкцию переходного транзистора NPN. Два слоя полупроводника N-типа, эмиттер и коллектор, образуют сэндвич со слоем полупроводника P-типа, называемым базой. Полупроводники P- и N-типа сделаны с разными примесями, и название указывает на доминирующий тип носителя заряда.

Интерфейс между слоями, называемый P-N переходом, позволяет транзистору работать либо как изолятор, либо как проводник.Если коллектор и эмиттер подключены к батарее, электрические заряды на P-N переходах образуют электрический барьер, и между эмиттером и коллектором ток не течет. Транзистор действует как изолятор или выключатель.

Когда на базу подается положительное напряжение, электроны вытягиваются из переходов, и они больше не действуют как барьеры. Теперь электроны могут течь от эмиттера через базу к коллектору. Транзистор действует как проводник или включенный переключатель.(Если напряжение, приложенное к базе отрицательное, транзистор снова отключается.)

Транзисторы не создают электрический ток, они только управляют подводимым к ним электрическим током. Входной ток на базе управляет выходным током, протекающим между эмиттером и коллектором. Транзистор может включаться или выключаться при включении или выключении тока базы. Если базовый ток меняется, то меняется и выходной ток, именно так транзистор работает как усилитель. Это похоже на то, как вы управляете потоком воды из крана.Легким движением руки вы можете включить или выключить воду или отрегулировать поток между струйкой и стремительным потоком.

Наиболее ранние коммерческие транзисторы были переходными транзисторами, и именно они используются в описании деятельности на следующих двух страницах. Тем не менее, наиболее распространенный современный транзистор, который миллионами используется в компьютерных микросхемах, — это полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOS). Транзистор развивался с момента его изобретения, но принцип малого тока, управляющего большим, — это тот же эффект, который Бардин, Браттейн и Шокли впервые обнаружили в 1947 году.

Занять

Как объясняется в Transistorized !, изобретение как транзистора, так и вакуумной лампы возникло из-за необходимости усиления слабого электрического тока. Начните с демонстрации слабого тока, который учащиеся могут распознать и испытать. Подключите цепь, используя провод, батарею 9 В, светодиод, резистор и микроамперметр для измерения тока. Попросите учащихся отметить, что происходит, когда они сначала замыкают цепь, соединяя выводы вместе (относительно большой ток и светодиоды), а затем, держа провода в руках (очень слабый ток, и светодиод не горит).Безопасность: Сила тока в этой цепи достаточно мала для безопасного выполнения этого действия, но предупредите учащихся, чтобы они не пытались выполнять это действие с другими проводами или источниками питания.

Предложите учащимся предложить свои идеи о том, что такое усилитель и как усилить ток. Обратите внимание на то, что большинство электронных устройств работают от небольшого тока, который усиливается.

Изучить

Попросите учащихся выполнить задание, чтобы увидеть, как транзисторы усиливают ток.

Оценить

После задания обсудите результаты учащихся и вопросы задания.

УРОК 4 ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Что вы собираетесь делать

Вы собираетесь построить две простые транзисторные схемы, каждая из которых использует один транзистор. Эти схемы позволят вам наблюдать за работой транзистора в качестве усилителя, как это делал Уолтер Браттейн в Bell Labs зимой 1947 года. В первой схеме вы будете использовать транзистор для управления яркостью света; во втором транзистор превратит ток, протекающий через ваше тело, в звук!

Часть 1: Легкое касание

Постройте первую схему, используя единственный транзистор, светодиод, источник питания и сопротивление.Яркость светодиода будет указывать на соотношение между током, идущим к базе транзистора — его входом — и током, протекающим от коллектора транзистора к эмиттеру — его выходом.

Что вам понадобится

• Аккумулятор 9 В и зажим с выводами

• макет

• соединительный провод

• Светодиод

• Резистор 220 Ом

• Резистор 100 кОм

• транзистор, 2N2222A (тип Si, NPN, номер детали Radio Shack 276-2009)

• микроамперметр (диапазон 0–50 000 А)

Как это сделать

1. Работайте в группах по три или четыре человека. Соберите схему, показанную на схеме. Совместите выводы транзистора со схемой и определите базу, эмиттер и коллектор. Посоветуйтесь со своим учителем, если вы не уверены в связях.

2. Замкните входную цепь двумя выводами, используя каждый из перечисленных ниже методов.

