Схемы включения биполярных транзисторов.

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

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

Схема включения с общей базой.

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

I_э = I_к + I_б

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

Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению. Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем…

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

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

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

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

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

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

отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

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

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

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

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

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала. В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

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

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

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

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

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Добрый день, друзья!

Сегодня мы продолжим знакомиться с электронными «кирпичиками» компьютерного «железа». Мы уже рассматривали с вами, как устроены полевые транзисторы, которые обязательно присутствуют на каждой материнской плате компьютера.

Усаживайтесь поудобнее – сейчас мы сделаем интеллектуально усилие и попытаемся разобраться, как устроен

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который широко применяется в электронных изделиях, в том числе и компьютерных блоках питания.

Слово «транзистор» (transistor) образовано от двух английских слов – «translate» и «resistor», что означает «преобразователь сопротивления».

Слово «биполярный» говорит о том, что ток в приборе вызывается заряженными частицами двух полярностей – отрицательной (электронами) и положительной (так называемыми «дырками»).

«Дырка» — это не жаргон, а вполне себе научный термин. «Дырка» — это не скомпенсированный положительный заряд или, иными словами, отсутствие электрона в кристаллической решетке полупроводника.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру с чередующимися видами полупроводников.

Так как существуют полупроводники двух видов, положительные (positive, p-типа) и отрицательные (negative, n-типа), то может быть два типа такой структуры – p-n-p и n-p-n.

Средняя область такой структуры называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором.

На схемах биполярные транзисторы обозначаются определенным образом (см рисунок).

Видим, что транзистор представляет собой, по существу, да p-n перехода, соединенных последовательно.

Вопрос на засыпку – почему нельзя заменить транзистор двумя диодами? Ведь в каждом из них есть p-n переход, не так ли? Включил два диода последовательно – и дело в шляпе!

Нет! Дело в том, что базу в транзисторе во время изготовления делают очень тонкой, чего никак нельзя достичь при соединении двух отдельных диодов.

Принцип работы биполярного транзистора

Основной принцип работы транзистора заключается в том, что небольшой ток базы может управлять гораздо бОльшим током коллектора — в диапазоне практически от нуля до некоей максимально возможной величины.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять величину от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов он чаще всего больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Разница в том, что в отличие от затвора ПТ, при управлении ток базы всегда присутствует, т. е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем больше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, больше ток коллектора. Однако любой транзистор имеет максимально допустимые значения напряжений между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором.

За превышение этих параметров придется расплачиваться новым транзистором.

В рабочем режиме обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, подобно реле, может работать и в ключевом режиме. Если подать некоторый достаточный ток в базу (замкнуть кнопку S1), транзистор будет хорошо открыт. Лампа зажжется.

При этом сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер – коллектор будет составлять величину в несколько десятых долей вольта.

Если затем прекратить подавать ток в базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Как проверить биполярный транзистор?

Так как биполярный транзистор представляет собой два p-n перехода, то проверить его цифровым тестером достаточно просто.

Надо установить переключатель работы тестера в положение , присоединив один щуп к базе, а второй – поочередно к эмиттеру и коллектору.

По сути, мы просто последовательно проверяем исправность p-n переходов.

Такой переход может быть или открыт, или закрыт.

Затем надо изменить полярность щупов и повторить измерения.

В одном случае тестер покажет падение напряжение на переходах эмиттер – база и коллектор – база 0,6 – 0,7 В (оба перехода открыты).

Во втором случае оба перехода будут закрыты, и тестер зафиксирует это.

Следует отметить, что в рабочем режиме чаще всего один из переходов транзистора открыт, а второй закрыт.

Измерение коэффициента передачи биполярного транзистора по току

Если в тестере имеется возможность измерения коэффициента передачи по току, то проверить работоспособность транзистора можно, установив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи по току – это отношение тока коллектора к току базы.

Чем больше коэффициент передачи, тем большим током коллектора может управлять ток базы при прочих равных условиях.

Цоколевку (наименование выводов) и другие данные можно взять из data sheets (справочных данных) на соответствующий транзистор. Data sheets можно найти в Интернете через поисковые системы.

Тестер покажет на дисплее коэффициент передачи (усиления) тока, который нужно сравнить со справочными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

У мощных транзисторов он существенно меньше – несколько единиц или десятков.

Однако существуют мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен или тысяч. Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара Дарлингтона представляет собой два транзистора. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока – это произведение коэффициентов первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона делается в общем корпусе, но ее можно сделать и из двух отдельных транзисторов.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он покажет те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении).

Если же тестер покажет какое-то небольшое напряжение, да еще в обоих направлениях, то транзистор однозначно пробит и подлежит замене . Закоротку можно определить и в режиме измерения сопротивления – тестер покажет малое сопротивление.

Встречается (к счастью, достаточно редко) «подлая» неисправность транзисторов. Это когда он поначалу работает, а по истечению некоторого времени (или по прогреву) меняет свои параметры или отказывает вообще.

Если выпаять такой транзистор и проверить тестером, то он успеет остыть до присоединения щупов, и тестер покажет, что он нормальный. Убедиться в этом лучше всего заменой «подозрительного» транзистора в устройстве.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Хорошо бы научиться узнавать – «живы» эти «железки» или нет. Конечно, я дал вам, уважаемые читатели, очень упрощенную картину.

В действительности, работа биполярного транзистора описывается многими формулами, существуют многие их разновидности, но это сложная наука. Желающим копнуть глубже могу порекомендовать чудесную книгу Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».

Транзисторы для ваших экспериментов можно купить

До встречи на блоге!

PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока («внутрь» для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора I C (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора I C , так и ток эмиттера I E . Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как I C немного меньше, чем I E . Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с I E , и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа — втекающий.

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов I C и I B ; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем I E = I C + I B .

В этой схеме ток базы I B просто «ответвляется» от тока эмиттера I E , также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток I B , а NPN-типа — втекающий.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (V BE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (V CE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания V CC через нагрузочный резистор, R L , который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения V B , которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор R B , который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: I C = I E — I B , так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют «комплементарные», или «согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=I C /I B согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор — только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер — База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор — База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер — Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок, ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Термин «биполярный транзистор» связан с тем, что в этих транзисторах используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов применяют те же полупроводниковые материалы, что и для .

В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников создаются два p–n-перехода с чередующими типами электропроводности (p–n–p или n–p–n).

Биполярные транзисторы конструктивно могут быть беcкорпусными (рис.1,а) (для применения, например, в составе интегральных микросхем) и заключенными в типовой корпус (рис. 1,б). Три вывода биполярного транзистора называются база , коллектор и эмиттер .

Рис. 1. Биполярный транзистор: а) p–n–p-структуры без корпуса, б) n–p–n-структуры в корпусе

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения биполярного транзистора : с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу транзистора в схеме с общей базой, (рис. 2).

Рис. 2. Схема работы биполярного транзистора

Эмиттер инжектирует (поставляет) в базу основные носители, в нашем примере для полупроводниковых приборов n-типа ими будут электроны. Источники выбирают так, чтобы E2 >> E1. Резистор Rэ ограничивает ток открытого p–n-перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (обусловлен неосновными носителями), его называют начальным коллекторным током Iк0. Если E1 > 0, электроны преодолевают эмиттерный p–n-переход (E1 включена в прямом направлении) и попадают в область базы.

Базу выполняют с большим удельным сопротивлением (малой концентрацией примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая. Следовательно, немногие попавшие в базу электроны рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток Iб. Одновременно в коллекторном p–n-переходе со стороны E2 действует много большее поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор. Поэтому подавляющее большинство электронов достигают коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи связаны коэффициентом передачи тока эмиттера

при Uкб = const.

Всегда ∆ Iк ∆ Iэ, а a = 0,9 — 0,999 для современных транзисторов.

В рассмотренной схеме Iк = Iк0 + aIэ » Iэ. Следовательно, схема биполярного транзистора с общей базой обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером, (рис. 3).

Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Для нее по можно записать Iб = Iэ – Iк = (1 – a)Iэ – Iк0 .

Учитывая, что 1 – a = 0,001 — 0,1, имеем Iб

Найдем отношение тока коллектора к току базы:

Это отношение называют коэффициентом передачи тока базы . При a = 0,99 получаем b = 100. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но усиленный по току в b раз, будет протекать в цепи коллектора, образуя на резисторе Rк напряжение много большее, чем напряжение источника сигнала.

Для оценки работы биполярного транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также для расчета цепи смещения, стабилизации режима используются семейства входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) .

Семейство входных ВАХ устанавливают зависимость входного тока (базы или эмиттера) от входного напряжения Uбэ при Uк = const, рис. 4,а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода в прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы с общим эмиттером или общей базой), рис. 4, б.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные

Кроме электрического перехода n–p, в быстродействующих цепях широко используется переход на основе контакта металл–полупроводник – барьер Шоттки (Schottky). В таких переходах не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, и быстродействие транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Рис. 5. Биполярные транзисторы

Параметры биполярных транзисторов

Для оценки максимально допустимых режимов работы транзисторов используют основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер (для различных транзисторов Uкэ макс = 10 — 2000 В),

2) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора Pк макс – по ней транзисторы делят на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3 — 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт), транзисторы средней и большой мощности часто снабжаются специальным теплоотводящим устройством – радиатором,

3) максимально допустимый ток коллектора Iк макс – до 100 А и более,

4) граничная частота передачи тока fгр (частота, на которой h31 становится равным единице), по ней биполярные транзисторы делят:

• на низкочастотные – до 3 МГц,

• среднечастотные – от 3 до 30 МГц,

• высокочастотные – от 30 до 300 МГц,

• сверхвысокочастотные – более 300 МГц.
  

д.т.н., профессор Л. А. Потапов

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

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

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

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

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

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

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

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

А что же это такое?

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

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

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

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

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

В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

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

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

Чем бы еще улучшить нашу схему…

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

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

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

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

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

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

Как работают транзисторы?

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

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

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

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

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

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

Параметры транзисторов

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

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

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

1. Схема с ОК

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

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

2. Схема с ОБ

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

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

3. Схема с ОЭ

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

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

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R_L вместе равны величине ЭДС: V_CC = I_CR_L + V_CE.

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

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

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

Режимы работы

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

1. Режим отсечки

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

2. Активный режим

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

3. Режим насыщения

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

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

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

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

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

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

Как ведет себя транзистор в разных режимах

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

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

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

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

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

Работа в режиме переключения

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

Заключение

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

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

Сравнение схем включения транзисторов | Основы электроакустики

Сравнение схем включения транзисторов

 

Схемы включения биполярных транзисторов.  Сравнительные данные свойств транзисторов в схемах с ОБ, ОК и ОЭ приведены в табл. 132. В схеме с общей базой эмиттерный переход включен в прямом направлении, поэтому при незначительных изме­нениях напряжения ДUэ сильно меняется ток ДIэ, вследствие чего входное сопротивление транзистора rвх = ДUэ/ДIэ при UK=const мало (десятки омов). Коллекторный переход включен в обратном направлении, поэтому изменения напряжения на этом переходе ДUк незначительно влияют на изменения тока ДIк, вследствие чего вы­ходное сопротивление гвых = ДUк/ДIк при Iэ=const велико (до не­скольких мегаомов). Большое различие входных и выходных сопро­тивлений затрудняет согласование каскадов в многокаскадных уси­лителях. 

Таблица 132

Параметры	Сравнительные показатели свойств транзисторов в схемах
	с общей базой	с общим эмитте­ром	с общим коллек­тором
Коэффициенты передачи по току	0,6 — 0,95	Десятки — сотни	Больше, чем в схеме с ОЭ
усиления по напря жению	Тысячи	Меньше, чем в схеме с ОБ	0,7 — 0,99
усиления по мощности	Менее чем на  схеме с ОЭ	Большое (тысячи)	Меньше, чем в схеме с ОЭ
Сопротивление:
входное	Малое (единицы — десятки омов)	Большое (десятки —тысячи омов)	Большое (сотни килоомов)
выходное	Большое (тысячи омов — единицы мегаомов)	Сотни омов, — десятки килоомов	Единицы омов — десятки килоомов
Сдвиг фаз	0°	180°	0°

В схеме с ОБ входным (управляющим) является ток Iэ, а выходным — ток Iк. Последний всегда меньше тока эмиттера, так как часть инжектируемых носителей заряда рекомбинирует в базе, по­этому а=ДIк/ДIэ<1. Коэффициент усиления по напряжению Kн в схеме велик, поскольку изменения токов на входе ДIэ и выходе ДIк почти одинаковы, а rВЫх>rвх. Коэффициент усиления по мощности также велик (Kм=аKн=1000). Эмиттерный переход включается в проводящем направлении, поэтому изменения тока 13, а следователь­но, и тока Iк происходят без фазового сдвига (Ф=0°).

В схеме с общим эмиттером управляющим служит ток базы Is — Is — Iк. Поскольку большинство носителей зарядов, инжектиру­емых эмиттером, достигает коллекторной области [Iк= (0,9 ч-0,99) Iэ] и лишь незначительная часть рекомбинирует в базе, ток базы мал: Iб=(0,01-0,1) Iэ. При этих условиях Kтэ = ДIк/ДIб>Kтб=ДIк/ДIэ и составляет 10 — 150. Усиление по напряжению примерно такое же, как и в схеме с ОБ. Благодаря высокому коэффициенту передачи тока эта схема обеспечивает большое (Kм до 10000) уси­ление по мощности.

