Схемы включения биполярный транзистор: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Содержание

Схема подключения транзистора для чайников

Кремниевые транзисторы в свое время полностью вытеснили лампы. Когда же появились интегральные схемы, где транзисторов иногда насчитывалось до миллиарда штук, эти радиоэлементы стали незаменимы. В этом материале будет рассказано, как подключить биполярный транзистор и какие схемы включения транзисторов для чайников существуют.

Что это такое

Транзистор — это особый элемент электроцепи полупроводникового типа, который служит для изменения основных электрических параметров электротока и для регулирования этих параметров. В стандартном полупроводниковом триоде есть всего 3 вывода: коллектор, инжектор зарядов и базовый элемент, на который собственно и направляются электроны от управления. Также имеются комбинированные транзисторы с большой мощностью. Если обычные элементы, используемые в интегральных схемах, могут быть размером в несколько нанометров, то производственные транзисторы для промышленных предприятий имеют корпус и составляют до 1 сантиметра в ширину. Напряжение обратного типа производственных управляющих триодов достигает 1 тысячи Вольт.

2SD1710 для импульсных блоков питания

Конструкция триода сделана на основе слоев полупроводника, заключенных в корпусе элемента. В качестве полупроводников выступают материалы, в основу которых входит кремний, германий, галлий и некоторые другие химические элементы. В настоящее время проводится множество исследований, которые предлагают в качестве материалов различные виды полимеров и углеродных нанотрубок.

Важно! Когда-то кристаллы полупроводников располагали в металлических отсеках в виде шляп с тремя выводами. Такое строение было характерно для точечных элементов транзисторного типа.

Различные виды рассматриваемых радиоэлементов

На сегодняшний день строение практически всех плоских и кремниевых транзисторов основано на легированном монокристалле. Они находятся в пластмассовых, металлических или стеклянных корпусах. У многих из них есть выступающие выводы, позволяющие отвести тепло при сильном нагреве от электричества.

Кремниевый биполярный транзистор 2SA1286

Выводы современных транзисторов расположены, как правило, в один ряд. Это удобно, так как плату собирают роботы, и это экономит ресурсы. Выводные контакты также не маркируются на корпусе элемента. Вид вывода определяют по инструкции эксплуатации или после тестовых замеров.

Важно! Для транзисторов применяют сплавы полупроводникового типа с разным строением: PNP или NPN. Их различие заключается в разных знаках напряженности на выводах.

Если брать схематически, то описать этот радиоэлемент можно так: два полупроводника, разделенные дополнительным слоем, который управляет проводимостью триода.

Схема устройства полевых радиоэлементов

Область применения и основной принципы функционирования

В состоянии покоя между коллекторами транзистора нет электрического тока. Его прохождению мешает сопротивляемость переходника, которая возникает из-за одновременной работы двух слоев транзистора. Включить элемент просто: необходимо подать любое напряжение на него. Управление базой и ее токами будет напрямую переключать режимы работы транзистора с «включенного» на «выключенный».

Если же направить сигнал от аналогового источника, то он будет взаимодействовать с выходными токами путем передачи им своей амплитуды. Иначе говоря, электрический сигнал, который поступил на выходы, будет усилен. Полупроводниковые управляющие триоды вполне могут активно работать как электронные ключи или усилители электронных сигналов входа.

Простейшие схемы подключения транзисторов

Обозначение на электросхемах

У транзистора есть принятое обозначение: «ВТ» или «Q». После букв нужно указать индекс позиции. Например, ВТ 2. На старых чертежах можно найти условные обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ», которые более не используются. Транзистор рисуют в виде неких отрезков, обозначающих контакты электродов. Иногда их обводят кругом. Направление электротока в области эмиттера указывает специальная стрелка.

Схема работы простейшего радиоэлемента

По принципу действия и строению различают следующие полупроводниковые триоды:

Полевого типа;
Биполярного;
Комбинированного.

Все они обладают схожим функционалом и отличаются по технологии работы.

Полевые

Такие триоды ещё называют униполярными, из-за их электрических свойств — у них происходит течение тока только одной полярности. Такой тип также подразделяется на некоторые виды по своему строению и типу регулировки:

Транзисторы с PN переходом управления;
Элементы с затвором изолированного типа;
Такие же транзисторы другой структуры (металл-диэлектрик-проводник).

Важно! Изолированный затвор обладает одной отличительной особенностью — наличием диэлектрического слоя между ним и каналом.

Схема элемента с затвором изолированного типа

Еще одна особенность полевых транзисторов — низкое потребление электроэнергии. Например, такой элемент может функционировать больше одного года на одной батарейке. Полевые радиоэлементы довольно независимы: они потребляют крайне мало электроэнергии. Такой прибор может годами работать на пальчиковой батарейке или небольшом аккумуляторе. Именно это и обусловило их широкое применение в электросхемах и приборах.

Электронно-дырочный переход

Биполярные

Свое название эти элементы получили за то, что они способны пропускать электрические заряды плюса и минуса через один проходной канал. Также они обладают низким входным сопротивлением. Такие приспособления работают как усилители сигнала и коммутаторы. Благодаря им в электроцепь можно подключить довольно сильную нагрузку и понизить действие ее сопротивления. Биполярники являются наиболее популярными полупроводниковыми приборами активного типа.

Принцип работы биполярного транзистора в схеме

Комбинированные

Комбинированные элементы изобретаются для того, чтобы по применению одного дискретного состояния достичь требуемых электрических параметров. Они бывают:

Биполярными с внедрёнными в их схему резисторами;
Двумя триодами одной или нескольких структур строения в единой детали;
Лямбда-диодами — сочетанием двух полевых управляющих триодов, создающих сопротивляемость со знаком «минус»;
Элементы, в которых полевые составляющие управляют биполярными.

Комбинированный транзистор

Схема подключения транзистора для чайников

Наиболее популярны следующие схемы подсоединения транзисторов в цепь: с общей базовой установкой, общими выводами инжекторного эмиттера и с общим коллекторным преобразователем для подачи напряженности.

Для усилителей с базой общего типа характерно следующее:

Низкие параметры входного сопротивления, которое не достигает даже 100 Ом;
Неплохая температура и частота триода;
Допустимое напряжение весьма большое;
Требуют два различных источника питания.

Схемы второго типа обладают:

Высокими показателями усиления электротока и напряжения;
Низкими показателями усиления мощностных характеристик;
Инверсионной разницей между входным и выходным напряжением.

Важно! Схема транзистора с электродами общего коллекторного типа требует одного источника питания.

Подключение по типу общего коллектора может обеспечить:

Низкие показатели электронапряжения по усилению;
Большая и меньшая сопротивляемость входа и выхода соответственно.

Подключение транзистора для светодиода

Таким образом, транзистор — один из самых распространенных радиоэлементов в электронике. Он позволяет изменять параметры электрического тока и регулировать его для корректной работы электроприборов. Существует несколько видов транзисторов, как и способов их соединения. Различаются они строением и целями использования.

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:

По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
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

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.
Входное сопротивление.
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_БЭснижается 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.

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

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

Активный.
Отсечки (РО).
Насыщения (РН).
Барьерный (РБ).

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

Нормальный активный режим

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

Инверсный активный режим

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

Режим насыщения

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

Режим отсечки

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

Барьерный режим

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

Схемы включения

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

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

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
Усилительные мощные высоковольтные.
Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

Р-n-p.
N-p-n.

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

Общая Б.
Общий Э.
Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

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

Достоинства:

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

Недостатки:

Низкое усиление по I.
Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

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

Достоинства:

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

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

Включение с общим коллектором (ОК)

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

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

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

Коэффициент усиления по I.
Входное и выходное R.
Обратный Iк-э.
Время включения.
Частота передачи Iб.
Обратный Iк.
Максимальное значение I.

Сферы применения

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

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

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

Устройство и принцип действия

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

Активный.
Отсечки (РО).
Насыщения (РН).
Барьерный (РБ).

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

Нормальный активный режим

Инверсный активный режим

Режим насыщения

Режим отсечки

Барьерный режим

Схемы включения

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

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
Усилительные мощные высоковольтные.
Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

Р-n-p.
N-p-n.

Общая Б.
Общий Э.
Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

Достоинства:

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

Недостатки:

Низкое усиление по I.
Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

Достоинства:

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

Включение с общим коллектором (ОК)

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

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

Коэффициент усиления по I.
Входное и выходное R.
Обратный Iк-э.
Время включения.
Частота передачи Iб.
Обратный Iк.
Максимальное значение I.

Сферы применения

Виды, типы, характеристики, принцип работы

Транзистор… По-моему самая сложная и очень любопытная тема во всей электронике. Ничего нигде про них толком не написано. Ну что же, дорогие читатели, попробуем пролить свет истины на самое величайшее изобретение XX века, с которого началась Великая Эра цифровой электрон ики.

Что такое транзистор?

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) радиоэлектронный компонент, способный усиливать слабые электрические сигналы. Все, пока на этом хватит… Дальше интереснее.

Из чего состоит транзистор?

Как вы знаете, все мы из чего-то состоим. Люди состоят из мяса, воды и костей. А некоторые состоят вообще из другого материала, поэтому не тонут в воде ))). Так и наш транзистор – он тоже из чего-то состоит. Но из чего?

Как вы все знаете, материалы делятся на проводники и диэле ктрики, а между ними находятся полупроводники. Еще раз напомню вам, что проводники прекрасно проводят электрический ток, диэлектрики не проводят электрический ток, а вот полупроводники проводят электрический ток, но очень плохо.

“И зачем нам нужен этот полупроводниковый материал?” – спросите вы. Сам по себе материал полупроводник с практической точки зрения не представляет никакого интереса, но вот когда в него добавить малюсенькую долю некоторых элементов из таблицы Менделеева, по-научному “пролегировать”, то мы получим полупроводниковый материал, но с очень странными свойствами.

