Как работает транзистор: что это и для чего он необходим

Содержание
  1. Что такое транзистор?
  2. Устройство
  3. Применение
  4. Транзистор как усилитель
  5. Базовый принцип работы
  6. Внешний вид и обозначение транзистора
  7. Основные характеристики транзистора
  8. Типы подключений транзисторов
  9. Режимы работы транзистора
  10. Нормальный активный р-м транзистора
  11. Инверсный активный р-м транзистора
  12. Р-м насыщения транзистора
  13. Р-м отсечки транзистора
  14. Барьерный р-м транзистора
  15. Виды транзисторов
  16. Униполярные транзисторы
  17. Биполярные транзисторы
  18. Комбинированные транзисторы
  19. Биполярный транзистор
  20. Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников
  21. Схемы включения биполярного транзистора
  22. Полевой транзистор
  23. Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников
  24. Схемы включения униполярного транзистора
  25. Отличие биполярных транзисторов от униполярных транзисторов
  26. Видео, поясняющие принцип работы транзистора простым языком
  27. Как подобрать транзистор
  28. Проверка простой схемой включения транзистора
  29. Пошаговая инструкция проверки мультиметром
  30. Основные причины неисправности
  31. Советы
  32. Как работает транзисторный ключ
  33. Применение транзисторного ключа в связке с МК
  34. Условия для работы транзисторного ключа
  35. Практика работы составного транзистора
  36. Достоинства и недостатки составных транзисторов

Что такое транзистор?

В современном понимании транзистор — это полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управляет им. Обычный ПТ имеет три вывода: базу, на которую подаются управляющие сигналы, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Масштабы размеров ПП ошеломляют: от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах) до сантиметров в диаметре у мощных транзисторов, предназначенных для электростанций и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключенных в корпус. Полупроводники — это материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химэлементов. В настоящее время ведутся исследования по подготовке некоторых полимеров и даже углеродных нанотрубок на роль полупроводниковых материалов. Судя по всему, в ближайшее время нам станут известны новые свойства графеновых униполярных транзисторов.

Раньше полупроводниковые кристаллы размещались в металлических ящиках в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была типичной для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских ПП, в том числе и кремниевых, выполняются на основе монокристалла, легированного в определенных частях. Их запрессовывают в пластиковые, стеклометаллические или металлокерамические оболочки. Некоторые из них имеют выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторах.

Электроды современных транзисторов расположены в ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматического монтажа плат. Клеммы на корпусах не обозначаются. Вид электрода определяют по справочникам или измерениям.

ВАЖНО! Для транзисторов используются полупроводниковые кристаллы с различным строением, например pnp или npn. Отличаются они полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделенных дополнительным слоем. (См. рис. 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью ПТ.

Структура транзисторов
Рис. 1. Строение транзисторов.

На рис. 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Есть еще один класс полевых транзисторов, о котором пойдет речь далее.

Применение


Сам по себе транзистор не может усиливать мощность блока питания, но является основным элементом системы усиления. Он помогает контролировать выходную мощность, которая во много раз превышает показатель регулирования. Он включается в разрыв между нагрузкой и питающим источником питания, при этом сопротивление можно быстро измерить.

Области применения:

  • системы усилителей (УНЧ). Используются биполярный и полевой, устройства работают в ключевом регламенте регенераторов цифровых импульсов;
  • системы усиления высоких частот (УВЧ). Транзисторы ставятся во входных контурах приемников РТА;
  • как генераторы импульсов. Они используются для возбуждения прямоугольных (ключевой) и произвольных (линейное регулирование) сигналов;
  • они также используются в каскадах электрического усиления и коммутации в виде активных устройств.

Транзистор как усилитель

Транзистор тоже может действовать как небольшой усилитель сигнала, что означает, что он может находиться в любом положении между «полностью включен» и «полностью выключен».

Это означает, что слабый сигнал может управлять транзистором и создавать более сильную копию этого сигнала на переходе коллектор-эмиттер (или сток-исток). Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Вот простой усилитель для того, чтоб управлять динамиком прямоугольным сигналом:

транзистор как усилитель

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не течет. Возникающее в результате взаимодействия слоев сопротивление эмиттерного перехода препятствует прохождению электрического тока. Для включения транзистора требуется подать небольшое напряжение на его базу.