Напряжение в схеме с ОЭ на входе U3 и выходе UK одного по­рядка, поэтому гВх=ДUэ/ДIэ здесь больше, чем в схеме с ОБ, и до­стигает десятков — тысяч омов. В этой схеме напряжение коллектор­ного источника Ек частично приложено к эмиттерному переходу, по­этому изменения ДUк вызывают большие изменения тока ДIк, вслед­ствие чего rвых=ДUк/ДIк при Iб=const меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает согласование каскадов в многокаскадных усилителях.

В схеме с ОЭ положительные полуволны подводимого напряже­ния сигнала действуют в противофазе с напряжением смещения, по­этому ток Iэ, а следовательно, и Iк уменьшаются; отрицательные полуволны сигнала действуют согласованно с напряжением смеще­ния, и токи 1д и Iк возрастают. В результате напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в выходной цепи, будет (по отношению к об­щей точке схемы) противофазным с напряжением подводимого сиг­нала (т. е. ф=180°).

В схеме с общим коллектором входным является ток Iб, а вы­ходным Iэ. Так как во входной цепи проходит малый ток базы, входное сопротивление rВX=ДUвх/ДIвх достигает десятков килоомов, Выходное напряжение в схеме приложено к эмиттерному переходу, поэтому малые изменения этого напряжения вызывают большие изменения Iэ, вследствие чего rВых=ДUвых/ДIвых мало (десятки омов).

Напряжение подводимого сигнала Uвх и выходное напряжение Uвых в схеме действуют встречно, т. е. U36 = Uвx — Uвых. Для полу­чения на эмиттерном переходе требуемого напряжения необходимо скомпенсировать выходное напряжение, что достигается при Uвх>Uвых. В этих условиях схема с ОК не дает усиления по напря­жению (Kн<1). Коэффициент передачи по току Kт=ДIэ/ДIб =ДIэ/(ДIэ — ДIк) = 1/(1 — а) здесь несколько больше, чем в схеме с ОЭ. Отсутствие усиления по напряжению приводит к снижению усиления по мощности против схем с ОБ и ОЭ.

В схеме отрицательные полуволны подводимого напряжения сигнала Uвх действуют встречно напряжению смещения, поэтому результирующее прямое напряжение на эмиттерном переходе и ток Iэ=Iб+Iк уменьшаются. При этом напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в цепи эмиттера, повторяет фазу напряжения подводи­мого сигнала, т. е. Ф=0 (эмиттерный повторитель). 

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями, (Сзи=1-20 пФ; Сзс=0,5-8 пФ; Сси<Сзи). Входная емкость СВх.и = Сзи+СэС, проход­ная Спр.и = Сзс, выходная СВых.и=Сзс+ССи. Крутизна S характе­ристики Iс=Ф(Uз) представляет собой внешнюю проводимость пря­мой передачи и для транзисторов малой мощности составляет 0,5 — 10 мСм. Выходное сопротивление сравнительно велико (обычно многократно превышает сопротивление нагрузки), поэтому коэф­фициент усиления каскада &»5Rн достигает десятков единиц. Вход­ное сопротивление (если пренебречь областями очень низких и вы­соких частот) .носит емкостной характер; входная емкость Свх= — Сэя+SRнСзс. Поскольку междуэлектродные емкости малы, на па­раметры схемы существенно влияют емкости монтажа См= 1-5-3 пФ. Общая шунтирующая емкость С0=СЕ1+См определяет частоту верхнего среза fв.ср=1/(2пС0Rн).

Схема с ОЗ подобно схеме с ОБ не изменяет полярности сиг­нала и обеспечивает его-усиление по напряжению аналогично уси­лению сигнала в схеме с ОИ. Входное сопротивление гвх= U3m/Iит вследствие потребления от источника сигнала сравнительно боль­шого тока Iст=Iит=SUзот оказывается незначительным. Выходное сопротивление rвых~rси(1+SRи) из-за влияния отрицательной об­ратной связи по току (элементом которой является внутреннее со­противление источника сигнала RИ) велико. Влияние емкостной составляющей входной проводимости мало (так как она шунтиро­вана сравнительно большой активной проводимостью gВх=1/rвх=S), поэтому каскад с ОЗ более широкополосен, чем схема с ОИ.

Схема с ОС не меняет фазу входного сигнала на выходе (истоковый повторитель), значительно усиливает ток (но не может усиливать напряжение), обладает высоким активным входным со­противлением, малой входной емкостью СВх = Сзс+С3и(1 — K), где K. = Ucm/UC3m=SRн/(1+SRн), и небольшим выходным сопротивле­нием r=l/S (близким к входному сопротивлению схемы с, ОЗ), большой широкополосностью благодаря малой входной емкости.

Схемы составных транзисторов. Составной транзистор пред­ставляет собой комбинацию двух (и более) транзисторов, соеди­ненных таким образом, что число внешних выводов этой комбинированной схемы равно числу выводов одиночного транзистора. Составной транзистор, выполненный по схеме сдвоенного эмиттер-ного повторителяне изменяет полярности сигнала, об­ладает большим коэффициентом передачи тока hzi=hziVihziVz, име­ет большое входное и малое выходное сопротивления.

Составной транзистор в виде усилителя на разноструктурных (р-n-р и n-р-n) транзисторах содержит два каскада с ОЭ с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поскольку каждый каскад изменяет полярность сигнала, в целом схема пред­ставляет собой неинвертирующий усилитель. С выхода схемы напряжение подается на вход (эмиттер первого транзистора) в про-тивофазе с входным сигналом, подводимым к цепи базы. Приве­денный составной транзистор обладает свойствами эмиттерного повторителя. Его коэффициент усиления меньше единицы, а из-за ОС входное сопротивление велико, выходное мало. Точкой малого выходного сопротивления является коллектор транзистора V2, так как от него начинается цепь ОС по напряжению, поэтому вывод коллектора транзистора V2 играет роль эмиттера составного тран­зистора, а вывод эмиттера V2 — роль его коллектора. При выбранных структурах транзисторов, VI и V2 схема обладает свой­ствами р-n-р-транзистора.

Составной транзистор, выполненный по каскодной схеме представляет собой усилитель, в котором транзистор VI включен по схеме с ОЭ, a V2 — по схеме с ОБ. Схема эквивалент­на одиночному транзистору, включенному по схеме с ОЭ с пара* метрами, близкими к параметрам транзистора VI. Последний обла­дает высоким выходным сопротивлением, что обеспечивает транзи« стору V2 получение широкой полосы частот

Биполярные транзисторы — презентация онлайн

2. Общие сведения.

Транзистор- полупроводниковый прибор с двумя
электронно-дырочными переходами,
предназначенный для усиления и генерирования
электрических сигналов.
Используются оба типа носителей :
1. Основные.
2. Неосновные.
Поэтому его называют биполярным.
Биполярный транзистор состоит из трех областей
монокристаллического полупроводника с разным
типом проводимости: эмиттера, базы и
коллектора.
Переход, который образуется на границе эмиттербаза, называется эмиттерным, а на границе базаколлектор — коллекторным.
В зависимости от типа проводимости крайних слоев
различают транзисторы p-n-р и n-р-n

3. Обозначения транзистора

Обозначение биполярных
транзисторов на схемах
Простейшая наглядная схема
устройства транзистора

4. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p:

Схематическое изображение транзистора типа p-n-p.
Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор, W- толщина базы,
ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход
База (Б) -область транзистора, расположенная между
переходами. Примыкающие к базе области чаще
всего делают неодинаковыми.
Одну изготовляют так, чтобы из неё эффективно
происходила инжекция в базу, а другую — так, чтобы
соответствующий переход наилучшим образом
осуществлял экстракцию инжектированных
носителей из базы.
Эмиттер (Э)- область транзистора, основным
назначением которой является инжекция носителей
в базу, а соответствующий переход эмиттерным.
Коллектор (К)- область, основным назначением
которой является экстракцией носителей из базы, а
переход коллекторным.
Каждый из переходов транзистора можно
включить либо в прямом, либо в обратном
направлении. В зависимости от этого
различают три режима работы транзистора:
1. Режим отсечки — оба p-n перехода закрыты,
при этом через транзистор обычно идёт
равнительно небольшой ток;
2. Режим насыщения — оба p-n перехода
открыты;
3. Активный режим — один из p-n переходов
открыт, а другой закрыт.
В режиме отсечки и режиме насыщения
управление транзистором почти отсутствует. В
активном режиме такое управление
осуществляется наиболее эффективно
• Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на
коллекторном переходе – обратное, то включение
транзистора считают нормальным, при
противоположной полярности – инверсным.
• По характеру движения носителей тока в базе
различают диффузионные и дрейфовые биполярные
транзисторы.
• Если при отсутствии токов в базе существует
электрическое поле, которое способствует движению
неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору,
то транзистор называют дрейфовым, если же поле в
базе отсутствует – бездрейфовым (диффузионным).

в БТ реализуются четыре физических процесса:
— инжекция из эмиттера в базу;
— диффузия через базу;
— рекомбинация в базе;
— экстракция из базы в коллектор.

9. Режим отсечки

1.
Эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к
внешним источникам в обратном направлении.
Через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи
эмиттера (IЭБО)и коллектора (IКБО).
Iб равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора
находится в пределах от единиц мкА (у кремниевых транзисторов) до
единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

10. Режим насыщения

1.
Эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к
внешним источникам в прямом направлении.
Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного
переходов будет ослабляться электрическим полем, создаваемым
внешними источниками UЭБ и UКБ.
В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший
диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение
(инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через
эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые
токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).

11. Активный режим

1. Применяется для усиления сигналов .
2. Эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный —
в обратном направлениях.
Под действием прямого напряжения UЭБ происходит инжекция
дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в
ней неосновными носителями заряда . Часть дырок в базе
заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными
электронами. Так как ширина базы небольшая (от нескольких ед.до
10 мкм), основная часть дырок достигает коллекторного р-nперехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор.
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока
коллектора и тока эмиттера.

12. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе .

x
pn ( x) pn0 exp( VG ) exp( )
Lp
• Процесс переноса инжектированных носителей через базу –
диффузионный.
• Характерное расстояние, на которое неравновесные носители
распространяются от области возмущения, – диффузионная
длина Lp.
• Чтобы инжектированные носители достигли коллекторного
перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной
длины Lp.
• Условие W
транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи
через изменение тока в первичной цепи.

14. Схемы включения биполярного транзистора

1. В предыдущей схеме( см. активный режим) электрическая цепь, образованная
источником UЭБ, эмиттером и базой транзистора, называется входной,
2. цепь, образованная источником UКБ, коллектором и базой этого же транзистора,—
выходной.
3. База — общий электрод транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое
его включение называют схемой с общей базой

15. Схемы включения биполярного транзистора

На рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной
цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером,
1. выходной ток — коллектора IК, незначительно отличающийся от тока эмиттера Iэ,
2. входной — ток базы IБ, значительно меньший, чем коллекторный ток.
3. Связь между токами IБ и IК в схеме ОЭ определяется уравнением: IК= h31ЕIБ + IКЭО

16. Схемы включения биполярного транзистора

Схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей
транзистора является коллектор . Это схема включения с общим
коллектором (эмиттерный повторитель).
Независимо от схемы
включения транзистора для
него всегда справедливо
уравнение, связывающее токи
его электродов:
Iэ = I к + I Б .

17. Сравнительная оценка схем включения биполярных транзисторов

KI — коэффициент усиления по току
KU — коэффициент усиления по
напряжению
KP — коэффициент усиления по мощности

18. Влияние температуры на характеристики транзисторов

1. Недостаток транзисторов — зависимость их
характеристик от изменения температуры
2. При повышении температуры увеличивается
электропроводность полупроводников и токи в них
возрастают. Возрастает обратный ток p-n
перехода(начальный ток коллектора). Это приводит к
изменению характеристик p-n перехода.
3. Схемы с общей базой и общим эмиттером имеют
различные значения обратного тока Iкбо. С
увеличением температуры T обратные токи
возрастают, но соотношение между ними остается
постоянным.

19. Влияние температуры на характеристики транзисторов

• Температурные изменения оказывают влияние на величину
коэффициентов передачи тока а и B
• Изменение обратных токов и коэффициентов усиления
приводит к смещению входных и выходных характеристик
транзисторов, что может привести к нарушению его
нормальной работы или схемы на его основе.

20. Выходная и входная характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при различных температурах:

21. Классификация транзисторов

1. Транзисторы классифицируются по допустимой мощности
рассеивания и по частоте.
2. Транзисторы по величине мощности, рассеиваемой
коллектором, делятся на транзисторы малой (Рк ЗООО
мВт), средней (Рк 1,5 Вт) и большой (Рк 1,5 Вт)
мощности.
3. По значению предельной частоты, на которой могут
работать транзисторы, их делят на низкочастотные (З
МГц), среднечастотные ( ЗО МГц), высокочастотные (
300 МГц) и сверхвысокочастотные ( > ЗООМГц).
4. Низкочастотные маломощные транзисторы обычно
изготавливают методом сплавления, поэтому их называют
сплавными.