Самым знаменитым полупроводником является кремний

и германий

Как вы видите, они мало чем отличаются.

Кремний составляет почти 30% (!) земной коры, германий 1.5х10^-4% . Может быть поэтому полупроводниковые радиоэлементы очень дешевые, особенно из кремния?

P и N полупроводники

Когда в кремний добавляют мышьяк, получается так, что в кремнии стает очень много свободных электронов. А материалы, в которых очень много свободных электронов, мы уже называем проводниками. Следовательно, кремний, после легирования (смешивания) с мышьяком превращается из полупроводника в очень хороший проводник. Электроны обладают отрицательным зарядом, и их в полупроводнике как песчинок в пустыне, значит такой полупроводник будем называть полупроводником N-типа. N – от англ. Negative – отрицательный.

А вот если пролегировать кремний с индием, то мы получим очень забавную вещь… В первом случае у нас появились лишние электроны, которые превратили полупроводник в проводник. Но здесь ситуация абсолютно противоположная. Представьте себе, как это бы странно не звучало, электрон с положительным зарядом. Да да, именно так. Но самое-самое интересное знаете что? Его не существует! Он как бы есть, но его как бы нет))).

Это все равно, что магнитное, электрическое или гравитационное поле. Оно существует, но мы его не видим.

Такой “электрон” мы будем называть дыркой. Так как дырка обладает положительным зарядом, то полупроводниковый материал в котором очень-очень много этих дырок, мы будем называть полупроводником P-типа. P – от англ. Positive – положительный.

По отдельности полупроводники P и N типа не представляют никакого интереса. Все самое интересное начинается тогда, когда они спаиваются с друг другом и образуется PN-переход.

PN-переход

В настоящее время PN-переход спаивается по специальной технологии, что, конечно же, увеличивает проводимость для электрического тока. Ширина этой спайки очень мала и достигает одну тысячную миллиметра.

Свойство PN-перехода

Думаю, будет излишним рассказывать как на физическом уровне работает PN переход. Это долго, муторно и непонятно. Да и вам это точно не пригодится). Самое главное свойство P-N перехода – это односторонняя проводимость! Односторонняя ЧТО? ОДНОСТОРОННЯЯ ПРОВОДИМОСТЬ. Но что означает это словосочетание?

Давайте представим себе воронку, наподобие этой:

С какой стороны нам будет удобней наливать жидкость? Думаю, что сверху, не так ли? Тем самым мы переливаем нашу жидкость далее в какой-либо сосуд.

Ну а что будет, если мы перевернем нашу воронку и будем наливать жидкость через узенькую трубочку таким же напором? Совсем малюсенькая часть жидкости попадет через узкую трубочку и окажется по ту сторону воронки. Остальная же часть тупо прольется мимо воронки.

А давайте теперь на секундочку представим, что вместо жидкости мы будем “наливать” электрический ток. С широкой стороны воронки ток прекрасно зайдет и потечет дальше через узенькую трубочку, а если перевернуть воронку совсем малюсенькая часть электрического тока протиснется на другой конец воронки, остальная же часть электрического тока “прольется” мимо воронки.

Так вот, дорогие мои читатели, P-N переход работает точно таким же способом, как и эта воронка! P – это широкая часть воронки, N – узкая часть воронки, ну то есть та самая тонкая трубочка.

Таким образом, подавая на “воронку” полупроводника P, плюс от источника питания (это может быть батарейка или блок питания ) , а к N-полупроводнику, к узкой трубочке воронки, минус, то у нас ток течет как ни в чем не бывало. Но как только мы поменяем полярность, то есть подадим на P минус, а на N плюс, то у нас ток никуда не потечет. То есть цепь будет находиться в обрыве.

Диод, как самый простой PN-переход

А вам знаком вот такой радиоэлемент? Да, это самый простой диод.

а вот его схематическое изображение

А знаете ли вы, что диод состоит из самого обычного PN-перехода? Можем даже вот так нарисовать диод:

Проведем опыт. Возьмем простой советский диод марки Д226:

Интересно, что же внутри у него? На наждаке стачиваем одну треть корпуса диода, чтобы не повредить внутренности:

Интересно, где же этот PN-переход? С помощью цифрового микроскопа Prima Expert M100 увеличиваем наш парированный диод и видим кристалл кремния.

Судя по книге Шишкова “Первые шаги в радиоэлектронике”, PN-переход находится где-то здесь:

Хотя я увидел там только одну пластинку кремния. Видать полупроводники P и N сплавлены в один бутербродик.

Итак, классика жанра… Как вы видите на этой картинке, диод имеет анод и катод. Анод – это P полупроводник, катод – это N полупроводник. Все элементарно и просто.

Односторонняя проводимость PN-перехода

Далее проведем классический опыт, который описывается во всех учебниках физики. Собираем цепь из блока питания, лампочки и нашего диода вот по такой схеме (снизу перечеркнутый кружочек – это лампочка).

Теперь собираем эту схемку в реале. Красный щуп – это плюс от блока питания, черный щуп – это минус от блока питания.

Видим, что лампочка загорелась. Это означает, что электрический ток течет через диод как ни в чем не бывало.

Теперь меняем щупы местами и собираем вот по такой схеме:

Лампочка не горит. Ну ладно, не переживайте, ведь мы для себя сейчас открыли важнейшее свойство диода, а следовательно и PN-перехода! Диод пропускает электрический ток, если подать на его анод плюс, а на катод минус. Такое включение называют прямым включением диода. А если подать на анод минус, а на катод плюс – диод не будет пропускать электрический ток.

Как проверить целостность PN-перехода

Как проверить целостность PN-перехода, а соответственно и диода? Для этого ставим крутилку на мультиметре в режим прозвонки вот на этот значок :

В этом режиме измеряется падение напряжения. Прямое падение напряжения для кремниевых диодов составляет значение от 0,5 Вольт и до 0,7 Вольт, а для германиевых 0,3-0,4 Вольта.

Цепляем анод у диода к положительному щупу мультиметра (красный щуп), а катод цепляем к отрицательному щупу (черный щуп):

Итак, на дисплее мультиметра мы видим так называемое прямое падение напряжения PN-перехода. В данном случае оно равно 554 милливольта или 0,55 Вольт.

Если поменять щупы местами, то на дисплее мультиметра высветится единичка. Это значит, что падение напряжения в данном случае не влазит в диапазон измерения мультиметра в функции прозвонки. При функции “прозвонка” можно наблюдать падение напряжения только в диапазоне от 0 и до 1999 милливольт. Мультиметр же выдает 2,8-3 Вольта в этом режиме.

Зависимость падения напряжения на PN-переходе от температуры

Также у PN-перехода есть очень интересное свойство. Его прямое падение напряжения зависит от температуры.

Вот прямое падение напряжения на диоде при обычной комнатной температуре: 554 милливольта.

Начинаем жарить паяльным феном при 200 градусах по Цельсию и смотрим на дисплей мультиметра:

Опа-на, 392 милливольт, а было 554 …

А давайте охладим наш диод. Для этого используем морозильную камеру холодильника:

615 милливольт…

При повышении температуры, прямое падение напряжения на PN-переходе понижается, а при понижении температуры – повышается. Из Закона Ома вы знаете, что чем меньше сопротивление (а следовательно и падение напряжение на нем), тем лучше течет электрический ток. Может быть, именно поэтому вся современная электроника очень плохо работает на холоде, но прекрасно работает в жаре, потому как почти полностью построена на полупроводниках.

Зависимость сопротивления прямого перехода от температуры радиолюбители используют даже в своих схемах, например в схеме умного вентилятора.

Биполярный транзистор

История возникновения

На дворе стоял послевоенный 1947 год. Декабрь. Холодно, голодно, жутко… но только не в лаборатории Bell Labs! Трое ученых: Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, бились над радиоэлементом, который перевернул весь мир с ног на голову! 16 декабря 1947 года можно назвать днем второго рождения электроники! Да, черт побери! В этот день впервые миру был продемонстрирован биполярный транзистор.

Именно биполярный транзистор сделал революцию в электронике. Обладая усилительными свойствами, он заменил собой электронные лампы, что сделало электронику намного надежнее, мобильнее и компактнее. Без такого изобретения, как транзистор, мы с вами до сих пор бы жили без компьютеров, мобильных телефонов, планшетов и других различных электронных гаджетов.

Внутреннее строение биполярного транзистора

Помните, о чем мы беседовали выше? Да-да, о полупроводниках P и N типа, а также об их совместном воздействии. В итоге у нас получился диод.

А почему бы нам не добавить еще один полупроводник с такой же проводимостью, как слева? Сказано – сделано! Ну что же, прошу любить и жаловать! Получился БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР!

Если читать слева-направо или справа-налево, из каких полупроводников он состоит, то можно узнать какой он проводимости. Значит, транзистор на рисуночке выше у нас проводимости PNP, или, как у нас говорят, прямой проводимости.

А вот у этого транзистора проводимость NPN или обратной проводимости.

Вывод со среднего полупроводникового материала называется базой, а по краям эмиттер и коллектор. Откуда такие названия? Так как транзистор придумали американцы, то и названия они дали соответствующие:

Эмиттер – на буржуйском Emitter – источник, излучатель, генератор. То есть вывод, на который что-то подается. В данном случае электрический ток.

База – Base – основа. Cамый главный вывод.

Коллектор – Collector – сборщик, собиратель, токоприемник. Он как-бы “собирает” электрический ток.