На рис. 2 показана схема, поясняющая принцип работы триода.

Принцип работы
Рис. 2. Принцип работы

Управляя базовыми токами, можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, он изменит амплитуду выходных токов. В этом случае выходной сигнал будет в точности повторять частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, будет происходить усиление электрического сигнала, поступившего на вход.

Поэтому ПТ могут работать в режиме электронных ключей или в усилении входных сигналов.

Работу устройства в электронном ключе можно понять из рис. 3.

Триод в ключевом режиме
Рис. 3. Триод в ключе

Внешний вид и обозначение транзистора

Первый рабочий прототип биполярного транзистора
Первый транзистор.

На фото вы видите первый работающий транзистор, который был создан в 1947 году тремя учеными: Уолтером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли.

Хотя первый транзистор и выглядел не очень презентабельно, это не помешало ему произвести революцию в радиоэлектронике.

Трудно представить, какой была бы современная цивилизация, если бы не был изобретен транзистор.

Транзистор — первое твердотельное устройство, способное усиливать, генерировать и преобразовывать электрический сигнал. Он не имеет деталей, подверженных вибрации, и имеет компактные размеры. Это делает его очень привлекательным для электроники.

Это было небольшое введение, а теперь давайте подробнее рассмотрим, что такое транзистор.

Во-первых, стоит напомнить, что транзисторы делятся на два широких класса. К первым относятся так называемые биполярные, а ко вторым — полевые (они же униполярные). Основой таких транзисторов является полупроводник. Основным материалом для производства полупроводников являются германий и кремний, а также соединение галлия и мышьяка — арсенид галлия (GaAs).

Стоит отметить, что наибольшее распространение получили транзисторы на основе кремния, хотя этот факт может скоро измениться, так как технологии постоянно развиваются.

Так уж получилось, но в самом начале развития ПП ведущее место занимал биполярный транзистор. Но мало кто знает, что изначально основное внимание уделялось созданию униполярного транзистора. Его довели до ума позже.

Мы не будем вдаваться в подробное описание устройства транзистора на физическом уровне, а сначала выясним, как оно обозначается на принципиальных схемах. Для начинающих радиолюбителей в электронике это очень важно и полезно.

Для начала необходимо сказать, что биполярные транзисторы могут быть двух разных конструкций. Это строение P-N-P и NPN. Не вдаваясь в теорию, просто запомните, что биполярный транзистор может быть PNP или NPN.

Биполярные транзисторы обозначаются так.

Условное графическое обозначение транзистора на схеме

Как видите, на рисунке показаны два условных графических символа. Если стрелка внутри круга указывает на центральную линию, то это транзистор PNP. Если стрелка указывает наружу, то он имеет строение NPN.

Маленький совет.

Чтобы не запоминать условное обозначение и сразу определить проводимость (pnp или npn) биполярного транзистора, можно воспользоваться этой аналогией.

Во-первых, давайте посмотрим, куда указывает стрелка на условном изображении. Далее представляем, что идем по направлению стрелки, и если попадем в «стену» — вертикальную черту — то, значит, «Прохода нет!» «Нет» означает pnp (PNP).

Ну а если идти и не упираться в «стенку», то  показан транзистор npn строения. Подобную аналогию можно использовать с полевыми транзисторами при определении канала (n или p).

Обычно дискретный, т.е. отдельный транзистор имеет три вывода. Раньше его даже называли ПТ. Иногда он может иметь четыре вывода, но четвертый используется для подключения металлического корпуса к общему проводу. Он экранирован и не подключен к другим выводам. Также один из выводов, обычно коллектор (будет рассмотрен позже), может быть в виде фланца для крепления к радиатору охлаждения или быть частью металлического корпуса.

Вот взгляните. На фото представлены различные транзисторы советского производства, а также начала 90-х годов.

Советские биполярные транзисторы

А вот современный импорт.