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

Я новичок в схемотехнике, сейчас вдумчиво изучаю цикл статей «Основы на пальцах». И мне также хочется разобраться с особенностями разных каскадов включения биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК). Поэтому, для прояснения, решил промоделировать их в Proteus: «Bipolar transistor cascades modelling (Proteus 7.7).zip»

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

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

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

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

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

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

Vga

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Vga

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

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

В последнем примере явно видно как работает электронщик, усложняя схему поэтапно: сначала DI HALT взял уже совершенно рабочий каскад на биполярном транзисторе (схема с ОЭ), и затем привнёс в него дополнительные свойства, внеся дополнительные элементы…
Но глядя на конечную схему — эти дополнительные элементы будут усложнять вид схемы и смущать неопытных электронщиков. Разумеется, эти дополнительные элементы также будут влиять и на передаточную ВАХ схемы, но не принципиально (передаточные характеристики всякого реального каскада всегда будут похожи на характеристики одной из типовых моделей).
Совет: при разборе чужой схемы, чтобы узнать какой используется каскад — нужно сперва очистить схему от этих дополнительных вспомогательных элементов (отбросить, будто их и не было, принципиально на работу схемы это не повлияет). Тогда будет ясно виден сам каскад, а его свойства известны, и станет понятно как он работает в схеме…

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

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

Общие сведения о биполярных транзисторных переключателях

Табличка 1

Льюиса Лофлина

Это представляет собой широкое представление о коммутирующих транзисторах PNP и NPN, ориентированных на общие 5-вольтовые микроконтроллеры. Биполярные транзисторы состоят из двух полупроводниковых переходов (таким образом, биполярных), которые служат широкому кругу электронных применений от усилителей звука до цифровых схем.

Здесь нас интересует только их использование в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, такими как реле, лампы, двигатели и т. Д.Они выпускаются в различных упаковках и стилях футляров.

Табличка 2

На Таблице 2 выше мы видим электронные символы как для NPN, так и для NPN. Они работают точно так же, за исключением противоположных электрических полярностей. Если набор транзисторов имеет точные электрические свойства, но противоположные полярности, они называются дополнительной парой .

Другой тип транзисторов известен как полевые МОП-транзисторы или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы , которые будут рассмотрены отдельно.

Табличка 3

На Таблице 3 показаны типичные электрические соединения для биполярных транзисторов PNP и NPN в системе микроконтроллера с отрицательным заземлением. Обратите внимание на то, что ток на этих иллюстрациях изменяется от отрицательного к положительному.

Обратите внимание на стрелки, показывающие протекание тока — с PNP ток коллектора (Ic) идет от коллектора (C) к эмиттеру (E), а NPN Ic — от эмиттера к коллектору.

Обратите внимание на положение транзисторов относительно GND, +12 В и нагрузки в этом случае двигателей постоянного тока.Работая как переключатель для включения-выключения двигателя, транзистор PNP расположен на стороне + Vcc нагрузки и будет источником тока.

С NPN-транзистором справа переключатель находится на стороне заземления нагрузки и, как говорят, потребляет тока.

Приемник и источник важны при подключении программируемых логических контроллеров (ПЛК), используемых для управления оборудованием в промышленности.

Нажимной переключатель Sw1 течет ток от GND через R1, и смещает в прямом направлении базу (B) относительно эмиттера.Это объединяется с током коллектора, чтобы произвести ток эмиттера обратно к источнику питания 12 В.

Push Sw2, это позволяет току от GND через эмиттер, который выплескивается, чтобы сформировать Ib и Ic для транзистора NPN. Это слишком прямое смещение перехода база-эмиттер. Отношения для обоих следующие:

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.
  

Значения hfe представляют усиление по постоянному току — небольшой ток база-эмиттер создает больший ток эмиттер-коллектор.

При использовании в качестве переключателей транзисторы используются в режиме насыщения , где дополнительный ток база-эмиттер не создает дополнительного тока коллектор-эмиттер.

Пластина 4

На четвертой пластине показано, как проверить PN полупроводниковый переход. Диод — это самый простой полупроводниковый переход, в котором ток течет только в одном направлении. Цифровой вольтметр (DVM) должен иметь функцию проверки диода, которая подает достаточно напряжения для прямого смещения диода, когда катодная сторона отрицательная, а анодная — положительная.

Если провода DVM перевернуты, ток не протекает. Падение напряжения на смещенном в прямом направлении PN-переходе составляет приблизительно 0,6В.

Пластина 5

На пластине 5 показано, как два PN-перехода в биполярных транзисторах действуют как встречные диоды. (Обратите внимание на противоположную полярность!) Ток не может течь от эмиттера-коллектора или коллектора-эмиттера. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток течет через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.

Табличка 6

На пластине 6 мы используем транзистор TIP41 NPN номиналом 6 ампер с минимальной hfe 20. Всегда принимайте наименьшее hfe из листов характеристик транзистора!

Наша нагрузка (светодиод) требует 100 мА, чтобы определить ток база-эмиттер Ib = Ic / hfe = 0,1 A / 20 = 5 мА. Я предполагаю, что Ib равен 10 мА, чтобы убедиться, что TIP41 полностью отключается (насыщение).

При вводе 5 В от Arduino, PIC и т. Д. Вычтите 0,6 В для напряжения база-эмиттер, а затем разделите на 4.4 В / 10 мА = 440 Ом.

Обратите внимание, что напряжение эмиттер-коллектор на транзисторе при насыщении составляет 0,5 В.

Табличка 7

2N3055 — это транзистор очень высокой мощности, предназначенный для подачи сильного тока. В данном случае мы управляем двигателем на 10 ампер. Разделите 10 ампер на 20, нам понадобится не менее 500 мА. Это не сработает, потому что Arduino, PIC и т. Д. Вывод ввода / вывода просто не может обеспечить такой уровень тока привода.

Табличка 8

На рисунке 8 представлена ​​так называемая конфигурация Дарлингтона, в которой ток коллектора-эмиттера одного транзистора обеспечивает ток база-эмиттер второго транзистора.Значения hfe для каждого транзистора равны , умноженному на , чтобы получить значительное усиление тока в этом примере 2000.

Q2 также будет известен как предварительный драйвер.

Табличка 9

На Таблице 9 показано, как подключить транзистор PNP к Arduino или аналогичному микроконтроллеру. Поскольку высокое напряжение 11 В на базе Q1 разрушит вывод ввода / вывода (ограничено 5 В), мы должны использовать транзисторный переключатель NPN (Q2) в качестве предварительного драйвера.

Пластина 10

На пластине 10 мы используем высокомощный Mj2955 (дополнение к более раннему 2N3055) с транзистором TIP42 PNP для формирования транзистора Дарлингтона.Мы снова используем предварительный драйвер NPN для защиты вывода ввода / вывода микроконтроллера от высокого базового напряжения Q2.

Надеюсь, серия была полезной. Любые исправления, предложения и т. Д. Пишите мне по адресу [email protected].

Как использовать биполярный переходной транзистор (BJT) в качестве…

Если вы ознакомились с нашим руководством «Различные области работы BJT», мы обсудили, как биполярный переходный транзистор (BJT) работает в области отсечки, насыщения и активных областей . Мы обсудили условия для того, чтобы BJT работал в этих разных регионах.В этом руководстве мы обсудим, как использовать эти две рабочие области, отсечку и насыщенность, чтобы мы могли использовать BJT в качестве переключателя. После завершения этого руководства вы сможете использовать BJT для простых приложений переключения.

Но перед этим, если вы новичок в электротехнике или электронике и понятия не имеете, что такое переключатель, давайте сначала кратко обсудим, что это такое. Вы можете просто пропустить следующую часть, если вы уже знакомы с переключателями.

Что такое переключатель?

Обычно образ, который возникает у вас в голове, когда вы думаете о переключателе, — это изображение, показанное на рисунке 1.Этот тип переключателя представляет собой электрический переключатель, который мы обычно используем в наших домах для включения или выключения света.

Рисунок 1. Электрический переключатель.

Существует множество типов переключателей, используемых в электротехнике или электронике. Мы можем разделить их в основном на электромеханические и электронные переключатели. Поскольку BJT работает как переключатель SPST, мы можем просто использовать переключатель SPST, чтобы легко объяснить, как работает переключатель.

Рисунок 2. Тумблер SPST и символ цепи переключателя SPST.

Переключатель — это электрическое или электронное устройство, которое может размыкать или замыкать цепь, останавливая или позволяя току в цепи.На рисунке 2 вы можете увидеть однополюсный однонаправленный (SPST) тумблер и обозначение цепи переключателя SPST. Количество полюсов в переключателе определяет, сколькими отдельными цепями он может управлять, в то время как счетчик хода переключателя говорит нам, к скольким позициям можно подключить каждый из полюсов переключателя. Переключатель SPST имеет один полюс и один ход, поэтому он может управлять только одной цепью, а его полюс может быть подключен только к одной клемме. Таким образом, тумблер SPST — это просто выключатель с двумя выводами (A и B), которые можно соединить вместе или отсоединить друг от друга, переключая рычаг (привод).

На рисунке 3 мы можем увидеть принципиальную схему лампочки, подключенной непосредственно к сети переменного тока. Надеюсь, вы можете себе представить, что на самом деле лампочка подключается к сети переменного тока или сетевой розетке через электрическую вилку и застежку-молнию. Итак, чтобы включить лампочку, мы вставим вилку в розетку, а чтобы выключить ее, вытащим вилку из розетки. Чтобы сделать это менее хлопотным, мы можем вставить тумблер в схему, чтобы мы могли просто переключать рычаг тумблера, если мы хотим включить или выключить лампочку, вместо того, чтобы подключать или отключать электрическую вилку.

Рисунок 3. Лампочка, подключенная непосредственно к источнику 220 В переменного тока от сети переменного тока.

Как показано на рисунке 4, мы можем отрезать одну линию кабеля и вставить переключатель.

Рис. 4. Вырезание одной линии для вставки переключателя.

На рисунке 5 переключатель теперь вставлен, и лампочку можно легко включить или выключить, просто переключив рычаг тумблера. Вот так просто работает переключатель.

Рис. 5. Тумблер теперь вставлен, чтобы легко включить или выключить лампочку.

Сравнение BJT и тумблера SPST

На рисунке 6 тумблер SPST имеет три части или метки, которые мы можем сравнить с тремя выводами BJT.Клеммы коллектора и эмиттера BJT аналогичны клеммам A и B тумблера. Базовая клемма BJT похожа на рычаг тумблера. Об этом мы поговорим позже.

Рис. 6. Тумблер SPST и NPN BJT.

Почему мне нужно использовать BJT для переключения?

Существует множество причин, по которым вы могли бы использовать BJT или транзистор в качестве переключателя. Но для меня основная причина — это управление нагрузкой с более высоким потреблением тока или напряжения.Например, для вашей нагрузки требуется 100 мА, но вы можете потреблять только 20 мА от источника, что является обычным для вывода GPIO микроконтроллера. Или, может быть, вам нужно управлять реле 12 В с помощью микроконтроллера, но его контакт может выводить только 3,3 В или 5 В. Вы можете использовать транзистор, чтобы решить эту проблему.

Используя транзистор для переключения больших нагрузок, вы также можете автоматизировать процесс включения или выключения нагрузки дистанционно вместо использования электромеханического переключателя, которым нужно управлять вручную.Итак, исходя из этих причин, давайте начнем обсуждать операцию переключения BJT.

Операция переключения BJT

Функционирование BJT в качестве переключающего устройства действительно легко понять, особенно если вы уже узнали, как заставить BJT работать в области отсечки и насыщения. BJT действует как разомкнутый переключатель, когда он работает в области отсечки. На рисунке 7 вы можете видеть, что npn BJT работает в области отсечки, поскольку напряжение на клемме базы составляет 0 В.Следовательно, переход база-эмиттер не имеет прямого смещения, и, если мы не будем учитывать ток утечки, все токи, I _B и I _C равны нулю. Вы также можете видеть на рисунке 7, что клеммы коллектора и эмиттера действуют как разомкнутый переключатель SPST. Поскольку I _C равен нулю, напряжение на выводе коллектора и эмиттера, V _{CE (отсечка)} , равно V _CC .

Рис. 7. npn BJT, работающий в области отсечки, действует как разомкнутый переключатель.

Итак, чтобы BJT работал как разомкнутый переключатель, все, что вам нужно сделать, это убедиться, что его переход база-эмиттер не смещен в прямом направлении. Теперь, чтобы BJT работал как замкнутый переключатель, он должен работать в области насыщения. На рисунке 8 мы предположили, что npn BJT работает в области насыщения. Как видите, выводы коллектора и эмиттера действуют как замкнутый переключатель SPST. В идеале между коллектором и эмиттером должно быть короткое замыкание, и падение напряжения на нем должно быть нулевым.Однако в действительности существует небольшое падение напряжения на выводах коллектора и эмиттера, которое известно как напряжение насыщения, V _{CE (sat)} .

Рис. 8. npn BJT, работающий в области насыщения, действует как замкнутый переключатель.

Для того, чтобы BJT работал в области насыщения, переход база-эмиттер и переход база-коллектор должны быть смещены в прямом направлении, и должен быть достаточный базовый ток для создания тока насыщения коллектора, I _{C (sat)} . Используя схему на рисунке 8, формула для расчета I _{C (sat)} :

I _{C (sat)} — это ток, который требуется для нагрузки R _C .V _{CE (sat)} указан в техническом описании BJT, который вы собираетесь использовать. После расчета I _{C (sat)} , следующее, что нужно выяснить, — это минимальный базовый ток I _{B (min)} , необходимый для обеспечения I _{C (sat)} . Вы можете использовать это уравнение для расчета I _{B (мин)} .

Чтобы убедиться, что BJT работает в области насыщения, вам просто нужно убедиться, что I _B больше, чем I _{B (мин)} .