Обозначение на схеме биполярного транзистора

Как же на схемах обозначаются биполярные транзисторы? Мы разобрали, что существуют транзисторы прямой и обратной проводимости, значит и на схемах они будут обозначатся совсем по-другому.

Схемотехническое обозначение P-N-P транзистора, то есть транзистора прямой проводимости

будет выглядеть вот так:

А схемотехническое обозначение транзистора обратной проводимости или N-P-N транзистора

будет выглядеть вот так:

В старинных советских схемах транзисторы обозначались буквой T, в современных схемах они уже обозначаются буквами VT. Как нетрудно догадаться, вывод со стрелочкой – это эмиттер.

Как не путаться в проводимостях транзистора и в их схемотехнических изображениях? Тут все просто. Как вы помните, в полупроводнике P-типа у нас очень много дырок, а дырки обладают положительным зарядом, то есть они со знаком “плюс”.

Полупроводник N-типа содержит большое количество электронов, а электроны – это отрицательные частицы со знаком “минус”. Как вы помните, электрический ток течет от “плюса” к “минусу”. Стрелка эмиттера показывает направление движения электрического тока. То есть, если у нас база состоит из полупроводника P-типа, то значит ток течет от базы, следовательно, стрелка эмиттера направлена от базы, если же база из N-полупроводника, то стрелка эмиттера направлена в базу. Все просто как дважды два.

Как выглядят биполярные транзисторы

Как же в реале выглядят транзисторы? Уууу…. тут фантазиям разработчиков нет предела. Ниже фоты самых распространенных корпусов транзисторов:

Но! Имейте ввиду! Если вам попался радиоэлемент в таком корпусе – это не обязательно транзистор! Это может быть и тиристор, и диодная сборка или даже стабилизатор напряжения, или вообще что угодно. Как же тогда распознать транзистор? Читаем ниже).

Эквивалентная схема биполярного транзистора

Итак, как же нам распознать биполярный транзистор среди кучи радиоэлементов, имеющих схожий корпус? Давайте рассмотрим еще раз его внутреннюю структуру. Для транзистора прямой проводимости она будет выглядеть так:

а для транзистора обратной проводимости вот так:

А знаете что? Давайте-ка резанём серединный слой пополам… Предположим, мы взяли тонкий-тонкий ножик и разделили полупроводник базы на две части.

Итак, рисуночки у нас становятся такими:

для транзистора прямой проводимости

для транзистора обратной проводимости

Вот этот или вот этот участок транзистора вам ничего не напоминает?

Едрить-колотить! Так ведь это же диод!

Так что тогда получается? Что транзистор тупо состоит из двух диодов? Грубо говоря, так оно и есть.

Значит, схематически мы можем транзистор нарисовать как два диода. Итак, что у нас тогда получиться? Для транзистора прямой проводимости:

схема будет выглядеть вот так:

а для транзистора обратной проводимости

вот так:

Все элементарно и просто, господа! Итак, мы с вами узнали, что схематически (не физически) транзистор можно заменить как два диода, которые соединены катодами или анодами. А проверять диоды мы с вами умеем без проблем, не так ли? Кто подзабыл, читаем статью как проверить диод мультиметром.

Как проверить транзистор с помощью мультиметра

У нас имеются два транзистора. Стоп! А с чего мы взяли что это вообще транзисторы?

Внимательно смотрим на них и видим какие то буквы и цифры. КТ815Б и КТ814Б. Блин, снизу еще какие-то цифры. Во дела! Ладно, ничего страшного. Для этого открываем яндекс или гугл и вбиваем первую строчку названия транзистора. Вбиваем “КТ815Б” и рядышком пишем незамысловатое слово “даташит” или на буржуйский манер “datasheet”.

Качаем документацию на этот радиоэлемент и узнаем что это такое и что он из себя представляет. Теперь я знаю, что это транзистор NPN структуры, а также знаю расположение его выводов.

Вон сколько сразу можно узнать!

А вот и вторая страничка даташита:

Здесь мы видим уже тот же самый транзистор, но уже в другом корпусе. У нас на фото транзистор в корпусе КТ-27. Видите цифры на выводах транзистора? Смотрим в табличку и узнаем, где какой вывод. Значит, на фото у нас выводы идут таким образом:

Теперь рассмотрим другой транзистор.

Из даташита транзистора КТ815Б мы узнали, что у него есть комплиментарная пара: транзистор КТ814

Комплиментарная пара для кого-либо транзистора – это транзистор точно с такими же характеристиками и параметрами, НО у него просто-напросто другая проводимость. Это значит, что транзистор КТ815 у нас обратной проводимости, то есть NPN, а КТ814 прямой проводимости, то есть PNP .
Справедливо также и обратное: для транзистора КТ814 комплиментарной парой является транзистор КТ815 ! Короче говоря, зеркальные братья-близнецы. Также самой популярной комплиментарной парой транзисторов в Советском Союзе были транзисторы КТ315 и КТ361.

Проверка NPN-транзистора с помощью мультиметра

Берем наш знаменитый мультиметр, цепляем щупы-крокодилы и ставим на значок “прозвонка”

Будем проверять транзистор КТ815. Так как он структуры NPN, следовательно, его можно схематически заменить вот на такую диодную схему:

Вспоминаем распиновку нашего транзистора:

Как мы помним, диод пропускает постоянный ток только в одном направлении. Проверяем первый диод транзистора. Для этого ставим на базу плюс, на эмиттер – минус.

Видим падение напряжения при прямом включении на PN-переходе в милливольтах.

Меняем щупы местами. То есть на базу подаем минус, а на эмиттер – плюс:

Единичка, значит первый диод транзистора исправен.

Проверяем второй диод транзистора. Ставим на базу плюс, а на коллектор – минус:

Видим падение напряжения на PN-переходе. Все гуд.

Меняем щупы местами:

Мультиметр показывает единичку. Все в порядке. Второй диод тоже в полном здравии. Значит, транзистор в полной боевой готовности!

Проверка PNP-транзистора с помощью мультиметра

Ну что, теперь проверим комплиментарный транзистор – КТ814 ;-). Его эквивалентная схема будет выглядеть уже по другому, так как он прямой проводимости.

Здесь так же проверяем два диода. Для этого ставим минус на базу, а на эмиттер – плюс.

Падение напряжения на PN-переходе. Все ОК.

Меняем так же местами щупы:

Единичка – все ОК.

Проверяем второй диод транзистора точно так же. Для этого на базу также ставим минус, а на коллектор – плюс.

Опять видим падение напряжения при прямом включении на PN-переходе.

Меняем щупы местами.

Единичка – гуд!

КТ814 у нас тоже полностью жив и здоров!

Проверка неисправного транзистора

Также ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся к нашему подопечному.

Нолики… Это не есть хорошо. Это говорит о том, что PN-переход пробит. Можно смело выкидывать такой транзистор в мусорку.

Как проверить транзистор с помощью транзисторметра

Очень удобно проверять транзисторы, имея прибор RLC-транзисторметр

Для этого всего лишь достаточно поместить выводы транзистора в разные отверстия и нажать зеленую кнопку. Как вы видите, прибор полностью нам показал цоколевку (расположение выводов) транзистора, его коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером (об этом ниже), а также напряжение открытия, то есть напряжение, при котором он начинает открываться и пропускать ток через коллектор-эмиттер (об этом также ниже).

Принцип работы транзистора

Что такое усиление

Давайте для начала разберем, что мы вообще подразумеваем под словом “усиление”? Ну… усиление это когда мы производим какое-то действие, чтобы было лучше, качественнее, комфортнее, удобнее, безопаснее. По-моему как-то так. Усиливаем подвеску на машине, чтобы езда была комфортнее. Усиливаем фундамент под дом, загоняя туда железную арматуру, чтобы дом стоял долго и не трещал. Усиливаем армию военной техникой, чтобы обеспечить себе и своему народу безопасность, усиливаем свое тело, чтобы выглядеть уверенно и дать отпор гопникам.

Но какое слово идет рядом в паре со словом “усиление”? Мне кажется – это слово “мощность”.

Усиливаем подвеску на машине, то есть делаем ее мощнее. Усиливаем фундамент – делаем его мощнее. Усиливаем армию танками и самолетами – делаем ее мощнее :-), усиливаем свою тушку – значит делаем ее опять же мощнее.

Давайте рассмотрим на примере человека. Как же его усилить? Здесь я вижу два варианта:

Увеличить человека в размерах

Либо усилить его с помощью экзоскелета:

Тут уже даже и ежу понятно, что мощности каждого из этих персонажей хватит для того, чтобы размотать целую роту вояк в рукопашном бою. В первом случае их проще будет давить либо пяточкой, а если попадется воспитанный великан с хорошими манерами – то пальчиками :-). Во втором случае, с экзоскелетом, хуком справа и слева.

Значит, для того, чтобы сделать сигнал мощнее, мы должны либо увеличить его амплитуду, либо увеличить его… Хм… Зачем наш Тони Старк сделал себе костюм? Чтобы он защищал его тело, то есть чтобы оказывать сопротивление ударам, пулям и тд. Какая-бы пулька или удар не влетали в него, он бы стоял колом (разумеется в разумных пределах) То есть его экзоскелет защищает его от разного рода сопротивления.

Получается, для нашего сигнала какое бы сопротивление он не встретил на своем пути, он будет таким же “бодрым и энергичным”, каким был и до встречи с нагрузкой. Если Тони Старк брал энергию из своего реактора на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника. Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.

Как усиливает транзистор

Итак, представим себе нашу сборную России по футболу. Ну да, ребята частенько лажают), но суть не в этом. Для того, чтобы наши футболисты играли хорошо, надо к каждому футболисту приставить хорошего тренера, установить нормальный график труда и отдыха, кормить самой лучшей спортивной едой, пичкать допингами и тд. Как результат – команда может быть дотянет до полуфинала на чемпионате мира.