• осторожно сжимая провода

• плотно прижимая провода

• погружение проводов в воду

• увеличение расстояния между выводами в воде

• проведите карандашом темную линию и прикоснитесь к ней проводами.

• увеличение расстояния между грифелями на штрихе карандаша

В своем лабораторном журнале составьте таблицу, аналогичную показанной, в которой следует записывать интенсивность света для каждого метода. Вы можете использовать такие термины, как тусклый, средний и яркий, или развернуть числовую шкалу с 1 = 5 очень тусклым и 5 = 5 очень ярким. (Включите в свою таблицу столбец интенсивности звука для Части 2.)

3. Нарисуйте копию принципиальной схемы из своей лабораторной книги.Используйте стрелки, чтобы показать направление, в котором ток течет по цепи. Помните, что текущий поток изменяется от положительного к отрицательному. Пометьте входную и выходную цепи транзистора.

4. Повторите один из методов, который дает достаточно яркий свет. Поместите микроамперметр последовательно с входными проводами и запишите показания. Затем переместите микроамперметр последовательно со светодиодом и запишите это показание.

FYI

P и N в номенклатуре транзисторов указывают тип носителей заряда, которые существуют в материалах, из которых состоит транзистор.В материале N-типа носителями являются отрицательно заряженные электроны, а в материале P-типа носителями являются положительно заряженные. Это места, где могли существовать электроны, и называются дырками, .

Что вы узнали?

1. Какие методы позволили свету светиться наиболее ярко? самый тусклый?

2. Какие методы позволяли проходить через них наиболее актуальным? в мере? Откуда вы знаете?

3. Насколько хороша была ваша схема усилителя? Насколько больше был выходной ток, чем входной? Откуда появился «дополнительный» ток?

Часть 2: Звуковая машина человека

Теперь вы измените свою схему, добавив новые детали.Транзистор очень чувствителен к изменениям на входе. Входной ток может колебаться тысячи — даже миллионы — раз в секунду, и выходной ток будет реагировать соответствующим образом. Дополнения к схеме будут производить колебательный ток, изменяющийся несколько тысяч раз в секунду, на входе транзистора. Вы услышите результат через динамик.

Что вам понадобится

(в дополнение к материалам части 1)

• проволока

• Резистор 10 кОм

• Резистор 100 кОм

• переключатель

• конденсаторы (0.1 мкФ и 0,01 мкФ)

• 1K CT: трансформатор на 8 Ом (Radio Shack Cat # 273-1380)

• Динамик 8 Ом

Как это сделать

1. Соберите схему, показанную на схеме. Вы можете припаять или использовать обычные платы IC Experimenter.

2. Завершите цепь с проводами, используя каждый метод, указанный в Части 1. Запишите интенсивность звука для каждого метода. Вы можете использовать такие термины, как гул, крик и визг, или разработать числовую шкалу с 1 5 очень низким и 5 5 очень громким.

3. Нарисуйте копию принципиальной схемы из своей лабораторной книги. Используйте стрелки, чтобы показать направление, в котором ток течет по цепи. Пометьте входную и выходную цепи транзистора.

FYI

МОП-транзистор — современный транзистор, используемый в компьютерных микросхемах — аналогичен по работе тому, который впервые предложил Шокли. Он состоит из полупроводника, по которому может течь ток, и электрода, изолированного от этого полупроводника.Напряжение, приложенное между изолированным электродом и полупроводником, регулирует ток через полупроводник. Принцип аналогичен протеканию воды по гибкой трубке. Когда трубка сжимается, поток воды уменьшается. Сожмите достаточно сильно, и поток прекратится. В МОП-транзисторе напряжение, приложенное к управляющему электроду, вызывает сжатие.

Что вы узнали?

1. Какие методы производили самые громкие звуки? самый мягкий?

2. Какие методы позволяли проходить через них самым актуальным? в мере? Откуда вы знаете?

3. Обсудите со своей группой преимущества, которые, по вашему мнению, могут иметь транзисторные переключатели по сравнению с механическими переключателями. Какое качество транзисторов — высокая надежность, малое усиление тока или мгновенный отклик — по вашему мнению, является наиболее важным для транзисторов, используемых в компьютерах? в медицинском оборудовании, таком как кардиостимуляторы? в управляемых ракетах?

Попробуй!

• Используйте свою схему, чтобы проверить, насколько хорошо другие методы и материалы проводят электричество.