Какую бета-версию DC использовать?

Теперь, если вы знаете V _{CE (sat)} BJT, падение напряжения на нагрузке и ее сопротивление, вы можете рассчитать I _{C (sat)} , а затем рассчитать I _{B (min)} .Однако вы можете задаться вопросом, каково значение β _DC ? Чтобы облегчить вам поиск, подсказка заключается в том, что вы можете найти β _DC в таблице данных BJT, которую вы будете использовать. Итак, давайте проверим техническое описание очень часто используемого npn-транзистора общего назначения, 2N3904.

Рисунок 9. Значения 2N3904 h _FE .

Если вы проверили таблицу 2N3904, вы можете найти что-то похожее на то, что показано на рисунке 9. Поскольку DC beta (β _DC ) эквивалентен гибридному параметру (h _FE ), вы можете подумать, что Здесь вы получите значение β _DC , чтобы найти I _{B (min)} .Однако h _FE на рисунке 9 — это коэффициент усиления по току BJT, который работает как усилитель или в активной области. Значения, которые вы должны проверять, — это значения, в которых BJT находится в состоянии насыщения.

Рис. 10. Характеристики 2N3904 в области насыщения.

На рисунке 10 вы можете увидеть различные значения и информацию о 2N3904, работающем в области насыщения. Все это из таблицы. Основываясь на этой информации, вы увидите, что β _DC , используемый в области насыщения для 2N3904, равен 10.Обратите внимание, что соотношение I _C / I _B всегда равно 10?

Не все BJT используют 10 для β _DC , хотя до сих пор большинство транзисторов, которые я использовал, используют 10. BJT Дарлингтона, такие как TIP120, имеют соотношение 250 I _C / I _B . Но для 2N3904 гарантированное значение β _DC равно 10, чтобы он работал в области насыщения. Некоторые могут использовать 20, но, как мы обсуждали в руководстве по эксплуатации различных регионов BJT, β _DC не является постоянным и изменяется в зависимости от температуры перехода.Так что лучше установить β _DC на 10.

Application

Итак, чтобы увидеть, как BJT работает как переключатель в реальной жизни, давайте попробуем это простое приложение. Скажем, нам нужно управлять нагрузкой 12 В с потребляемым током 50 мА, используя Arduino Uno. Поскольку вывод GPIO Arduino Uno может выводить только 5 В максимум 20 мА, при строгом соблюдении условий в таблице данных ATmega328P, в этом случае нам нужно использовать транзисторный переключатель. Для этой демонстрации я просто буду использовать фиктивную нагрузку, которая будет состоять из 5 светодиодов с последовательно включенными резисторами.Каждый светодиод потребляет 10 мА, поэтому умножение на 5 дает в сумме 50 мА.

Рисунок 11. Принципиальная схема приложения.

Давайте посмотрим, какие значения у нас уже есть и какие значения нам еще предстоит решить. Надеюсь, у вас уже есть основы анализа схем. Однако, если еще нет, у нас есть для этого руководства. Вы можете проверить их здесь: Учебные пособия по теории цепей CircuitBread

В этом примере мы уже знаем, что I _{C (sat)} — 50 мА, а 2N3904 β _DC — 10. Итак, I _{B (min)} — это просто:

Если вы еще раз посмотрите таблицу 2N3904 или рисунок 10, вы увидите, что при 50 мА I _C максимально возможное значение V _{CE (sat)} равно 0.3V и V _{BE (sat)} составляет 0,95 В. I ₁ до I ₅ здесь все то же самое, что равно I _{C (sat)} /5 = 50mA / 5 = 10mA. Светодиоды, которые я собираюсь здесь использовать, представляют собой желтые светодиоды с типичным прямым напряжением 2 В. Выходное напряжение вывода Arduino Uno GPIO составляет примерно 5 В. Значения, которые нам нужно решить, — это от R1 до R5, которые имеют одинаковое сопротивление, и R _B . Итак, давайте сначала решим R1 – R5:

Используя KVL на стороне коллектора и эмиттера,

R2 – R5 тоже имеют 970 Ом.Теперь давайте решим R _B :

Снова используя KVL на стороне базы и эмиттера,

Значения, указанные выше, рассчитаны для идеальных условий. Однако имейте в виду, что на самом деле устройства, которые мы используем, несовершенны, поэтому между расчетными значениями и фактическими показаниями мультиметра может быть небольшая разница. Итак, вот фактический результат:

Рисунок 12. Реальная схема и BJT, работающие в области отсечки или как открытый переключатель. Рисунок 13. Arduino Uno, 2N3904 и фиктивная нагрузка.Рис. 14. 2N3904 BJT npn и фиктивная нагрузка.

Как вы можете видеть на рисунках 12-14, у нас есть Arduino Uno, 2N3904 npn BJT, пять желтых светодиодов, пять резисторов 970 Ом (два резистора 1 кОм, соединенные параллельно с резистором 470 Ом), пять резисторов 810 Ом (120 Ом, 300 Ом, и резисторы 390 Ом последовательно), а также блок питания 12 В. Arduino Uno здесь просто запрограммирован на вывод низкого уровня, когда на выводе D2 высокий уровень, и на вывод высокого уровня, когда на D2 низкий уровень или соединение с землей. На рисунках 12-14 вывод D2 высокий, поэтому вывод D5 низкий. Следовательно, переход база-эмиттер транзистора 2N3904 не имеет прямого смещения, поэтому транзистор работает в области отсечки или как разомкнутый переключатель.Через клемму коллектора ток не течет, поэтому нагрузка ВЫКЛЮЧЕНА.

Рис. 15. БЮТ, работающий в области насыщения или как замкнутый переключатель.

На рисунке 15 вы можете видеть, что вывод D2 Arduino Uno подключен к земле, поэтому на выходе вывода D5 высокий уровень. Это делает переход база-эмиттер и переход база-коллектор смещенными в прямом направлении, и транзистор 2N3904 работает в области насыщения. Как видите, светодиоды теперь горят.

Рисунок 16. Напряжение на выводе D5 Arduino Uno.

На рисунке 16 показано выходное напряжение D5 Arduino Uno. В идеале должно быть 5 В, но на самом деле это всего 4,88 В. Но в этом нет ничего страшного.

Рис. 17. Напряжение на переходе базы и эмиттера, В _BE .

На рисунке 17 мультиметр показывает падение напряжения на переходе база-эмиттер 2N3904. В таблице данных указано макс. 0,95 В, но в этой схеме V _{BE (sat)} составляет 0,836 В.

Рисунок 18. Напряжение на выводах коллектора и эмиттера, В _{CE (sat)} .

В таблице данных максимальное напряжение V _{CE (sat)} при 50 мА IC составляет 0,3 В. Однако в этом приложении V _{CE (sat)} составляет всего 165,4 мВ, как показано на рисунке 18. Чем меньше падение напряжения на выводах коллектора и эмиттера, тем лучше, потому что это означает, что в транзисторе будет меньше потерь мощности.

Рисунок 19. Ток, протекающий через базу, I _{B (мин)} .

На рисунке 19 показан базовый ток, равный 4,98 мА. В идеале это должно быть 5 мА.

Рисунок 20. Ток, протекающий через коллектор, I _{C (sat)} .

На рисунке 20 показан ток, измеренный мультиметром через коллектор. В идеале это должно быть 50 мА, но на самом деле измерение показывает 50,2 мА.

Рисунок 21. Падение напряжения между R1 и R5.

На рисунке 21 показано падение напряжения на последовательном резисторе светодиодов R1 – R5, которое составляет 9,9 В.

Рисунок 22. Падение напряжения между LED1 и LED5.

Я упоминал ранее, что типичное прямое напряжение желтого светодиода составляет 2 В, а на рисунке 22 мультиметр показывает падение напряжения на светодиодах 1,981 В, которое близко к 2 В.Падение напряжения на R _B , 4,07 В, показано на рисунке 23.

Рисунок 23. Падение напряжения на R _B .

Теперь, чтобы проверить, действительно ли BJT работает в области насыщения, как показано на рисунке 24, я удалил резистор 390 Ом со стороны клеммы базы, чтобы еще больше увеличить I _B . Как видите, ток, измеренный мультиметром на рисунке 24, составляет 9,10 мА. Это почти вдвое больше минимального тока базы, необходимого для работы транзистора в области насыщения.

Рис. 24. I _B увеличен, чтобы проверить, действительно ли BJT работает в области насыщения.

Но на рисунке 25 на дисплее мультиметра видно, что ток коллектора остается почти таким же. При базовом токе 4,98 мА ток коллектора составляет 50,2 мА, как показано на рисунках 19 и 20. На рисунке 25 измеренный ток составляет 50,3 мА, хотя базовый ток увеличился до 9,10 мА.

Рис. 25. I _{C (sat)} не увеличивается, хотя I _B был увеличен.

Это показывает, что BJT действительно работает в области насыщения, потому что даже при увеличении I _B значение I _{C (sat)} больше не увеличивалось.

---

Резюме

Итак, мы закончили учебник! Мы обсудили, как работает переключатель, и сравнили BJT с переключателем SPST. Мы узнали, почему нам нужно использовать BJT для переключения, и обсудили операцию переключения BJT. Мы провели расчеты, чтобы получить наиболее эффективное переключение. Я надеюсь, что приложение помогло вам лучше понять, как BJT работает в реальной жизни, поэтому, надеюсь, теперь вы можете использовать BJT для простых приложений переключения. Кроме того, при выборе BJT для использования в ваших проектах всегда проверяйте таблицу данных BJT для получения максимальных оценок.Убедитесь, что вы не превышаете максимальные рейтинги, чтобы не повредить BJT и другие части вашего проекта. Надеюсь, вы нашли это руководство интересным или полезным. Если у вас есть вопросы, оставьте их в комментариях ниже. Кроме того, подпишитесь на канал CircuitBread Youtube. Увидимся в нашем следующем уроке!

коммутационных цепей. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Добрый день, друзья!

Сегодня мы продолжим знакомство с электронными «кирпичиками» компьютерной техники.Мы уже разобрали с вами, как устроены полевые транзисторы, которые обязательно присутствуют на каждой материнской плате компьютера.

Устройтесь поудобнее — теперь мы приложим интеллектуальные усилия и попробуем разобраться, как это работает

Транзистор биполярный

Биполярный транзистор — это полупроводниковое устройство, которое широко используется в электронных продуктах, включая блоки питания компьютеров.

Слово «транзистор» (транзистор) образовано от двух английских слов — «переводить» и «резистор», что означает «преобразователь сопротивления».

Слово «биполярный» означает, что ток в устройстве создается заряженными частицами двух полярностей — отрицательной (электроны) и положительной (так называемые «дырки»).

«Дыра» — это не жаргон, а вполне научный термин. «Дырка» — это нескомпенсированный положительный заряд, или, другими словами, отсутствие электрона в кристаллической решетке полупроводника.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру с чередующимися типами полупроводников.

Поскольку существует два типа полупроводников, положительные (положительный, p-тип) и отрицательные (отрицательные, n-тип), может быть два типа такой структуры — p-n-p и n-p-n.

Средняя часть такой структуры называется основанием, а внешние области — эмиттером и коллектором.

На схемах биполярные транзисторы обозначены определенным образом (см. Рисунок). Мы видим, что транзистор представляет собой последовательно включенный pn-переход.

Обратный вопрос — почему нельзя заменить транзистор на два диода? Ведь у каждого из них есть pn переход, верно? Последовательно включил два диода — и дело в сумке!

Нет! Дело в том, что база в транзисторе при изготовлении делается очень тонкой, чего нельзя добиться подключением двух отдельных диодов.

Принцип работы биполярного транзистора

Основной принцип транзистора заключается в том, что небольшой базовый ток может управлять гораздо большим током коллектора — в диапазоне практически от нуля до определенного максимально возможного значения.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов его больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Отличие в том, что, в отличие от затвора постоянного тока, при управлении всегда присутствует базовый ток, т.е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем выше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, ток коллектора. Однако любой транзистор имеет максимально допустимое напряжение между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором. За превышение этих параметров придется заплатить новым транзистором.

В рабочем режиме переход база-эмиттер обычно открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, как и реле, также может работать в ключевом режиме. Если подать на базу достаточный ток (закрыть кнопку S1), транзистор откроется хорошо. Лампа загорится.

В этом случае сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер-коллектор составляет несколько десятых вольта.

Если вы затем перестанете подавать ток на базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Как проверить биполярный транзистор?

Поскольку биполярный транзистор состоит из двух pn-переходов, его довольно легко проверить с помощью цифрового тестера.

Необходимо установить переключатель работы тестера в положение, подключив один щуп к базе, а второй поочередно к эмиттеру и коллектору.

Фактически мы просто последовательно проверяем исправность p-n переходов.

Такой переход может быть как открытым, так и закрытым.

Затем нужно изменить полярность щупов и повторить измерения.

В одном случае тестер покажет падение напряжения на переходах эмиттер-база и коллектор-база 0,6–0,7 В (оба перехода открыты).

Во втором случае оба перехода будут закрыты, и тестер это зафиксирует.

Следует отметить, что в рабочем режиме чаще всего один из переходов транзистора открыт, а второй закрыт.

Измерение коэффициента передачи тока биполярного транзистора

Если в тестере есть возможность измерения коэффициента передачи тока, то можно проверить работоспособность транзистора, вставив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи тока — это отношение тока коллектора к току базы.

Чем выше коэффициент усиления, тем больший ток коллектора может выдержать базовый ток при прочих равных условиях.