Но… есть и другой вариант. Почему бы в команду не пригласить таких футболистов, как Месси, Рональдо, Роналду, Бекхэма и других знаменитостей? То есть в этом варианте мы полностью заменили всю команду. Но для нас ведь главное – победа, и не волнует, кто играет в нашей команде. Главное, чтобы наша команда порвала всех на чемпионате.

И там и там мы усилили эти команды. Но как вы думаете, какой вариант будет лучше? Ну тут уже и ежу понятно, что второй вариант – стопроцентный! Если провести параллельную грань с электроникой, то можно сказать, что транзистор использует именно второй вариант. В нем нет ничего такого, чтобы он сам бы усиливал сигнал. Он его полностью заменяет другим сигналом. То есть усиливаемый сигнал, который выходит из транзистора, является копией входного слабенького сигнала, но это не тот же самый слабенький сигнал.

Тяжко для понимания? Ну давайте приведем тогда еще один пример.

Вернемся в детство. Вам купили маленького хомячка. Вы за ним ухаживаете, меняете водичку, убираете какашки, покупаете колесико, чтобы он бегал и радовался жизни. Через год из маленького хомячка вырастает здоровый пушистый хомяк. Вы очень рады, что у вас вырос такой здоровый хомячок. Но… как-то летом вы решили съездить в деревню к бабушке, за хомяком никто не ухаживал и он сдох. Ваши родители, конечно же, ничего вам не сказали. Они быстренько сбегали в зоомагазин и купили точно такого же хомяка! Один в один! Вы приезжаете к себе домой и продолжаете радоваться своему хомяку, даже не догадываясь, что это вообще не он))). Именно точно также ведет себя транзистор).

Транзистор не усиливает сигнал, а просто выводит усиленную копию на выходе.

Откуда берется энергия для усиления

Вспомните также в своей жизни м

Схемы включения биполярного транзистора. — Студопедия

1) С общим эмиттером

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов ( , , ) равна нулю.

отсюда (только для случая с общим эмиттером)

2) С общим коллектором

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

отсюда (только для случая с общим коллектором)

3) С общей базой

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора.

— коэффициент усиления

, ,

IGBT-транзистор

— основы, характеристики, схема переключения и приложения

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором , комбинация биполярного транзистора (BJT) и Металлооксидный полевой транзистор (MOS-FET) . Это полупроводниковое устройство, используемое для переключения приложений.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию полевого МОП-транзистора и транзистора , он имеет преимущества обоих транзисторов и полевого МОП-транзистора.MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а с другой стороны, BJT имеет преимущество в виде высокого усиления и низкого напряжения насыщения, оба присутствуют в транзисторе IGBT. IGBT — это полупроводник с регулируемым напряжением , который обеспечивает большие токи коллектора-эмиттера с почти нулевым током затвора.

Как уже говорилось, IGBT имеет преимущества как MOSFET, так и BJT, IGBT имеет такой же изолированный затвор, как и типичные MOSFET, и такие же выходные характеристики передачи. Хотя BJT — это устройство с управлением по току, но для IGBT управление зависит от MOSFET, поэтому это устройство с управлением напряжением, эквивалентное стандартным MOSFET.

Эквивалентная схема IGBT и символ

На изображении выше показана эквивалентная схема IGBT. Такая же структура схемы используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены одинаковым образом. Как мы можем видеть на изображении выше, IGBT объединяет два устройства, N-канальный MOSFET и PNP-транзистор . N-канальный MOSFET управляет PNP-транзистором. Выводы стандартного BJT включают коллектор, эмиттер, базу, а стандартный вывод MOSFET включает затвор, сток и исток.Но в случае контактов IGBT транзистора , это Gate , который поступает от N-канального MOSFET, а Collector и Emitter исходят от PNP-транзистора.

В транзисторе PNP коллектор и эмиттер являются проводящими путями, а когда IGBT включен, они проводят ток через него. Этот путь контролируется N-канальным MOSFET.

В случае BJT, , мы вычисляем коэффициент усиления, который обозначается как Beta ( ), путем деления выходного тока на входной.

  β = выходной ток / входной ток

Но, как мы знаем, полевой МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор полевого МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета усиления BJT, не применима для технологии MOSFET. Затвор полевого МОП-транзистора изолирован от пути прохождения тока. Напряжение затвора полевого МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой отношение изменений выходного напряжения к изменениям входного напряжения.Это верно для IGBT. Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменений выходного тока к изменениям входного напряжения затвора .

Из-за возможности высокого тока высокий ток BJT контролируется напряжением затвора MOSFET.

На изображении выше символа IGBT показано . Как мы видим, символ включает часть коллектора-эмиттера транзистора и часть затвора полевого МОП-транзистора. Эти три терминала показаны как Gate, Collector и Emitter.

В проводящем или включенном режиме « ON » ток протекает от коллектора к эмиттеру . То же самое происходит с транзистором BJT. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate. Разница между напряжением затвора и эмиттера называется Vge , а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , Ie = Ic .Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, у Vce очень низкий ток.

Узнайте больше о BJT и MOSFET здесь.

Приложения IGBT:

IGBT в основном используется в приложениях, связанных с питанием. Стандартные силовые BJT обладают очень медленным откликом, тогда как MOSFET подходит для приложений с быстрым переключением, но MOSFET — дорогостоящий выбор, когда требуется более высокий номинальный ток. IGBT подходит для замены силовых BJT и силовых MOSFET .

Кроме того, IGBT предлагает более низкое сопротивление включения по сравнению с BJT, и благодаря этому свойству IGBT является термически эффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.

IGBT широко применяются в области электроники. Из-за низкого сопротивления , очень высокого номинального тока, высокой скорости переключения, привода с нулевым затвором, IGBT используются в системах управления двигателями большой мощности, инверторах, импульсных источниках питания с областями высокочастотного преобразования.

На приведенном выше изображении показано базовое коммутационное приложение с использованием IGBT. RL представляет собой резистивную нагрузку, подключенную через эмиттер IGBT к земле. Разница напряжений на нагрузке обозначается как VRL . Нагрузка также может быть индуктивной. А справа показана другая схема. Нагрузка подключена к коллектору, а резистор для защиты от тока подключен к эмиттеру. В обоих случаях ток будет течь от коллектора к эмиттеру.

В случае BJT нам необходимо обеспечить постоянный ток через базу BJT.Но в случае IGBT, как и MOSFET, нам нужно обеспечить постоянное напряжение на затворе, и насыщение поддерживается в постоянном состоянии.

В левом случае разность напряжений VIN , которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей / VSS, управляет выходным током, протекающим от коллектора к эмиттеру. Разница напряжений между VCC и GND практически одинакова на нагрузке.

В правой цепи ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .

  I _RL2 = V _IN / R _S

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно переключить « на » и « на », активировав затвор. Если мы сделаем затвор более положительным, подав напряжение на затвор, эмиттер IGBT будет поддерживать IGBT в состоянии « ON », и если мы сделаем затвор отрицательным или нулевым нажатием, IGBT останется в состоянии « OFF ». Это то же самое, что и переключение BJT и MOSFET.

Кривая I-V IGBT и передаточные характеристики

На приведенном выше изображении показаны ВАХ в зависимости от другого напряжения затвора или Вge . Ось X обозначает напряжение коллектора-эмиттера или Vce , а ось Y обозначает ток коллектора . В выключенном состоянии ток, протекающий через коллектор и напряжение затвора, составляет ноль .Когда мы меняем Vge или напряжение затвора, устройство переходит в активную область. Стабильное и постоянное напряжение на затворе обеспечивает непрерывный и стабильный ток через коллектор. Увеличение на Vge пропорционально увеличивает ток коллектора, Vge3> Vge2> Vge3 . BV — напряжение пробоя IGBT.

Эта кривая почти идентична кривой передачи I-V BJT, но здесь показано Vge , потому что IGBT — это устройство, управляемое напряжением.

На изображении выше показана передаточная характеристика IGBT. Он практически идентичен PMOSFET . IGBT перейдет в состояние « ON » после того, как Vge превысит пороговое значение в зависимости от спецификации IGBT.

Вот сравнительная таблица, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT и POWER BJT и Power MOSFET .

*Характеристики устройства*	*IGBT*	*Силовой полевой МОП-транзистор*	*POWER BJT*
Номинальное напряжение	Более 1 кВ (очень высокое)	Менее 1 кВ (высокое)	Менее 1 кВ (высокое)
Текущий рейтинг	Более 500 А (высокий)	Менее 200 А (высокий)	Менее 500 А (высокий)
Устройство ввода	Напряжение, Вге, 4-8В	Напряжение, Вгс, 3-10В	Ток, hfe, 20-200
Входное сопротивление	Высокая	Высокая	Низкая
Выходное сопротивление	Низкая	Среднее	Низкая
Скорость переключения	Среднее	Быстро (нС)	Медленно (США)
Стоимость	ВЫСОКИЙ	Среднее	Низкая

В следующем видео мы увидим схему переключения транзистора IGBT .

Работа транзисторов в качестве переключателя и усилителя

Первый транзистор с биполярным переходом был изобретен в 1947 году в лабораториях Bell. «Две полярности» сокращенно обозначают как биполярный, отсюда и название Транзистор с биполярным соединением . BJT — трехконтактное устройство с коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E). Для идентификации выводов транзистора требуется схема выводов конкретной части BJT, она будет доступна в таблице данных.Есть два типа BJT — NPN и PNP транзисторов. В этом уроке мы поговорим о транзисторах NPN. Давайте рассмотрим два примера NPN-транзисторов — BC547A и PN2222A, показанных на изображениях выше.