Распиновка (названия контактов) и другие данные могут быть взяты из таблиц данных (справочные данные) для соответствующего транзистора.Таблицы данных можно найти в Интернете через поисковые системы.

Тестер покажет на дисплее текущий коэффициент передачи (усиления), который необходимо сравнить с эталонными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

Для мощных транзисторов значительно меньше — единицы или десятки.

Однако есть мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен и тысяч.Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара Дарлингтона состоит из двух транзисторов. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока является произведением отношения первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона выполнена в общем корпусе, но также может быть изготовлена ​​из двух отдельных транзисторов.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он будет показывать те же 0,6 — 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении) …

Если тестер показывает небольшое напряжение, и даже в обоих направлениях, то транзистор определенно сломан и его необходимо заменить … Короткое замыкание также можно определить в режиме измерения сопротивления — тестер покажет низкое сопротивление .

Происходит (к счастью, довольно редко) «гнусная» неисправность транзисторов. Это когда он изначально работает, а через какое-то время (или после прогрева) меняет свои параметры или вообще выходит из строя.

Если такой транзистор выпарить и проверить тестером, то он успеет остыть перед подключением щупов, и тестер покажет, что он в норме. Лучше всего в этом убедиться, заменив в приборе «подозрительный» транзистор.

В заключение скажем, что биполярный транзистор — одна из основных «железок» в электронике.Было бы неплохо научиться распознавать, «живы» эти «железки» или нет. Конечно, дорогие читатели, я дал вам очень упрощенную картину.

На самом деле работа биполярного транзистора описывается множеством формул, существует множество их разновидностей, но это сложная наука. Тем, кто желает копнуть глубже, я могу порекомендовать замечательную книгу Горовица и Хилла «Искусство схемотехники».

Вы можете купить транзисторы для своих экспериментов

Увидимся в блоге!

PNP-транзистор — это электронное устройство, в некотором смысле противоположное NPN-транзистору.В этом типе конструкции транзистора его PN переходы открываются напряжениями обратной полярности по сравнению с типом NPN. В легенде устройства стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает на внутреннюю часть символа транзистора.

Конструкция устройства

Структурная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока («внутрь» для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики с его биполярным аналогом NPN, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем меняются местами для любой из трех возможных схем переключения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим эмиттером. общий коллектор.

Основные различия между двумя типами биполярных транзисторов

Основное различие между ними состоит в том, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, транзисторы NPN имеют электроны в этой емкости.Следовательно, полярности напряжений, питающих транзистор, меняются, и его входной ток течет из базы. Напротив, в NPN-транзистор течет ток базы, как показано на схеме ниже как для типов с общей базой, так и для типов с общим эмиттером.

Принцип работы транзистора типа PNP основан на использовании небольшого (как у типа NPN) базового тока и отрицательного (в отличие от типа NPN) напряжения смещения базы для создания гораздо более высокого тока эмиттер-коллектор. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа в схеме подключения с общей базой

Действительно, из него видно, что ток коллектора IC (в случае NPN-транзистора) вытекает из положительного полюса батареи. B2 проходит через вывод коллектора, проникает в него и затем должен выйти через вывод основания, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, глядя на схему эмиттера, вы можете увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 попадает в транзистор на выводе базы, а затем проникает в эмиттер.

Таким образом, как ток коллектора I C, так и ток эмиттера I E проходят через выход базы. Поскольку они циркулируют по своим цепям в противоположных направлениях, результирующий базовый ток равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше I E. Но поскольку последний еще больше, направление протекания дифференциального тока ( базовый ток) совпадает с IE, и, следовательно, биполярный транзистор типа PNP имеет ток, текущий из базы, и транзистор типа NPN, втекающий внутрь.

Отличия PNP-типа на примере схемы переключения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер размыкается напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещается в обратном направлении напряжением батареи B2. Таким образом, вывод эмиттера является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера определяется суммой двух токов I C и I B; проходящие по выходу излучателя в одном направлении. Таким образом, имеем I E = I C + I B.

В этой схеме базовый ток I B просто «отводится» от эмиттерного тока I E, также совпадая с ним по направлению. В этом случае транзистор типа PNP все еще имеет ток IB, текущий из базы, и ток типа NPN, протекающий внутрь.

В третьей из известных схем включения транзисторов с общим коллектором ситуация точно так же. Поэтому мы не представляем его для экономии места и времени наших читателей.

Транзистор PNP: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (V BE) подключен отрицательно к базе и положительно к эмиттеру, поскольку транзистор PNP работает с отрицательным смещением базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительное по отношению к коллектору (V CE). Таким образом, в транзисторе типа PNP вывод эмиттера всегда более положительный как по отношению к базе, так и по отношению к коллектору.

Источники напряжения подключены к транзистору PNP, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к питающему напряжению V CC через подтягивающий резистор R L, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор.Напряжение базы V B, которое смещает его в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, прикладывается к нему через резистор R B, который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа каскада транзистора PNP

Итак, чтобы ток базы протекал в транзисторе PNP, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен выходить из базы) примерно на 0,7 В для кремниевого устройства или на 0,3 В. для германиевого прибора. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора, аналогичны формулам, используемым для эквивалентного NPN-транзистора, и представлены ниже.

Мы видим, что принципиальное отличие NPN от PNP транзистора — это правильное смещение pn переходов, так как направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Итак, для приведенной выше схемы: I C = I E — I B, поскольку ток должен течь от базы.

Обычно транзистор PNP можно заменить на транзистор NPN в большинстве электронных схем, разница только в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут использоваться в качестве переключающих устройств, и ниже показан пример переключателя PNP.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики PNP-транзистора очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180 ° с учетом изменения полярности напряжений и токов (базы и коллекторные токи, транзистор PNP — отрицательные). Аналогичным образом, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP, его динамическую линию нагрузки можно построить в третьей четверти декартовой системы координат.

Типичные характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Пары транзисторов в усилительных каскадах

Вам может быть интересно, в чем причина использования транзисторов PNP, когда доступно много транзисторов NPN, которые можно использовать в качестве усилителей или твердотельных переключателей? Однако наличие двух разных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителя мощности. В этих усилителях используются «комплементарные» или «согласованные» пары транзисторов (которые представляют собой один транзистор PNP и один NPN, соединенные вместе, как показано на рисунке ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих транзистора NPN и PNP со схожими характеристиками, идентичные друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (тип NPN) и TIP2955 (тип PNP) являются хорошими примерами дополнительных кремниевых силовых транзисторов. Оба они имеют постоянный коэффициент усиления по току β = I C / I B, согласованный в пределах 10%, и высокий ток коллектора около 15 А, что делает их идеальными для управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов в своих выходных каскадах мощности.В них транзистор NPN проводит только положительную полуволну сигнала, а транзистор PNP — только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю передавать необходимую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и сопротивлении. В результате выходной ток, который обычно составляет порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя дополнительными транзисторами.

Пары транзисторов в цепях управления электродвигателем

Они также используются в схемах управления H-мостом для реверсивных двигателей постоянного тока, которые позволяют равномерно регулировать ток через двигатель в обоих направлениях его вращения.

Схема H-моста названа так, потому что базовая конфигурация ее четырех транзисторных ключей напоминает букву «H» с двигателем на пересечении линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов реверсивной схемы управления двигателем постоянного тока. Он использует «дополнительные» пары транзисторов NPN и PNP в каждой ветви, действуя как переключатели для управления двигателем.

Управляющий вход A позволяет двигателю работать в одном направлении, а вход B используется для обратного вращения.

Например, когда TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), а если TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Следовательно, двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному потенциалу входа B.

Если состояния клавиш изменяются так, что TR1 выключен, TR2 включен, TR3 включен и TR4 выключен, ток двигателя будет течь в обратном направлении, что повлечет за собой его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения двигателя.

Определение типа транзисторов

Любой биполярный транзистор можно представить как состоящий в основном из двух диодов, соединенных друг с другом спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, является ли транзистор PNP или NPN, проверив его сопротивление между его тремя контактами. Проверяя мультиметром каждую пару в обоих направлениях, после шести измерений получаем следующий результат:

1. Излучатель — База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор — База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер — Коллектор. Эти выводы не следует сводить ни в какую сторону.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда можно определить PNP-транзистор как исправный и закрытый.Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) откроют его и позволят протекать гораздо большему току эмиттер-коллектор. Транзисторы PNP проводят с положительным эмиттерным потенциалом. Другими словами, биполярный транзистор PNP будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектора отрицательны по отношению к эмиттеру.

В этой статье мы постараемся описать принцип работы Самый распространенный тип транзистора — биполярный. Транзистор биполярный — один из основных активных элементов электронных устройств.Его цель — усилить мощность электрического сигнала, поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется за счет внешнего источника энергии. Транзистор — это электронный компонент с тремя выводами

Конструктивная особенность транзистора биполярного

Для изготовления биполярного транзистора необходим полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получается диффузией или сплавлением с акцепторными примесями. В результате по обе стороны от основания образуются области с полярным типом проводимости.

Биполярные транзисторы с проводимостью

бывают двух типов: n-p-n и p-n-p. Правила эксплуатации, которым подчиняется биполярный транзистор с n-p-n проводимостью (для p-n-p необходимо менять полярность подаваемого напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе важнее, чем на эмиттере.
2. Любой транзистор имеет свои предельно допустимые параметры Ib, Ic и Uke, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Контакты база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды. Как правило, диод в направлении база — эмиттер открыт, а в направлении база — коллектор смещен в обратном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию через него электрического тока.
4. Если выполнены пункты с 1 по 3, то ток Ik прямо пропорционален току Ib и имеет вид: Ik = he21 * Ib, где he21 — коэффициент усиления по току. Это правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что низкий базовый ток управляет мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии индекс he21 может принципиально отличаться от 50 до 250. Его значение также зависит от протекающего коллекторного тока, напряжения между эмиттером и коллектором, а также от температуры окружающей среды.

Рассмотрим правило №3. Из него следует, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой, не должно значительно увеличиваться, потому что если напряжение базы на 0,6 … 0,8 В больше, чем на эмиттере (прямое напряжение диода) , то появится очень высокий ток.Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе связаны между собой по формуле: Ub = Ue + 0,6V (Ub = Ue + Ube)

Еще раз напомним, что все эти точки относятся к транзисторам с n-p-n проводимостью. Для типа p-n-p все должно быть наоборот.

Также следует обратить внимание на то, что ток коллектора никак не связан с проводимостью диода, так как на диод коллектор-база, как правило, подается обратное напряжение.Кроме того, ток, протекающий через коллектор, очень мало зависит от потенциала на коллекторе (этот диод похож на небольшой источник тока)

При включении транзистора в режиме усиления эмиттерный переход оказывается открытым, а коллекторный — закрытым. Это достигается подключением блоков питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, через него будет протекать ток эмиттера, который возникает из-за перехода дырок от базы к эмиттеру, а также электронов от эмиттера к базе.Таким образом, эмиттерный ток содержит две составляющие — дырочную и электронную. Степень впрыска определяет эффективность эмиттера. Инжекция заряда относится к переносу носителей заряда из зоны, где они были основными, в зону, где они были незначительными.

В базе электроны рекомбинируют, и их концентрация в базе пополняется за счет плюса источника ЭЭ. В результате в электрической цепи базы будет протекать довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под ускоряющим действием поля запертого коллекторного перехода, подобно неосновным носителям, переместятся в коллектор, создавая коллекторный ток.Перенос носителей заряда из области, где они были второстепенными, в область, где они становятся основными, называется извлечением электрических зарядов.

Термин «биполярный транзистор» связан с тем, что в этих транзисторах используются два типа носителей заряда: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов используются те же полупроводниковые материалы, что и для.

В биполярных транзисторах, использующих трехслойную полупроводниковую структуру полупроводников, создаются два p — n перехода с чередующимися типами электропроводности (p — n — p или n — p — n).

Биполярные транзисторы

могут быть конструктивно неупакованными (рис. 1, а) (для использования, например, в составе интегральных схем) и заключенными в типовой корпус (рис. 1, б). Три контакта биполярного транзистора называются базой, коллектором и эмиттером.

Рис. 1. Биполярный транзистор: а) p-n-p-структуры без корпуса, б) n-p-n-структуры в корпусе

.

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения биполярного транзистора: с общей базой (OB), общим коллектором (OK) и общим эмиттером (OE).Рассмотрим работу транзистора в схеме с общей базой (рис. 2).

Рис. 2. Схема биполярного транзистора

Эмиттер вводит (подает) в базу основные носители, в нашем примере для полупроводниковых приборов n-типа это будут электроны. Источники выбираются так, чтобы E2 >> E1. Резистор Re ограничивает ток открытого p — n перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (из-за неосновных носителей заряда), он называется начальным коллекторным током Iк0.Если E1> 0, электроны преодолевают эмиттерный p − n-переход (E1 включен в прямом направлении) и попадают в базовую область.

Основание выполнено с высоким удельным сопротивлением (низкая концентрация примесей), поэтому концентрация дырок в основе мала. Следовательно, несколько электронов, захваченных в базе, рекомбинируют с ее дырками, образуя ток базы Ib. В то же время в коллекторном p — n переходе со стороны E2 действует гораздо более сильное поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор.Таким образом, подавляющее большинство электронов достигает коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи соединены Коэффициент передачи эмиттерного тока

при Uкб = const.

Is всегда ∆ Iк ∆ Ie, а для современных транзисторов a = 0,9 — 0,999.

В рассматриваемой схеме Ik = Ik0 + aIe »Т.е. Следовательно, схема биполярного транзистора с общей базой имеет низкий коэффициент передачи тока. Из-за этого применяется редко, в основном в высокочастотных устройствах, где с точки зрения усиления напряжения предпочтительнее других.

Основная схема переключения биполярного транзистора представляет собой схему с общим эмиттером (рис. 3).

Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Для него можно написать Ib = Ie — Ik = (1 — a) Ie — Ik0.

Учитывая, что 1 — a = 0,001 — 0,1, имеем Ib

Найдите отношение тока коллектора к току базы:

Это отношение называется базовым коэффициентом передачи тока… При a = 0,99 получаем b = 100. Если источник сигнала включен в базовую схему, то тот же сигнал, но усиленный током в b раз, будет течь в цепи коллектора, образуя напряжение на резисторе. Rk намного больше напряжения источника сигнала …

Для оценки работы биполярного транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также для расчета цепи смещения, стабилизации режима, семейств входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ).

Семейство входных ВАХ устанавливают зависимость входного тока (базового или эмиттерного) от входного напряжения Ube при Uk = const, рис. 4, а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода при прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы с общим эмиттером или общей базой), рис.4, корп.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а — вход, б — выход

.

Помимо электрического n — p-перехода, в высокоскоростных цепях широко используется переход на основе контакта металл-полупроводник — барьер Шоттки. При таких переходах не тратится время на накопление и рассеивание зарядов в базе, а производительность транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Рис.5. Транзисторы биполярные

Параметры биполярных транзисторов

Для оценки предельно допустимых режимов работы транзисторов используются основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (для различных транзисторов Uke max = 10 — 2000 В),

2) максимально допустимая мощность рассеивания коллектора Pк max — по нему транзисторы делятся на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3 — 1,5 Вт) и высокой (более 1.5 Вт), транзисторы средней и большой мощности часто оснащаются специальным радиатором — радиатором,

3) максимально допустимый ток коллектора Ik max — до 100 А и более,

4) частота среза передачи тока fgr (частота, при которой h31 становится равной единице), по ней делятся биполярные транзисторы:

• для НЧ — до 3 МГц,

• средние частоты — от 3 до 30 МГц,

• высокочастотный — от 30 до 300 МГц,

• сверхвысокая частота — более 300 МГц.
  

доктор технических наук, профессор Потапов Л.А.

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы переключения биполярных транзисторов и их основные достоинства и недостатки. Давайте начнем!

Эта схема очень хороша при использовании высокочастотных сигналов. В принципе, для этого и используется такое включение транзистора в первую очередь.К очень большим недостаткам можно отнести низкий входной импеданс и, конечно же, отсутствие усиления по току. Убедитесь сами, на входе у нас ток эмиттера, на выходе.

То есть ток эмиттера больше, чем ток коллектора, на небольшую величину тока базы. Это означает, что усиление тока не просто отсутствует, более того, выходной ток немного меньше входного. Хотя, с другой стороны, у этой схемы достаточно большой коэффициент передачи напряжения) Это достоинства и недостатки, продолжим….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Так выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. На что-нибудь похоже?) Если посмотреть на схему немного под другим углом, то мы узнаем здесь нашего старого друга — эмиттерного повторителя. О нем была почти целая статья (), поэтому все, что связано с этой схемой, мы там уже рассмотрели. А пока нас ждет самая распространенная схема — с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема приобрела популярность благодаря своим усилительным свойствам. Из всех схем он дает наибольший коэффициент усиления по току и напряжению соответственно, увеличение сигнала по мощности также велико. Недостатком этой схемы является то, что на характеристики усиления сильно влияет повышение температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами мы ознакомились, теперь давайте подробнее рассмотрим последнюю (но не менее важную) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером).Для начала изобразим его немного иначе:

Здесь есть один недостаток — эмиттер заземлен. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в схеме эмиттера нет ничего «лишнего», все входное напряжение приложено именно к переходу база-эмиттер. Чтобы разобраться с этим явлением, давайте добавим резистор в цепь эмиттера.Таким образом, получаем отрицательных отзыва.

Что это?

Короче говоря, принцип отрицательной обратной связи th соединений состоит в том, что некоторая часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к снижению коэффициента усиления, так как на вход транзистора будет подаваться меньшее значение напряжения из-за влияния обратной связи, чем при ее отсутствии.

Тем не менее, отрицательный отзыв нам очень идет на пользу.Посмотрим, как это поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение база-эмиттер.

Итак, предположим, что нет обратной связи, увеличение входного сигнала на 0,5 В приводит к тому же увеличению. Здесь все понятно 😉 А теперь добавляем отзыв! И таким же образом увеличиваем напряжение на входе на 0,5 В. Далее оно увеличивается, что приводит к увеличению тока эмиттера. А увеличение приводит к увеличению напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, а в чем дело? Но это напряжение вычитается из входного! Посмотрите, что произошло:

Увеличилось напряжение на входе — увеличился ток эмиттера — увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи — уменьшилось входное напряжение (за счет вычитания) — напряжение уменьшилось.

То есть отрицательная обратная связь предотвращает изменение напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В результате наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Еще одна проблема с нашим усилителем. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, транзистор сразу закроется (напряжение базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), а на выходе ничего не будет.Это как-то не очень хорошо) Поэтому надо создать смещение … Это можно сделать с помощью делителя так:

Получилась такая красота 😉 Если резисторы равны, то напряжение на каждом из них будет 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе базовый потенциал будет + 6В. Если на вход поступает отрицательное значение, например -4В, то потенциал базы будет + 2В, то есть значение положительное и не мешает нормальной работе транзистора.Вот насколько это полезно для создания смещения в базовой цепочке)

Как еще улучшить нашу схему …

Сообщите нам, какой сигнал мы будем усиливать, то есть мы знаем его параметры, в частности частоту. Было бы здорово, если бы на входе не было ничего кроме полезного усиленного сигнала. Как этого добиться? Конечно, используя фильтр верхних частот) Добавьте конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует фильтр верхних частот:

Так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, зарастала дополнительными элементами 😉 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярный транзистор.В нем мы не только составим схему усилителя , но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорого! =)

Как использовать транзистор в качестве переключателя с примерами схем

Транзистор — это электронный компонент, который также используется в качестве цифрового переключателя. Хотя работает он так же, как простой механический переключатель. Но цифровой сигнал с высокой логикой управляет этим переключателем по сравнению с традиционными кнопками.Мы управляем традиционными переключателями вручную, применяя механическую силу.

Введение в транзистор

Мы разрабатываем этот цифровой переключатель, соединяя друг с другом полупроводниковые материалы P-типа и N-типа. Когда мы комбинируем полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом, между ними образуется переход. Этот переход также известен как PN-переход или транзистор. Этот PN-переход контролирует поток тока через соединение. Но этот переход разрывается из-за подачи правильного напряжения смещения на контакты транзистора.

Транзисторы бывают двух типов, таких как NPN и PNP. Это трехконтактное устройство. Это следующие клеммы:

• База (при использовании в качестве переключателя мы применяем управляющую логику к этой клемме)
• Коллектор
• Излучатель

Когда мы прикладываем напряжение смещения к клемме базы, PN-переход выходит из строя. После этого ток может течь между выводами коллектора и эмиттера. В противном случае прямой ток не может протекать через устройство.

вы можете проверить эти практические транзисторы: 2N2222, MPSA42, 2N3906

Использование транзистора в качестве переключателя

Теперь мы узнаем:

• Как использовать транзистор в качестве переключателя в электронных схемах
• как использовать его в качестве переключателя переключатель в микроконтроллерных проектах.

Где использовать?

В любом приложении нам нужно связать транзистор с микроконтроллером . Но вопрос, который может возникнуть у вас, зачем нам нужно сопрягать транзистор с микроконтроллером? Поскольку выводы микроконтроллера не могут обеспечивать выходной ток более 3 мА и напряжение более 5 В. Если мы хотим подключить нагрузку, требующую более высокого рабочего тока, более 3 мА, микроконтроллер сгорит. Многим выходным устройствам потребуется схема переключения транзисторов для работы с нагрузкой с высокими требованиями к току, такой как реле, соленоиды и двигатели.

Как им пользоваться?

На этой диаграмме показаны три рабочие области транзистора, такие как область насыщения, активная область и область отсечки. В области насыщения он остается полностью включенным. В отрезанной области он остается полностью отключенным. Для переключения нам нужно, чтобы это устройство работало либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. Следовательно, мы можем игнорировать точку Q и переключать ее между областями насыщения и среза.

Как работают транзисторы в качестве переключателя?

Как мы видели ранее, мы можем использовать только два региона.Теперь посмотрим, как транзистор работает в этих областях.

Область отключения также известна как режим полного выключения. В этом режиме он действует как разомкнутый переключатель. Чтобы устройство работало в отключенном режиме, необходимо подключить к обоим переходам напряжение обратного смещения. Следовательно, в этом рабочем состоянии ток не может течь между выводом коллектора и эмиттера из-за разрыва цепи между этими выводами.

В области насыщения транзистор остается в полностью открытом режиме. Максимальный ток, который может протекать через коллектор к эмиттеру, зависит от номинальной емкости транзистора.Мы обеспечиваем прямое смещение напряжения между базой и выводом эмиттера. Это работает как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Напряжение смещения обычно превышает 0,7 В.

Пример цифровых логических переключателей

Это устройство на основе PN-перехода имеет множество применений, таких как интерфейс с сильноточной нагрузкой, интерфейс реле и взаимодействие двигателей через микроконтроллеры. Но во всех этих приложениях основная цель — переключение.

На этой схеме приведен пример управления мощными нагрузками, такими как двигатели, лампы и обогреватель.

• В этой схеме мы хотим управлять нагрузкой 12 В с цифрового логического логического элемента И. Но выход логического элемента И составляет всего 5 вольт
• Используя транзистор в качестве переключателя, мы можем управлять нагрузкой 12 В или даже высоким напряжением с помощью цифрового логического сигнала 5 вольт
• Мы также можем использовать эти устройства для более быстрого переключения и Управление широтно-импульсной модуляцией в отличие от традиционных механических переключателей

Пример управления двигателем

В этом примере мы используем управление двигателем постоянного тока с помощью переключателя.Полупроводниковый прибор действует как переключатель. На этой схеме мы можем предоставить управляющий сигнал с любого микроконтроллера, такого как Arduino, платы разработки STM32F4.

Резистор с выводом базы является токоограничивающим резистором. Поскольку контакты GPIO любого микроконтроллера могут обеспечивать базовый управляющий ток менее 20 мА. Кроме того, D1 — это диод свободного хода, который контролирует обратную ЭДС двигателя. Обходит эффект обратной ЭДС. Мы можем использовать любой транзистор в зависимости от номинальной мощности двигателя.

В заключение, если управляющий сигнал на базовом входе равен 0 вольт. Он подаст сигнал ВКЛ. Потому что мы используем переключатель PNP в этой примерной схеме. Точно так же он останется выключенным, его управляющий сигнал будет ВЫСОКИЙ.

Транзистор как переключатель с Arduino Пример

На этой схеме показано взаимодействие Arduino с NPN-транзистором и двигателем. Эта схема предназначена только для демонстрационных целей. Потому что мы обеспечиваем питание нагрузки через блок питания Arduino. В этом примере мы можем управлять только 5-вольтовым двигателем постоянного тока.Если вам нужно управлять двигателем большой мощности, следует использовать специальный силовой транзистор и отдельный блок питания.

Транзистор как переключатель Пример моделирования Proteus

Этот пример является точной копией предыдущей схемы. Но вместо него используется транзистор NPN. Следовательно, управляющие сигналы будут действовать наоборот.

Транзистор в качестве переключателя Примеры

В этом разделе мы увидим различные примеры использования транзистора в качестве переключателя.

Два транзистора в качестве переключателя. Пример

В этой схеме два транзистора.В первом транзисторе база заземлена, и ток в нее не может течь. В результате транзистор «выключен», и ток не может течь через лампочку. В другом случае ток течет в базу, поэтому транзистор включен, и через него может протекать ток, в результате чего загорается лампочка.

В этом примере два резистора установлены так, что база транзистора находится под достаточно высоким напряжением, чтобы ток мог течь в нее, и, как следствие, транзистор включен.В результате ток проходит через лампочку, которая излучает свет.

Управление током базы транзистора с помощью потенциометра

В этом случае ток, текущий в базу, можно изменять. Если ток большой, транзистор включен и лампочка горит. Если стрелка на потенциометре перемещается вниз, ток в базе падает до тех пор, пока транзистор не выключится и ток через лампочку не перестанет течь.

Управляющее реле с транзистором в качестве переключателя

В этом примере принцип тот же, что и в предыдущем примере схемы, за исключением того, что вместо включения и выключения лампочки активируется катушка реле, которая, в свою очередь, включает свет лампочки во вторичной цепи.

Управление работой транзисторного переключателя с помощью конденсатора

В этой примерной схеме используется конденсатор для управления током, протекающим к клемме базы транзистора. Первоначально конденсатор заряжается через резистор над ним. В конце концов верхняя пластина конденсатора достигает такого потенциала, что ток начинает течь в базу транзистора, включая транзистор и заставляя лампочку светиться.

Следует также отметить, что лампа остается выключенной, пока внутри конденсатора не накопится достаточно заряда, который может обеспечить ток включения на вывод базы транзистора.