В зависимости от процесса изготовления конфигурация выводов будет изменяться, и подробности будут доступны в соответствующем техническом описании. По мере увеличения номинальной мощности транзистора необходимо прикрепить к корпусу транзистора необходимый радиатор.Несмещенный транзистор или транзистор без потенциала, приложенного к клеммам, аналогичен двум диодам, подключенным последовательно , как показано на рисунке ниже.

Диод D1 имеет свойство обратной проводимости, основанное на прямой проводимости диода D2. Когда через диод D2 протекает ток, диод D1 воспринимает ток, и пропорциональный ток может течь в обратном направлении от вывода коллектора к выводу эмиттера при условии, что на выводе коллектора приложен более высокий потенциал.Константа пропорциональности — это усиление (β).

Работа транзисторов NPN:

Как обсуждалось выше, транзистор представляет собой устройство с управляемым током, которое имеет два обедненных слоя с определенным барьерным потенциалом, необходимым для диффузии обедненного слоя. Потенциал барьера для кремниевого транзистора составляет 0,7 В при 25 ° C и 0,3 В при 25 ° C для германиевого транзистора. В основном используются транзисторы кремниевого типа, поскольку кремний является самым распространенным элементом на Земле после кислорода.

Внутренний оператор:

Конструкция npn-транзистора заключается в том, что области коллектора и эмиттера легированы материалом n-типа, а базовая область легирована небольшим слоем материала p-типа. Область эмиттера сильно легирована по сравнению с областью коллектора. Эти три области образуют два стыка. Это переход коллектор-база (CB) и переход база-эмиттер.

Когда к переходу база-эмиттер прикладывается потенциал VBE, увеличивающийся от 0 В, электроны и дырки начинают накапливаться в области обеднения.Когда потенциал увеличивается выше 0,7 В, достигается барьерное напряжение и происходит диффузия. Следовательно, электроны текут к положительному выводу, и ток базы (IB) противоположен потоку электронов. Кроме того, ток от коллектора к эмиттеру начинает течь, если на выводе коллектора подано напряжение VCE. Транзистор может действовать как переключатель и усилитель.

Рабочий регион в зависимости от режима работы:

1. Активная область, IC = β × IB — работа усилителя

2.Область насыщения, IC = ток насыщения — переключение (полностью включено)

3. Область отключения, IC = 0 — переключение (полностью выключено)

Транзистор как переключатель:

Для объяснения с PSPICE была выбрана модель BC547A. Первое, что нужно иметь в виду — использовать в базе резистор, ограничивающий ток. Более высокие базовые токи повредят BJT. Из таблицы данных максимальный ток коллектора составляет 100 мА, и указано соответствующее усиление (hFE или β).

Шаги по выбору компонентов,

1. Найдите ток коллектора — это ток, потребляемый вашей нагрузкой. В этом случае это будет 60 мА (катушка реле или параллельные светодиоды) и резистор = 200 Ом.

2. Чтобы перевести транзистор в состояние насыщения, должен быть подан достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью открыт. Расчет тока базы и соответствующего резистора, который будет использоваться.

Для полного насыщения базовый ток приближается к 0.6 мА (не слишком высокий или слишком низкий). Таким образом, ниже приведена схема с 0 В на базу, во время которой переключатель находится в выключенном состоянии.

a) Имитация PSPICE BJT в качестве коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Теоретически переключатель полностью разомкнут, но практически может наблюдаться протекание тока утечки. Этим током можно пренебречь, так как они находятся в пА или нА. Для лучшего понимания управления током транзистор можно рассматривать как переменный резистор на коллекторе (C) и эмиттере (E), сопротивление которого изменяется в зависимости от тока через базу (B).

Первоначально, когда ток не течет через базу, сопротивление через CE очень велико, и ток через него не течет. Когда к базовому выводу прикладывается потенциал 0,7 В и выше, соединение BE диффундирует и вызывает диффузию перехода CB. Теперь ток течет от коллектора к эмиттеру в зависимости от коэффициента усиления.

a) Имитация PSPICE BJT в качестве коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Теперь давайте посмотрим, как контролировать выходной ток, управляя базовым током.Учитывая, что IC = 42 мА и следуя той же формуле выше, мы получаем IB = 0,35 мА; RB = 14,28кОм ≈ 15кОм.

a) Имитация PSPICE BJT в качестве коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Разница между практическим значением и расчетным значением связана с падением напряжения на транзисторе и используемой резистивной нагрузкой.

Транзистор как усилитель:

Усиление — это преобразование слабого сигнала в пригодную для использования форму.Процесс усиления был важным шагом во многих приложениях, таких как беспроводные передаваемые сигналы, беспроводные принимаемые сигналы, Mp3-плееры, мобильные телефоны и т. Д. Транзистор может усиливать мощность, напряжение и ток в различных конфигурациях.

Некоторые из конфигураций, используемых в схемах усилителя:

Усилитель с общим эмиттером
Усилитель с общим коллектором
Усилитель с общей базой

Из вышеперечисленных типов наиболее распространенной и наиболее часто используемой конфигурацией является тип излучателя.Работа происходит в активной области. Примером может служить схема одноступенчатого усилителя с общим эмиттером. Стабильная точка смещения постоянного тока и стабильное усиление по переменному току важны при разработке усилителя. Назовите одноступенчатый усилитель, когда используется только один транзистор.

Выше представлена схема одноступенчатого усилителя , где слабый сигнал, подаваемый на вывод базы, преобразуется в β, умноженный на фактический сигнал на выводе коллектора.

Назначение детали:

CIN — это конденсатор связи, который передает входной сигнал на базу транзистора.Таким образом, этот конденсатор изолирует источник от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. CE — это байпасный конденсатор, который действует как путь с низким сопротивлением для усиленного сигнала. COUT — это конденсатор связи, который передает выходной сигнал с коллектора транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует выход от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. R2 и RE обеспечивают стабильность усилителя, тогда как R1 и R2 вместе обеспечивают стабильность в точке смещения постоянного тока, действуя как делитель потенциала.

Операция:

Схема работает мгновенно для каждого временного интервала. Чтобы просто понять, когда напряжение переменного тока на клемме базы увеличивается, соответствующее увеличение тока протекает через резистор эмиттера. Таким образом, это увеличение тока эмиттера увеличивает ток коллектора, протекающий через транзистор, что снижает падение напряжения коллектора-эмиттера VCE. Аналогичным образом, когда входное переменное напряжение экспоненциально уменьшается, напряжение VCE начинает расти из-за уменьшения тока эмиттера.Все эти изменения напряжения мгновенно отражаются на выходе, который будет инвертированной формой волны входа, но усиленной.

Характеристики	Общая база	Общий эмиттер	Общий коллектор
Коэффициент усиления по напряжению	Высокая	Средний	Низкая
Текущая прибыль	Низкая	Средний	Высокая
Прирост мощности	Низкая	Очень высокий	Средний

Таблица: сравнительная таблица коэффициентов усиления

На основании приведенной выше таблицы можно использовать соответствующую конфигурацию.

Как работает биполярный транзистор?

Биполярный транзистор — трехконтактный (три электрода), управляемый током полупроводниковый электронный компонент, который имеет возможность усиливать сигналы постоянного и переменного тока, поэтому каждый транзистор относится к семейству усилителей . Усилитель — это устройство, которое может управлять большей мощностью при меньшем потреблении энергии.

Существует два типа биполярных транзисторов: транзисторов N-P-N и транзисторов P-N-P .Электроды биполярного транзистора имеют следующие названия: — C — коллектор, B — база, E — эмиттер. Чаще всего используются кремниевые кремниевые транзисторы (Threshold Voltage V _T = 0,6 — 0,7 В), реже — германиевые Ge (V _T = 0,2 — 0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем переключения питания до компьютеров и более совершенных систем.

Транзистор биполярный — Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с биполярными транзисторами, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.

Биполярный транзистор — конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с разными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В этом примере две формы p-n перехода ( диодов ): база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

Рис. 1. Обозначение биполярного транзистора NPN и конструкция его переходов Рис. 2. Обозначение биполярного транзистора PNP и конструкция его переходов Рис.3. Модель диодной замены NPN-транзистора Рис. 4. Диодная замена PNP-транзистора Рис. 5. Распределение токов в NPN-транзисторе

Биполярный транзистор — Принцип действия

Основной особенностью биполярных транзисторов является возможность управления большим током с использованием малого . В зависимости от режима работы транзистор может находиться в четырех режимах работы:

Режим отсечки — переход база-эмиттер вообще не смещен или имеет обратное смещение.Значения тока коллектора очень маленькие,
Прямой активный режим (чаще всего называется активным режимом ) — переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Здесь стоит отметить, что не следует превышать напряжение на переходе (кремниевые или германиевые диоды), что может привести к протеканию большого тока базы и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, в β раз превышающее значение базового тока.Напряжение база-эмиттер вводит основные носители из эмиттера через переход к базе — (в N-P-N электронах и в P-N-P отверстиях). Носители вводятся из эмиттера в базовую область (поплавок) (явление диффузии) в область перехода база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под действием электрического поля в области обеднения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, позволяющий протекать большему току между электродами коллектора и эмиттера.
Обратно-активный режим (инвертированный режим) — Переход база-эмиттер смещен в обратном направлении, а база-коллектор смещен в прямом направлении. Усиление тока небольшое,
Режим насыщения — Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшой величины. Базовый ток настолько велик, что коллекторная цепь не может усилить его в β раз больше.