В этой примерной схеме конденсатор заряжается до тех пор, пока его нижняя пластина не будет иметь такой низкий потенциал, что ток не может протекать через базу транзистора. В результате транзистор сначала включен, но через некоторое время отключается. В этой и последней схемах присутствует эффект синхронизации. По прошествии определенного периода времени, который можно определить выбором резистора и конденсатора, транзистор либо включается, либо выключается.

Эта примерная схема транзистора в качестве переключателя аналогична схеме из последнего примера, за исключением того, что, изменяя значение переменного резистора, можно изменять время, которое проходит до включения транзистора.

Видеолекция

В приведенной выше схеме логический пробник используется в качестве входа от микроконтроллера, а диод D1 используется в качестве свободно вращающегося диода, чтобы позволить току течь, когда устройство находится в выключенном состоянии. Помните, что мы использовали 3904 только для демонстрации. При выборе транзисторов следует учитывать максимальный ток, который может протекать через транзистор во включенном состоянии. Вход микроконтроллера используется только для управления транзистором во включенном или выключенном состоянии, как показано на рисунке ниже.

Обратите внимание, что обычно к выходному устройству подключают диод подавления обратной ЭДС. Это важно для таких устройств, как реле, соленоиды и двигатели, которые создают обратную ЭДС при отключении питания.

На практике мы использовали в основном реле для сильноточных нагрузок. В этом случае транзистор, используемый для управления реле и нагрузкой, соединен с реле.

Транзистор в качестве переключателя Приложения

• Contol высоковольтные лампы, двигатели и нагреватели
• Высокочастотное переключение с широтно-импульсной модуляцией
• Действует как усилитель

Статьи по теме:

Как использовать транзисторы — проекты самодельных схем

Если вы правильно поняли, как использовать транзисторы в схемах, возможно, вы уже покорили половину электроники и ее принципов.В этом посте мы делаем попытку в этом направлении.

Введение

Транзисторы представляют собой полупроводниковые устройства с 3 выводами, которые способны проводить относительно высокую мощность через свои два вывода в ответ на значительно низкую мощность, потребляемую на третьем выводе.

Транзисторы в основном бывают двух типов: биполярный транзистор (BJT) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)

Для BJT 3 клеммы обозначаются как база, эмиттер, коллектор. .Сигнал малой мощности на выводе база / эмиттер позволяет транзистору переключать нагрузку сравнительно высокой мощности на выводе коллектора.

Для полевых МОП-транзисторов они обозначаются как затвор, источник, сток. Сигнал малой мощности на выводе затвор / исток позволяет транзистору переключать нагрузку сравнительно высокой мощности через вывод коллектора.

Для простоты мы обсудим здесь BJT, поскольку их характеристика менее сложна по сравнению с MOSFET.

Транзисторы (BJT) являются строительными блоками всех полупроводниковых устройств, используемых сегодня.Если бы не было транзисторов, не было бы никаких микросхем или любого другого полупроводникового компонента. Даже ИС состоят из тысяч тесно связанных транзисторов, которые составляют особенности конкретного чипа.

Начинающим любителям электроники обычно трудно обращаться с этими полезными компонентами и настраивать их как схемы для предполагаемого применения.

Здесь мы изучим функции и способы использования и внедрения биполярных транзисторов в практические схемы.

Как использовать транзисторы, такие как Switch

Биполярные транзисторы, как правило, представляют собой трехпроводной активный электронный компонент, который в основном работает как переключатель для включения или выключения питания внешней нагрузки или связанного электронного каскада схемы.

Ниже приведен классический пример, в котором транзистор подключен как усилитель с общим эмиттером:

Это стандартный метод использования любого транзистора в качестве переключателя для управления заданной нагрузкой. Вы можете видеть, когда к базе подается небольшое внешнее напряжение, транзистор включается и проводит более сильный ток через выводы эмиттера коллектора, включая большую нагрузку.

Значение базового резистора можно рассчитать по формуле:

R _b = (Базовое питание V _b — прямое напряжение база-эмиттер) x hFE / ток нагрузки

Также помните, что отрицательный или отрицательный линия заземления внешнего напряжения должна быть соединена с линией заземления транзистора или эмиттером, иначе внешнее напряжение не будет влиять на транзистор.

Использование транзистора в качестве драйвера реле

В одном из своих предыдущих постов я уже объяснял, как сделать схему драйвера транзистора.

В основном используется та же конфигурация, что и показанная выше. Вот стандартная схема для того же:

Если вы не уверены в реле, вы можете обратиться к этой всеобъемлющей статье, которая объясняет все о конфигурациях реле.

Использование транзистора в светорегулятор

Следующая конфигурация показывает, как транзистор может использоваться в качестве светорегулятора с использованием схемы эмиттерного повторителя.

Вы можете видеть, как изменяется переменный резистор или горшок, интенсивность лампы также меняется. Мы называем это эмиттерным повторителем, потому что напряжение на эмиттере или на лампе следует за напряжением на базе транзистора.

Если быть точным, то напряжение на эмиттере будет всего на 0,7 В ниже напряжения базы. Например, если базовое напряжение 6 В, эмиттер будет 6 — 0,7 = 5,3 В и так далее. Разница 0,7 В обусловлена ​​минимальным падением прямого напряжения транзистора на базе эмиттера.

Здесь сопротивление потенциометра вместе с резистором 1 кОм образует резистивный делитель на базе транзистора. При перемещении ползунка потенциометра изменяется напряжение на базе транзистора, что, соответственно, изменяет напряжение эмиттера на лампе, и соответственно изменяется интенсивность лампы.

Использование транзистора в качестве датчика

Из приведенных выше обсуждений вы могли заметить, что транзистор выполняет одну важную функцию во всех приложениях.Он в основном усиливает напряжение на своей базе, позволяя переключать большой ток через его коллектор-эмиттер.

Эта функция усиления также используется, когда в качестве датчика используется транзистор. В следующем примере показано, как его можно использовать для определения разницы в окружающем освещении и соответствующего включения / выключения реле.

Здесь также LDR и предустановка 300 Ом / 5 кОм образуют делитель потенциала на базе транзистора.

На самом деле 300 Ом не требуется.Он включен, чтобы гарантировать, что база транзистора никогда не будет полностью заземлена, и, таким образом, она никогда не будет полностью отключена или отключена. Это также гарантирует, что ток через LDR никогда не может превысить определенный минимальный предел, независимо от того, насколько яркой является интенсивность света на LDR.

В темноте LDR имеет высокое сопротивление, которое во много раз превышает комбинированное значение 300 Ом и предустановки 5 К.

Из-за этого база транзистора получает большее напряжение со стороны земли (отрицательное), чем положительное, и его проводимость коллектор / эмиттер остается выключенной.

Однако, когда на LDR попадает достаточно света, его сопротивление падает до нескольких килоомов.

Это позволяет базовому напряжению транзистора значительно превышать отметку 0,7 В. Теперь транзистор смещается и включает коллекторную нагрузку, то есть реле.

Как вы можете видеть, в этом приложении транзисторы в основном усиливают крошечное базовое напряжение, так что большая нагрузка на его коллекторе может быть включена.

LDR можно заменить другими датчиками, такими как термистор для измерения тепла, датчик воды для измерения воды, фотодиод для измерения ИК-луча и т. Д.

Вопрос к вам: Что произойдет, если поменять местами положение LDR и предустановки 300/5 K?

Пакеты транзисторов

Транзисторы обычно распознаются по внешнему корпусу, в который может быть встроено конкретное устройство. Наиболее распространенными типами корпусов, в которые помещаются эти полезные устройства, являются Т0-92, ТО-126, ТО-220 и ТО-3. Мы постараемся разобраться во всех этих характеристиках транзисторов, а также научимся использовать их в практических схемах.

Понимание транзисторов TO-92 с малым сигналом:

Транзисторы, такие как BC547, BC557, BC546, BC548, BC549 и т. Д., Попадают в эту категорию.

Это самые простые устройства в группе, которые используются в приложениях с низкими напряжениями и токами. Интересно, что эта категория транзисторов наиболее широко и повсеместно используется в электронных схемах из-за их универсальных параметров.

Обычно эти устройства рассчитаны на работу с напряжением от 30 до 60 вольт на коллекторе и эмиттере.

Базовое напряжение не более 6, но они могут легко срабатывать при уровне напряжения всего 0,7 В на их базе. Однако ток должен быть ограничен примерно до 3 мА.

Три вывода транзистора TO-92 могут быть идентифицированы следующим образом:

Если держать печатную сторону к нам, правый вывод — это эмиттер, центральный вывод — основание, а левая ножка — коллектор устройства.

---

ОБНОВЛЕНИЕ: Хотите знать, как использовать транзисторы с Arduino? Прочтите здесь

---

Как сконфигурировать транзистор TO-92 в практическую плоскость

Транзисторы в основном бывают двух типов: NPN-типа и PNP-типа, оба дополняют друг друга.В основном они оба ведут себя одинаково, но в противоположных направлениях и направлениях.

Например, устройству NPN потребуется положительный триггер по отношению к земле, в то время как устройству PNP потребуется отрицательный триггер по отношению к положительной линии питания для достижения указанных результатов.

Трем выводам описанного выше транзистора необходимо назначить определенные входы и выходы, чтобы заставить его работать для конкретного приложения, которое, очевидно, предназначено для переключения параметра.

Выводам необходимо назначить следующие входные и выходные параметры:

Эмиттер любого транзистора является эталонной распиновкой устройства , то есть ему необходимо назначить указанное общее опорное напряжение питания, чтобы оставшиеся два вывода могу действовать применительно к нему.

NPN-транзистору всегда потребуется отрицательный источник питания в качестве опорного, подключенный к его эмиттерному выводу для правильного функционирования, в то время как для PNP это будет положительная линия питания для его эмиттера.

Коллектор — это провод, несущий нагрузку транзистора, а нагрузка, которую необходимо переключить, вводится на коллекторе транзистора (см. Рисунок).

База транзистора — это триггерный вывод, к которому требуется приложить небольшой уровень напряжения, чтобы ток через нагрузку мог проходить через линию эмиттера, замыкая схему и управляя нагрузкой.

Удаление источника питания триггера на базу немедленно отключает нагрузку или просто ток через клеммы коллектора и эмиттера.

Общие сведения о силовых транзисторах TO-126, TO-220:

Это силовые транзисторы среднего типа, используемые для приложений, требующих переключения мощных относительно мощных нагрузок, таких как трансформаторы, лампы и т. Д., А также для управления устройствами TO-3, например BD139, BD140, BD135 и т.п. левая сторона является основанием.

Функционирование и принцип срабатывания точно такие же, как описано в предыдущем разделе.

Устройство работает с нагрузкой от 100 мА до 2 А через коллектор до эмиттера.

Базовый триггер может иметь напряжение от 1 до 5 В с токами, не превышающими 50 мА, в зависимости от мощности переключаемых нагрузок.

Общие сведения о силовых транзисторах TO-3:

Их можно увидеть в металлических корпусах, как показано на рисунке.Типичными примерами силовых транзисторов TO-3 являются 2N3055, AD149, BU205 и т. Д.

Выводы корпуса TO-3 можно идентифицировать следующим образом:

Удерживая выводную сторону устройства к себе так, чтобы металлическая часть рядом с выводами, имеющими большую площадь, удерживается вверх (см. рисунок), правый вывод является основанием, левый вывод является эмиттером, а металлический корпус устройства образует коллектор корпуса.

Функция и принцип работы примерно такие же, как описано для малосигнального транзистора, однако характеристики мощности увеличиваются пропорционально, как указано ниже:

Напряжение коллектор-эмиттер может быть от 30 до 400 вольт, а ток — от 10 до 30 ампер. .

Базовый триггер должен быть оптимально около 5 В с уровнями тока от 10 до 50 мА в зависимости от величины срабатывающей нагрузки. Базовый ток срабатывания прямо пропорционален току нагрузки.

У вас есть более конкретные вопросы? Пожалуйста, задавайте их через свои комментарии, я здесь, чтобы решить их все за вас.

4 лучших транзистора, которые нужно держать в комплекте деталей

Если вашему проекту нужен транзистор, есть масса вариантов. Что заставляет ответить на вопрос «Какой транзистор мне использовать или купить?» непростая задача.Не бойтесь, прежде чем разбираться со спецификациями за спецификациями, рассмотрите один из этих четырех транзисторов общего назначения. В ящике с инструментами каждого инженера-электронщика должно быть несколько таких инструментов.

Транзисторы

— один из самых универсальных дискретных компонентов в электронике. В цифровых схемах они включаются и выключаются, а в аналоговых схемах они используются для усиления сигналов. В большинстве проектов они используются для включения нагрузки, которая приведет к отключению контакта ввода-вывода микроконтроллера или микропроцессора. Для большинства схем можно использовать либо BJT, либо MOSFET, в зависимости от тока нагрузки, который необходимо переключить.

[Edit Note] Jan (комментарий ниже) указывает, что есть европейские эквиваленты, которые могут быть более доступны для тех, кто находится в этой части мира. Для NPN проверьте BC547, для PNP — BC557.

Вот еще несколько подробностей по каждому из них.

Лучшие транзисторы: БЮЦ

Биполярные транзисторы

поставляются в небольших корпусах, могут управляться напрямую с помощью выводов ввода-вывода и стоят ОЧЕНЬ дешево. Есть два варианта: NPN и PNP. Эти маленькие ребята — рабочие лошадки для большинства схем управления для приложений с малым током.В 3-контактном корпусе в стиле TO-92 вы обычно найдете детали со сквозным отверстием.