Биполярный транзистор — вольт-амперные характеристики

Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (БТ) Рис.7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OB)

Эти области транзистора обычно используются в соответствии с потребностями, например:

Транзистор как усилитель — транзистор, работающий в прямой активной области, может быть использован для создания системы, которая будет усиливать электрический ток.
В качестве переключателя (клапана) — здесь используется переход между областью насыщения (вкл.) И отсечкой (выкл.). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор — Предельные параметры

В _{EB0max —} максимально допустимое обратное смещение база-эмиттер,
В _CB0max — максимально допустимое обратное смещение база-коллектор,
В _CE0max — максимально допустимое прямое смещение база-эмиттер,
I _Cmax — максимальный ток коллектора,
I _Bmax — максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор — Операционные системы

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и коллектором транзистора, тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения этой схемы близко к единице, поэтому на выходе усилителя появляется «повторяющееся» напряжение со входа, отсюда и второе широко используемое название этого усилителя — эмиттер.

Рис. 8. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общим эмиттером (ОЭ)

Система общей базы

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал получается между базой и коллектором после усиления.

Рис. 9. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общей базой (ОБ)

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером.Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «обычным» для входных и выходных сигналов — отсюда и название системы.

Рис. 10. Схема ОУ с общим коллектором

Транзистор биполярный как переключатель

Биполярный транзистор подходит для работы в качестве переключателя. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отсечка и насыщение. Под действием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отсечки через активное состояние в насыщение.Когда нет больше управляющего напряжения, транзистор возвращается в состояние отсечки. В отключенном состоянии транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропускает никакой сигнал (это можно рассматривать как разрыв цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление, и ситуация обратная.

Идеальный транзисторный ключ должен почти мгновенно менять состояние и иметь очень крутой (вертикальный) переходный процесс, а время переключения должно равняться нулю.

Есть способы значительно ускорить работу процесса переключения транзисторов:

Уменьшить номинал резистора базы транзистора,
Добавьте параллельную емкость резистору базы транзистора. Устраняет эффект интеграции и сокращает время включения транзистора,
Соедините базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой ключ становится квазинасыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и меньшим временем переключения.Недостатком этой системы является более высокое значение напряжения в низком состоянии, поскольку транзистор не насыщается.
Подключение блока питания к базе транзистора.

Биполярный транзистор — системы поляризации

Ниже представлены наиболее часто встречающиеся системы смещения транзисторов:

Рис. 11. Система с потенциометрическим базовым питанием Рис. 12. Система с принудительным базовым током Рис. 13. Система с соединительным коллектором Рис.14. Система с потенциометрическим базовым питанием и эмиттером связи

Переключение: с реле на биполярные переходные транзисторы

Сколько пультов дистанционного управления у вас дома? Разве вы не хотите, чтобы все эти вещи были как-то лучше интегрированы или чтобы вы могли добавить функцию удаленного управления на случайное устройство? Это обычная отправная точка для проекта и хороший опыт обучения для начинающих.

Обычное решение, которое мы видели применяемым, — это подключить реле параллельно ко всем кнопкам, которые мы хотим нажимать.Когда реле срабатывает, например, по вашему выбору микроконтроллера, оно обрабатывается как нажатие кнопки. Хотя это действительно работает, реле не совсем идеальное решение для очень слабых токовых нагрузок, с которыми мы имеем дело в таких ситуациях.

Как оказалось, есть несколько простых способов решить эту проблему. В этой статье мы сосредоточимся на использовании обычных биполярных переходных транзисторов вместо реле для замены физических переключателей. Короче говоря, как добавить транзисторы к существующей электронике, чтобы управлять ими по-новому.

Реле

В некоторых ситуациях реле

по-прежнему являются хорошим решением. Когда вы имеете дело с большой мощностью или когда вам нужно что-то электрически идентичное замкнутому переключателю, реле — разумный выбор. Вы когда-нибудь задумывались, почему ваш цифровой USB-осциллограф издает щелчки? Это реле переключения между различными режимами осциллографа — это сохраняет целостность сигнала.

С другой стороны, реле, как правило, большие, дорогие, медленные, требуют значительной мощности, добавляют в цепь большую катушку с проводом (это может привести к сильному шуму) и имеют механические части, склонные к отказу.Твердотельные реле существуют и решают некоторые из этих проблем, но они не особенно дешевы.

Когда на катушку с проводом подается ток, реле замыкается, позволяя току пройти. На самом деле в схему обычно добавляют транзистор, чтобы обеспечить достаточную мощность для управления реле, в то время как диод защищает транзистор от всплеска обратного напряжения, вызванного отключением питания реле (энергия, запасенная в магнитном поле катушки, должна быть иди куда-нибудь!). Если реле подключено параллельно переключателю в каком-либо внешнем устройстве (например, пульте дистанционного управления), замыкание реле похоже на замыкание переключателя.

Биполярные переходные транзисторы (BJT)

BJT — очень распространенный тип транзисторов. Их функция — усиливать ток. Если перед продолжением будет полезен краткий обзор того, как они работают, это краткое руководство может помочь.

Небольшой ток между базой и эмиттером управляет гораздо большим током между коллектором и эмиттером. Если коллектор и эмиттер расположены параллельно разомкнутому переключателю, то состоянием этого переключателя можно легко управлять с помощью выходного контакта микроконтроллера.

Транзисторам

требуется контроль тока, а GPIO вашего микроконтроллера пытаются выдать заданное напряжение. Вам нужен трансформатор напряжения в ток, также известный как резистор. (См. Закон Ома.) Точное значение может варьироваться, но 10 кОм — хорошая отправная точка для замены кнопок. Простая тестовая схема (с использованием переключателя для обеспечения необходимого тока вместо микроконтроллера) может выглядеть примерно так:

Если бы вы взяли мультиметр и измерили сопротивление транзистора от коллектора до эмиттера, оно упало бы от разомкнутой цепи до почти нуля, когда между базой и эмиттером имеется ток.На самом деле между коллектором и эмиттером есть падение напряжения (около 0,3 вольт, но это зависит от транзистора), когда BJT « включен », но для наших целей достаточно думать об этом как о переходе от бесконечного сопротивления к нулю. .

Разумным выбором БЮТ является маститый 2N2222. Он доступен по всему миру, очень недорогой, достаточно быстрый и может рассеивать до 500 милливатт мощности, что в данном случае более чем достаточно. Однако большинство BJT типа NPN будут работать нормально.

Конкретный вариант использования

Рассмотрим следующий внешний динамик / радио с батарейным питанием розового цвета. Когда-то у него был инфракрасный пульт, теперь он потерян. Это не очень качественное устройство, но снова могло бы быть мало полезно, если бы был удобный способ его включения:

Нашим первым шагом является его разборка и определение того, какие контакты переключателя «включено» необходимо подключить для активации устройства:

Когда на устройство подается питание и переключатель установлен в положение «включено», мы видим 5 В относительно земли на двух контактах.Когда устройство выключено, только один из этих контактов имеет напряжение 5 В. Мы начинаем с припайки проводов к этим контактам, подачи питания на устройство и пересечения проводов. Устройство включилось и по умолчанию перешло в режим Aux. Как удобно!

Теперь, когда мы изолировали контакты переключателя, которые необходимо подключить, мы можем смонтировать быструю схему без контроллера переключателя на основе BJT и протестировать ее.

Когда правый вывод резистора подключен к источнику питания, сопротивление коллектора / эмиттера падает до нуля при измерении мультиметром.Если он упадет, но не совсем до нуля, возможно, ваш транзистор вставлен наоборот.

Поскольку это сработало, пришло время припаять его к перфорационной плате и подключить к микроконтроллеру, в данном случае к плате ESP8266 mini-D1. Вместо того, чтобы подключать базу транзистора к источнику питания, мы подключим его к одному из выходных контактов mini-D1 (мы выбрали D0).

В этом случае микропрограмма заставляет ESP8266 поднять высокий уровень на выводе D0, когда он получает определенный сетевой пакет UDP от приложения смартфона Android.Если бы мы хотели контролировать все функции динамиков, нам пришлось бы повторить этот процесс для каждого переключателя. По общему признанию, это не такое элегантное решение, как реверс-инжиниринг ИК-протокола, но оно универсально, достаточно быстрое, чтобы быть дневным проектом, не требующим большого опыта, и работает довольно хорошо.

Поздравляем — теперь у вас есть самое простое устройство Интернета вещей: коммутатор, подключенный к Интернету. Прежде чем впадать в безумие, вы можете подумать о добавлении некоторой безопасности в зависимости от того, что вы подключаете.

Также обратите внимание, что этот подход имеет некоторые недостатки. Не все переключатели работают с помощью простого электрического контакта: некоторые относительно распространенные переключатели зависят от изменения емкости. Также в средах с высоким уровнем шума возможно неожиданное срабатывание BJT, хотя это можно минимизировать, разместив базовый резистор как можно ближе к базе транзистора и, при необходимости, добавив небольшой заземленный металлический корпус (клетка Фарадея). вокруг BJT и близлежащих трасс. Наконец, когда BJT выходит из строя из-за перегрева, они часто создают короткое замыкание.Другими словами, помните о последствиях отказа вашей системы управления.

Обозначения схем биполярного транзистора

»Примечания по электронике

Условные обозначения схем для различных форм биполярных транзисторов: NPN, PNP, Дарлингтона, светочувствительный транзистор или фототранзистор. .

Цепи, схемы и символы Включает:
Обзор графических образов цепей
Резисторы
Конденсаторы
Индукторы, катушки, дроссели и трансформаторы
Диоды
Биполярные транзисторы
Полевые транзисторы
Провода, переключатели и соединители
Блоки аналоговых и функциональных схем
Логика

Для биполярных транзисторов не так много условных обозначений схем.Конечно, существуют разные символы схем для обозначения транзисторов NPN и PNP.

В дополнение к этому, некоторые символы схем транзисторов имеют кружок вокруг них, а другие нет. Те, у кого нет, широко используются в схемах, детализирующих внутреннюю схему ИС, поскольку легче включить несколько эмиттеров и другие варианты базового транзистора, если круг не включен.

Другие обозначения схем биполярных транзисторов включают обозначения фототранзисторов, транзисторов Дарлингтона и т. Д.

Обозначения цепи биполярного транзистора
Описание транзистора	Обозначение цепи
Транзистор биполярный NPN
Транзистор биполярный PNP
Транзистор биполярный NPN с маркированными электродами.
Биполярный транзистор NPN без внешнего круга
Фототранзистор биполярный NPN
Биполярный фототранзистор NPN без подключения к базе
Фототранзистор биполярный NPN
NPN photodarlington
Обозначение схемы транзисторной оптопары

Предыдущая страница
Следущая страница

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем

Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Его рабочие режимы и его работа

Основным устройством в области электротехники и электроники является регулируемый клапан, который позволяет слабым сигналом регулировать больший объем потока, аналогично соплу, которое регулирует поток воды из насосов, трубок и другие. Когда-то этот регулируемый клапан, который применялся в области электричества, представлял собой вакуумные лампы. Внедрение и использование электронных ламп были хорошими, но с этим были большие сложности и потребление огромной электроэнергии, которая передавалась в виде тепла, что сокращало срок службы лампы.В качестве компенсации этой проблемы транзистор был устройством, которое обеспечило хорошее решение, удовлетворяющее требованиям всей электрической и электронной промышленности. Это устройство было изобретено «Уильямом Шокли» в 1947 году. Чтобы обсудить больше, давайте углубимся в подробную тему знания, что такое транзистор, реализации транзистора в качестве переключателя и многих характеристик.

Что такое транзистор?

Транзистор — это трехконтактное полупроводниковое устройство, которое можно использовать для коммутации приложений, усиления слабых сигналов, а тысячи и миллионы транзисторов соединены между собой и встроены в крошечную интегральную схему / микросхему, которая создает компьютерную память.Транзисторный переключатель, который используется для размыкания или замыкания цепи, что означает, что транзистор обычно используется в качестве переключателя в электронных устройствах только для приложений с низким напряжением из-за его низкого энергопотребления. Транзистор работает как переключатель, когда он находится в областях отсечки и насыщения.

Типы биполярных транзисторов

По сути, транзистор состоит из двух PN-переходов, эти переходы формируются путем размещения полупроводникового материала N-типа или P-типа между парой полупроводниковых материалов противоположного типа.

Транзисторы с биполярным переходом подразделяются на типы

Транзистор имеет три вывода: база, эмиттер и коллектор. Эмиттер — это сильно легированный терминал, и он испускает электроны в базовую область. Клемма базы слегка легирована и пропускает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Коллекторный вывод промежуточно легирован и собирает электроны с базы.

Транзистор типа NPN представляет собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов N-типа между легированным полупроводниковым слоем P-типа, как показано выше.Точно так же транзисторы типа PNP представляют собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов P-типа между легированным полупроводниковым слоем N-типа, как показано выше. Функционирование транзисторов NPN и PNP одинаково, но они различаются по смещению и полярности источника питания.

Транзистор в качестве переключателя

Если в схеме используется BJT-транзистор в качестве переключателя, то смещение транзистора, NPN или PNP, настраивается для работы транзистора с обеих сторон кривых ВАХ, показанных ниже.Транзистор может работать в трех режимах: в активной области, в области насыщения и в области отсечки. В активной области транзистор работает как усилитель. В качестве транзисторного переключателя он работает в двух областях: Область насыщения (полностью включен) и Область отсечки (полностью выключена). Транзистор как схема переключателя —

Транзистор как переключатель

Оба типа транзисторов NPN и PNP могут работать как переключатели. В некоторых приложениях силовой транзистор используется в качестве коммутационного инструмента.В этом состоянии может не потребоваться использование другого сигнального транзистора для управления этим транзистором.

Рабочие режимы транзисторов

Из приведенных выше характеристик видно, что розовая заштрихованная область в нижней части кривых представляет область отсечки, а синяя область слева представляет область насыщения транзистора. Эти области транзистора определены как

Область отсечки

Условиями работы транзистора являются нулевой входной базовый ток (IB = 0), нулевой выходной ток коллектора (Ic = 0) и максимальное напряжение коллектора (VCE), что приводит к в большом слое истощения и отсутствие тока, протекающего через устройство.

Следовательно, транзистор переключен в положение «Полностью ВЫКЛ». Таким образом, мы можем определить область отсечки при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, поскольку соединения NPN-транзисторов имеют обратное смещение, VB <0,7 В и Ic = 0. Точно так же для транзисторов PNP потенциал эмиттера должен быть –ve по отношению к базе транзистора.

Режим отсечки

Затем мы можем определить «область отсечки» или «режим ВЫКЛ» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя как при обратном смещении обоих переходов, IC = 0 и VB <0.7v. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть отрицательным по отношению к клемме базы.

Характеристики области отсечки

Характеристики области отсечки следующие:

И база, и входные клеммы заземлены, что означает «0»
Уровень напряжения на переходе база-эмиттер меньше 0,7 В
Переход база-эмиттер находится в обратном смещенном состоянии
Здесь транзистор функционирует как ОТКРЫТЫЙ переключатель
Когда транзистор полностью ВЫКЛЮЧЕН, он перемещается в область отсечки
Переход база-коллектор в состоянии обратного смещения
На клемме коллектора не будет протекания тока, что означает Ic = 0
Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор и на выходных клеммах равно 1

Область насыщения

In В этой области транзистор будет смещен так, что будет приложена максимальная величина базового тока (IB), что приведет к максимальному току коллектора (IC = VCC / RL), а затем к минимальному значению коллектор-эмиттер. падение напряжения (VCE ~ 0).В этом состоянии обедненный слой становится минимально возможным и максимальным током, протекающим через транзистор. Поэтому транзистор включен «полностью».

Saturation Mode

Определение «области насыщения» или «режима включения» при использовании биполярного NPN-транзистора в качестве переключателя означает, что оба перехода имеют прямое смещение, IC = Максимум, и VB> 0,7В. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть + ve по отношению к базе. Это , работающий транзистора как переключатель .

Характеристики области насыщения

Характеристики насыщения :

И база, и входные клеммы подключены к Vcc = 5 В
Уровень напряжения на переходе база-эмиттер больше 0,7 В
База- эмиттерный переход находится в состоянии прямого смещения
Здесь транзистор функционирует как ЗАКРЫТЫЙ переключатель
Когда транзистор полностью выключен, он перемещается в область насыщения
Переход база-коллектор находится в состоянии прямого смещения
Текущий ток на клемме коллектора Ic = (Vcc / RL)
Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор, а на выходных клеммах равно «0»
Когда напряжение на переходе коллектор-эмиттер равно «0», это означает идеальное условие насыщения

Кроме того, работу транзистора как переключателя можно подробно объяснить следующим образом:

Транзистор как переключатель — NPN

В зависимости от значения приложенного напряжения на краю базы транзистора выполняется переключение.Когда между эмиттером и краями базы имеется хорошее напряжение, которое составляет ~ 0,7 В, тогда поток напряжения на коллекторе к краю эмиттера равен нулю. Таким образом, транзистор в этом состоянии работает как переключатель, а ток, протекающий через коллектор, считается током транзистора.

Таким же образом, когда на входной вывод не подается напряжение, транзистор работает в области отсечки и работает как разомкнутая цепь. В этом методе переключения подключенная нагрузка контактирует с точкой переключения, где она действует как контрольная точка.Таким образом, когда транзистор переходит в состояние «ВКЛ», через нагрузку будет протекать ток от вывода источника к земле.

Транзистор NPN в качестве переключателя

Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример.

Предположим, что транзистор имеет значение сопротивления базы 50 кОм, сопротивление на краю коллектора составляет 0,7 кОм, а приложенное напряжение составляет 5 В и принимает значение бета как 150. На краю базы сигнал, который изменяется от 0 до 5 В. применены.Это соответствует тому, что выход коллектора наблюдается путем изменения значений входного напряжения, которые составляют 0 и 5 В. Рассмотрим следующую диаграмму.

Когда V _CE = 0, тогда I _C = V _CC / R _C

IC = 5 / 0,7

Таким образом, ток на клемме коллектора составляет 7,1 мА

При значении бета 150 , тогда Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 мкА

Таким образом, базовый ток равен 47,3 мкА

При указанных выше значениях максимальное значение тока на клемме коллектора равно 7.1 мА при условии, что напряжение между коллектором и эмиттером равно нулю, а значение базового тока составляет 47,3 мкА. Таким образом, было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 47,3 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения.

Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 0 В. Это означает, что ток базы равен «0», и когда эмиттерный переход заземлен, эмиттер и базовый переход не будут находиться в состоянии прямого смещения. Итак, транзистор находится в выключенном состоянии, а значение напряжения на краю коллектора составляет 5 В.

Vc = Vcc — (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 5V. Здесь значение тока на краю базы можно узнать, используя принцип напряжения Кирхгофа.

Ib = (Vi — Vbe) / Rb

Когда рассматривается кремниевый транзистор, он имеет Vbe = 0,7 В

Итак, Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 мкА

Таким образом , было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 56.8 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения при входном состоянии 5 В.