# 1 NPN — 2N3904

Чаще всего транзисторы NPN можно встретить в схемах переключателей низкого уровня. Эта конфигурация означает, что все, что вы хотите контролировать, подключено между «высоким» напряжением и коллектором транзистора. Прочтите этот пост для получения дополнительной информации о переключателях низкого и высокого уровня.

Обычно я использую транзистор 2N3904. Вы можете легко переключать большие нагрузки, например, более 12 вольт, с максимальным номиналом этого транзистора в 40 вольт.Его номинальный ток составляет всего 200 мА, но этого достаточно для большинства реле.

2N3904 от Mouser

№ 2 ПНП — 2Н3906

Для цепей переключателя верхнего плеча необходим BJT типа PNP. В цепи высокого напряжения нагрузка находится между коллектором транзистора и землей цепи. Его эмиттер подключается к «высокому напряжению». Поскольку я рекомендовал 2N3904 для NPN, я предлагаю его дополнение: 2n3906. Как и NPN, он имеет такое же максимальное напряжение и ток: 40 В и 200 мА.Прочтите этот пост для получения дополнительной информации о переключателях низкого и высокого уровня.

2N3906 от Mouser

# 3 Питание — TIP120

Одним из преимуществ BJT является то, что они легко управляются от вывода ввода-вывода Arduino или Raspberry Pi. Когда они сконфигурированы как «пара Дарлингтона», они могут обеспечивать значительно более высокие токи, чем одиночные транзисторы. TIP120 — это пара Дарлингтона, которая может выдерживать до 5 ампер в корпусе TO-220. Иногда можно увидеть тот же корпус, который используется для линейных регуляторов LM7805.Если вы хотите получить такой большой ток, не забудьте радиатор!

TIP120 от Mouser

Лучшие транзисторы: МОП-транзисторы

Когда вам нужно управлять током в много ампер, полевые МОП-транзисторы — это просто фантастика. Однако большинство из них не работают на «логических уровнях», то есть им обычно требуется от 10 до 15 вольт для их правильного включения. Такое высокое напряжение трудно достичь 5-вольтовому контакту ввода-вывода Arduino, не говоря уже о Beaglebone или Raspberry Pi.

Если вы новичок в MOSFET, ознакомьтесь с моим видеоуроком по MOSFET (прокрутите вниз) и этой статьей о развенчании мифов о MOSFET.

# 4 N-канал (логический уровень) — FQP30N06L

Эти транзисторы «рабочая лошадка» имеют максимальное значение 60 В и 30 А. Не в миллиамперах. Амперы! (Хотя вам понадобится радиатор!) Они стоят почти в 2 раза больше, чем стоит TIP120, но они обеспечивают намного больший ток. Лучшая часть? Имея Vgs-threshold, совместимый с «логическим уровнем», Arduino может легко управлять ими с помощью своего выходного вывода 5,0 В. Благодаря этим свойствам я держу под рукой стопку FQP30N06.

FQP30N06L от Mouser

FPQ30N06L с Amazon

Заключение

Эти четыре транзистора общего назначения предназначены для широкого диапазона применений.Наличие пары каждого из них в коробке пригодится практически для любого проекта. Оставьте комментарий ниже, какие транзисторы вы держите под рукой.

Обновление : я добавил небольшую заметку о европейских альтернативах для NPN и PNP BJT.

5. БЮТ-транзисторы — документация elec2210 1.0

5.1. Цели

Этот эксперимент разработан для ознакомления с реальными характеристиками транзисторов с биполярным переходом (BJT) и некоторыми из их приложений.В частности,

1. Мы будем измерять принудительный базовый ток и вынужденное напряжение база-эмиттер Характеристики IC-VCE

2. Мы построим схему инвертора на биполярном транзисторе, чтобы лучше понять концепции насыщения по напряжению и току

3. Мы научимся использовать биполярный транзистор для включения большого тока с малым напряжением или током

4. Мы узнаем, как выполнять измерения кривой передачи напряжения (VTC), что является важным методом для проектирования широкого спектра аналоговых и цифровых схем, включая усилители и логические вентили

5. Мы получим больше опыта с макетной системой ELVIS II +

6. Мы продолжим развивать профессиональные лабораторные навыки и навыки письменного общения

5.4. Введение

Подробное описание BJT можно найти в главе 5 учебника ELEC 2210, Microelectronics Circuit Design by R.C. Jaeger.

Аббревиатура BJT расшифровывается как Bipolar Junction Transistor. BJT можно рассматривать как устройство, контролирующее выходной ток, ток коллектора, как правило, с входным током или напряжением. Приведенные здесь эксперименты призваны помочь вам понять фундаментальные вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзисторов в реальных условиях, а также ключевые концепции использования биполярных транзисторов в усилителях и переключателях.

Мы будем использовать 2N3904, npn BJT общего назначения с максимальным рабочим током 200 мА и максимальной рассеиваемой мощностью 625 мВт.

Клеммы C, B и E показаны на рисунке 1.

Рисунок 1: Клеммы BJT.

Выходные характеристики BJT с Fo = 25 и VA = 8 показаны на рисунке 2.

Рисунок 2: Выходные характеристики NPN.

Для каждой кривой передняя активная область — это область справа от колена, т.е.е., почти плоская часть. Область слева от колена — это область насыщения. Для коммутационных приложений BJT больше всего похож на замкнутый переключатель, когда он находится в области насыщения, где VCE невелик. Это больше всего похоже на разомкнутый переключатель, когда он находится в отключенном состоянии с iC = 0.

BJT часто используется в качестве переключателя с регулируемым током, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: NPN, используемый в качестве переключателя.

Для большинства коммутационных приложений BJT работает в области насыщения, когда он проводит ток.В этой области падение напряжения на выводах коллектор-эмиттер BJT невелико. Величина тока нагрузки в этом случае определяется значением VCC и характеристиками нагрузки и практически не зависит от входного тока или характеристик BJT.

5,6. Лабораторное упражнение

Состоит из четырех частей. Перед тем, как переходить к следующей, попросите вашу GTA подписаться на каждой части.

5.6.1. Выходные характеристики принудительного IB

1. Включите базу ELVIS и питание макетной платы.

2. Откройте панель запуска инструментов ELVIS через Пуск> Программы> National Instruments> NI

   ELVISmx для NI ELVIS и NI myDAQ> NI ELVISmx Instrument Launcher

   Рисунок 6: Расположение пусковой установки.

3. Откройте мягкую переднюю панель 3-проводного анализатора напряжения.

4. Тщательно измерьте выходные характеристики принудительного IB транзистора 2N3904 NPN следующим образом.Установите шаг Vc на 0,05 В и установите количество кривых на 5, как показано на рисунке 7. Подключите коллектор к клемме DUT + (контакт 29 на нижней левой клеммной колодке), подключите эмиттер к клемме DUT- и подключите база к клемме BASE, показанная на рисунке 7. Если смотреть на плоскую сторону транзистора, можно увидеть, что выводы эмиттера, базы и коллектора слева направо, как показано на рисунке 1.

   Рисунок 7: Настройки измерителя кривой для 2N3904 bjt.

   Рисунок 8: Расположение клемм 3-проводного анализатора.

5. Нажмите «Выполнить». Трассировщик кривой должен медленно рисовать график.

6. Щелкните журнал, чтобы сохранить данные для последующего анализа. Также сохраните снимок экрана. Используя Excel или Matlab, постройте график как функцию VCE для IB = 30 мкА. Определите область насыщения и переместите активные области на свой снимок экрана.

5.6.2. Характеристики принудительного вывода VBE

Теперь мы измерим, как IC изменяется с VCE для принудительных напряжений база-эмиттер.Аналоговые выходы будут использоваться для установки напряжения базы и коллектора, а ток коллектора измеряется мультиметром ELVIS. Поскольку аналоговые выходы имеют очень малую допустимую нагрузку по току, будут использоваться два неинвертирующих ОУ с единичным усилением.

1. Создайте схему, показанную на рисунке 9. Требуется только один операционный усилитель RC4558; на каждой микросхеме по два усилителя. Подключите неинвертирующие входы к аналоговым выходам ELVIS (контакты 31 и 32), как показано.

   Рисунок 9: Схема для измерения характеристик принудительного Vbe.

   На рис. 10 показан контур операционного усилителя 4558 с помеченными контактами.

   Рисунок 10: Распиновка 4558.

2. Загрузите программу LabVIEW здесь .

3. Используйте следующие настройки, как показано на рисунке 11.

   Рисунок 11: Настройки измерителя кривой для 2N3904 bjt.

4. Сохраните снимок экрана и определите области прямой активности и насыщения.

5.6.3. Характеристики переключения транзисторов NPN

Широко используемый метод для понимания работы схемы — это развертка входного или источника напряжения, и наблюдайте, как реагирует интересующее выходное напряжение. При моделировании схемы это делается с помощью развертки постоянного напряжения. анализ. Результатом является кривая передачи напряжения (VTC). VTC полезны при анализе широкого спектра аналоговых и цифровых схем.

Здесь мы будем использовать аналоговый выход AO0 для обеспечения программируемого входного напряжения, и использовать AI0 для экспериментального измерения выходного напряжения схемы переключения транзистора NPN.Схема здесь, по сути, представляет собой инвертор BJT, который также может использоваться как усилитель. когда точка смещения установлена ​​в область, где выходное напряжение изменяется быстрее всего с входным напряжением.

1. Постройте цепь, показанную на рисунке 12. Клемма + 5V — это нижний контакт на нижней левой клеммной колодке.

   Рис. 12. Схема переключения транзистора NPN.

2. Подключите AO0 к входу, AI0 + к коллектору, который является выходом, а AI0- к земле.

3. Загрузите программу LabVIEW здесь .

4. Измените количество шагов на 60 или 100. Нажмите «Выполнить». Вы должны увидеть график, подобный изображенному на рисунке 13. Сохраните снимок экрана.

   Рисунок 13: Схема переключения BJT VTC.

5. Подключите AI0 + и AI0- через резистор нагрузки коллектора. Повторно запустите программу. Сохраните снимок экрана. Щелкните правой кнопкой мыши график и экспортируйте данные для последующего анализа.

6. Подключите AI0 + и AI0- через резистор последовательно с базой. Повторно запустите программу и сохраните снимок экрана. Эти данные можно использовать позже для расчета базового тока.

7. Подключите AI0 + и AI0- к базе и эмиттеру. Повторно запустите программу и сохраните снимок экрана.

При необходимости можно изменить шаг развертки.

Что делать в лабораторном отчете?

Обсудите, при каком Vin выходное напряжение начинает заметно падать? Как это сравнить с 0.7V, напряжение включения Si PN перехода? Напомним, что переход база-эмиттер по сути является PN-переходом, только ток электронов переносится на коллектор.

Определите 3 отдельные области работы (отсечка, прямая активная, обратная активная или насыщенная) на кривой Vout-Vin.

График IC и IB в зависимости от Vin. Объясните, как соотношение IC / IB изменяется в зависимости от Vin.

5.6.4. Транзистор как переключатель

Здесь мы используем транзистор в качестве переключателя для включения и выключения нагрузки, которая может быть светодиодом, вентилятором или динамиком.Низкое входное напряжение или ток отключает ток коллектора. Транзистор включается при высоком входном напряжении или базовом токе. Способность транзистора усиливать естественный ток позволяет нам включать и выключать гораздо больший ток, используя источник, который имеет ограниченные возможности управления током, например выход цифрового чипа. Здесь мы имитируем вывод цифрового чипа с помощью цифрового записывающего устройства.

Транзисторы

можно использовать в качестве переключателей, когда мы хотим подключить нагрузку к интегральной схеме, которую микросхема не может управлять.Здесь транзистор используется как электронное реле. Другой способ представить это — то, что транзистор используется для усиления ограниченного выходного тока микросхемы для питания гораздо большей нагрузки. В этой лабораторной работе для управления вентилятором будет использоваться транзистор NPN. Сам транзистор будет управляться цифровым записывающим устройством ELVIS, которое обычно не может питать вентилятор.

1. Постройте схему, показанную на рисунке 14. Контакты цифровых входов / выходов находятся на верхней правой клеммной колодке. Используйте DIO 0 (контакт 1).Чтобы использовать мультиметр для измерения тока, необходимо использовать разъемы COM и A, а не разъем V -> | -, который использовался ранее. Также учтите, что амперметр необходимо подключать последовательно со схемой.

   Рисунок 14: Схема подключения для демонстрации BJT в качестве переключателя.

2. Откройте цифровой мультиметр, выберите DC Current и нажмите Run, как показано на рисунке 15.

   Рисунок 15: Цифровой мультиметр.

3. Откройте Digital Writer, нажмите «Выполнить» и переключите младший значащий бит (правый переключатель).

   Рисунок 16: Устройство цифровой записи.

4. Измерьте и запишите в таблицу значения VCE, VBE, VBC, IB и IC, когда светодиод включен и когда он выключен. Чтобы определить IB, измерьте падение напряжения на RB с помощью цифрового мультиметра Fluke или ELVIS и используйте закон Ома для расчета тока базы. Если используется бортовой вольтметр, необходимо отключить измеритель тока от коллектора. Можете ли вы подтвердить, что BJT находится в режиме насыщения, когда светодиод включен, и в режиме отсечки, когда светодиод выключен? (Подсказка: при насыщении оба перехода должны быть смещены вперед.В отсечке оба перехода должны иметь обратное смещение.