Транзистор как переключатель — PNP

Функциональные возможности переключения для транзисторов PNP и NPN аналогичны, но отличие состоит в том, что в транзисторе PNP ток протекает от клеммы базы. Эта конфигурация переключения используется для отрицательного заземления. Здесь базовая кромка имеет соединение с отрицательным смещением в соответствии с кромкой эмиттера. Когда напряжение на клемме базы больше -ve, будет протекать ток базы.Чтобы было ясно, что, когда существуют клапаны с очень минимальным или отрицательным напряжением, это делает транзистор короткозамкнутым, если не разомкнутым, либо высоким импедансом.

В этом типе подключения нагрузка связана с коммутационным выходом вместе с контрольной точкой. Когда транзистор PNP находится в состоянии ВКЛ, ток будет течь от источника к нагрузке, а затем к земле через транзистор.

Транзистор PNP в качестве переключателя

Как и при переключении транзистора NPN, вход транзистора PNP также находится на краю базы, тогда как вывод эмиттера подключен к фиксированному напряжению, а вывод коллектора подключен к земле через нагрузку.На рисунке ниже поясняется схема.

Здесь клемма базы всегда находится в состоянии отрицательного смещения в соответствии с фронтом эмиттера и базой, подключенной к отрицательной стороне, и эмиттером на положительной стороне входного напряжения. Это означает, что напряжение от базы к эмиттеру отрицательное, а напряжение от эмиттера к коллектору положительное. Таким образом, проводимость транзистора будет, когда напряжение эмиттера будет более положительным, чем напряжение на выводах базы и коллектора.Таким образом, напряжение на базе должно быть более отрицательным, чем на других клеммах.

Чтобы узнать значение тока коллектора и базы, нам понадобятся следующие выражения.

Ic = Ie — Ib

Ic = β. Ib

Где Ub = Ic / β

Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример.

Предположим, что цепи нагрузки требуется 120 мА, а бета-значение транзистора равно 120. Тогда значение тока, необходимое для перехода транзистора в режим насыщения, равно

Ib = Ic / β

= 120 мА / 100 мА / сек.

Ib = 1 мАмп

Итак, когда ток базы равен 1 мАмп, тогда транзистор полностью находится в состоянии ВКЛ.В то время как в практических сценариях для правильного насыщения транзистора требуется примерно 30-40 процентов большего тока. Это означает, что базовый ток, необходимый для устройства, составляет 1,3 мА.

Операция переключения транзистора Дарлингтона

В некоторых случаях коэффициент усиления постоянного тока в устройстве BJT очень минимален для прямого переключения напряжения или тока нагрузки. Из-за этого используются переключающие транзисторы. В этом состоянии небольшое транзисторное устройство включено для включения и выключения переключателя, а увеличенное значение тока — для регулирования выходного транзистора.

Чтобы увеличить усиление сигнала, два транзистора соединены способом «комплементарной конфигурации сложения усиления». В этой конфигурации коэффициент усиления является результатом работы двух транзисторов.

Транзистор Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона обычно входят в состав двух биполярных транзисторов типа PNP и NPN, где они соединены таким образом, что значение усиления исходного транзистора умножается на значение усиления второго транзисторного устройства.

Это дает результат, в котором устройство работает как одиночный транзистор с максимальным коэффициентом усиления по току даже для минимального значения базового тока. Полный коэффициент усиления по току устройства переключения Дарлингтона является произведением значений коэффициента усиления по току как PNP-, так и NPN-транзисторов, и это представлено как:

β = β1 × β2

С учетом вышеизложенного, транзисторы Дарлингтона имеют максимальное β и коллектор. текущие значения потенциально связаны с переключением одного транзистора.

Например, когда входной транзистор имеет значение усиления по току 100, а второй имеет значение усиления 50, тогда общий коэффициент усиления по току равен

β = 100 × 50 = 5000

Итак, когда нагрузка ток составляет 200 мА, тогда значение тока в транзисторе Дарлингтона на клемме базы составляет 200 мА / 5000 = 40 мкА, что является большим уменьшением по сравнению с прошлым значением 1 мА для одного устройства.

Конфигурации Дарлингтона

В транзисторе Дарлингтона есть в основном два типа конфигурации, а именно:

Конфигурация переключателя транзистора Дарлингтона демонстрирует, что выводы коллектора двух устройств соединены с выводом эмиттера исходного транзистора, который имеет соединение с базовым краем второго транзисторного устройства.Таким образом, значение тока на выводе эмиттера первого транзистора будет формироваться, поскольку входной ток второго транзистора, таким образом, переводит его в состояние «Включено».

Входной транзистор, который является первым, получает свой входной сигнал на клемме базы. Входной транзистор обычно усиливается и используется для управления следующими выходными транзисторами. Второе устройство усиливает сигнал, что приводит к максимальному значению усиления по току. Одной из важнейших особенностей транзистора Дарлингтона является его максимальное усиление по току по сравнению с одним устройством BJT.

Помимо возможности максимальных характеристик переключения напряжения и тока, другим дополнительным преимуществом является максимальная скорость переключения. Эта операция переключения позволяет использовать устройство специально для цепей инвертора, двигателя постоянного тока, цепей освещения и регулирования шагового двигателя.

Разница, которую необходимо учитывать при использовании транзисторов Дарлингтона по сравнению с обычными одинарными типами BJT при реализации транзистора в качестве переключателя, заключается в том, что входное напряжение на переходе базы и эмиттера должно быть больше, что составляет почти 1.4 В для кремниевого типа устройства, так как из-за последовательного соединения двух PN-переходов.

Некоторые из общих практических применений транзистора в качестве переключателя

В транзисторе, если ток не течет в цепи базы, ток не может течь в цепи коллектора. Это свойство позволит использовать транзистор в качестве переключателя. Транзистор можно включать и выключать, меняя базу. Есть несколько применений схем переключения, работающих на транзисторах. Здесь я рассмотрел транзистор NPN, чтобы объяснить несколько приложений, в которых используется транзисторный переключатель.

Световой выключатель

Схема разработана с использованием транзистора в качестве переключателя для зажигания лампы при ярком освещении и выключения ее в темноте и светозависимого резистора (LDR) в делителе потенциала. В темноте в окружающей среде сопротивление LDR становится высоким. Затем транзистор выключается. Когда LDR подвергается воздействию яркого света, его сопротивление падает до меньшего значения, что приводит к увеличению напряжения питания и увеличению тока базы транзистора. Теперь транзистор включен, коллекторный ток течет и лампочка загорается.

Переключатель с обогревом

Одним из важных компонентов цепи переключателя с обогревом является термистор. Термистор — это тип резистора, который реагирует в зависимости от окружающей температуры. Его сопротивление увеличивается при низкой температуре и наоборот. Когда термистор нагревается, его сопротивление падает, а базовый ток увеличивается, после чего увеличивается ток коллектора, и срабатывает сирена. Эта конкретная схема подходит как система пожарной сигнализации.

Переключатель с подогревом

Управление двигателем постоянного тока (драйвер) в случае высокого напряжения

Учтите, что на транзистор не подается напряжение, тогда транзистор отключается и ток через него не течет. Следовательно, реле остается в выключенном состоянии. Питание на двигатель постоянного тока подается от нормально замкнутой (NC) клеммы реле, поэтому двигатель будет вращаться, когда реле находится в состоянии ВЫКЛ. Подача высокого напряжения на базу транзистора BC548 вызывает включение транзистора и включение катушки реле.

Практический пример

Здесь мы узнаем значение базового тока, необходимого для полного перехода транзистора в состояние ВКЛ, когда нагрузке требуется ток 200 мА при увеличении входного значения до 5 В. Также знайте стоимость руб.

Значение базового тока транзистора составляет

Ib = Ic / β с учетом β = 200

Ib = 200 мА / 200 = 1 мА

Значение базового сопротивления транзистора Rb = (Vin — Vbe) / Ib

Руб = (5-0.7) / 1 × 10 ^-3

Rb = 4,3 кОм

Транзисторные переключатели широко используются в различных приложениях, например, для передачи большого тока или высокого напряжения оборудования, такого как двигатели, реле или светильники, с минимальным значение напряжения, цифровые ИС или используемые в логических элементах, таких как элементы И или ИЛИ. Кроме того, когда выходной сигнал логического элемента равен + 5 В, тогда как устройству, которое необходимо регулировать, может потребоваться напряжение питания 12 или даже 24 В.

Или такой нагрузке, как двигатель постоянного тока, может потребоваться контроль скорости с помощью нескольких непрерывных импульсов. Транзисторные переключатели позволяют выполнять эту операцию быстрее и проще по сравнению с традиционными механическими переключателями.

Зачем использовать транзистор вместо переключателя?

При использовании транзистора вместо переключателя даже минимальная величина базового тока регулирует более высокий ток нагрузки на выводе коллектора. Используя транзисторы вместо переключателя, эти устройства поддерживаются реле и соленоидами.Тогда как в случае, когда необходимо регулировать более высокие уровни токов или напряжений, используются транзисторы Дарлингтона.

В целом, вкратце, некоторые из условий, которые применяются при работе транзистора в качестве переключателя, следующие:

При использовании BJT в качестве переключателя, тогда необходимо использовать либо неполное, либо полное состояние ВКЛ.
При использовании транзистора в качестве переключателя минимальное значение тока базы регулирует повышенный ток нагрузки коллектора.
При реализации транзисторов для переключения в качестве реле и соленоидов лучше использовать диоды маховика.
Для регулирования больших значений напряжения или тока лучше всего подходят транзисторы Дарлингтона.

И эта статья предоставила исчерпывающую и ясную информацию о транзисторе, рабочих областях, работе как коммутатор, характеристиках и практическом применении. Другая важная и связанная с этим тема, которую необходимо знать, это что такое цифровой логический транзисторный переключатель и его рабочая принципиальная схема?