Современные импортные биполярные транзисторы

Каждый из транзисторных выводов имеет свое назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти наименования сокращаются и пишутся просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных сстемах выход коллектора маркируется буквой С, это происходит от слова Collector — «коллектор» (глагол Collect — «собирать»). Выход базы обозначен как В, от слова Base (от англ. Base — «основной»). Это управляющий электрод. Ну а вывод эмиттера обозначается буквой Е, от слова Emitter — «эмитент» или «источник выбросов». В этом случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.

Контакты транзистора

Выводы транзисторов необходимо припаять к электросхеме, строго соблюдая цоколевку. То есть вывод коллектора припаивается именно к той части схемы, куда он должен быть подключен. Нельзя впаивать вывод коллектора или эмиттера вместо вывода базы. В противном случае схема работать не будет.

Как узнать, где коллектор, а где эмиттер? Все просто. Тот, у кого стрелка, всегда является эмиттером. Штифт, нарисованный перпендикулярно (под углом 90°) к центральной линии, является базовым выводом. А тот, что остался, — это коллектор.

Также на принципсхемах транзистор маркируется символом VT или Q. В старых советских книгах по электронике можно встретить обозначение в виде буквы V или T. Далее указывается порядковый номер транзистора, например, Q505 или VT33. Следует иметь в виду, что буквами VT и Q обозначаются не только биполярные, но и полевые транзисторы.

Далее мы научимся находить транзисторы на печатной плате электронного устройства.

В реальной электронике транзисторы легко спутать с другими электронными компонентами, такими как симисторы, тиристоры, интегральные регуляторы, поскольку они имеют одинаковый корпус. Особенно легко запутаться, когда к электронному компоненту применяется не популярная маркировка.

При этом следует знать, что на многих печатных платах промаркировано позиционирование и указан тип радиоэлемента. Это так называемая шелкография. Так, на печатной плате рядом с деталью может быть написано Q305. Это означает, он является транзистором, и его порядковый номер на 305. Бывает и так, что рядом с выводами указано наименование электрода транзистора. Так что если рядом с выводом стоит буква Е, то это излучающий электрод транзистора. Таким образом можно чисто визуально определить, что установлено на плате — транзистор или совсем другой радиоэлемент.

Как уже говорилось, это утверждение справедливо не только для биполярных транзисторов, но и для униполярных. Поэтому после определения вида радиоэлемента необходимо уточнить класс транзистора (биполярный или униполярный) по маркировке, нанесенной на его корпус.

Транзистор на печатной плате
Униполярный транзистор FR5305 на печатной плате прибора. Рядом указан вид радиоэлемента — VT.

Любой транзистор имеет свой номинал или маркировку. Пример маркировки: КТ814. Из него можно узнать все параметры. Как правило, они указываются в техпаспорте (даташит). Это также справочный лист или техническая документация. Также могут быть транзисторы той же серии, но с немного другими электрическими параметрами. Тогда название содержит дополнительные символы в конце или, реже, в начале маркировки (например, букву А или Д).

Зачем возиться со всякими лишними обозначениями? Дело в том, что в процессе изготовления очень сложно добиться одинаковых характеристик у всех транзисторов. Всегда есть определенная, пусть и небольшая, разница в параметрах. Поэтому их делят на группы (или модификации).

Строго говоря, параметры транзисторов из разных партий могут существенно различаться. Особенно это было заметно раньше, когда технология их производства только оттачивалась.

Основные характеристики транзистора

Главной особенностью всех транзисторов является возможность управлять мощным током с помощью маломощного. Их соотношение показывает, насколько эффективен ПП.

У биполярных транзисторов этот показатель называется базовым статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз ток основного коллектора больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

ВАЖНО! Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», на самом деле это не так. Скорее, здесь применима поговорка «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в диапазоне от 10 до 50.

Для униполярных транзисторов аналогичный параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Короче говоря, он показывает, насколько изменится напряжение на канале, если напряжение на затворе изменится на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, он усилит его во много раз. Это свойство ПП используется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления по частоте, выше которого триод не может усиливать сигнал.

ВАЖНО! Поэтому оптимальной считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз меньше максимального коэффициента усиления по частоте транзистора.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимально допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электроприбора выделяется тепло. Оно тем выше, чем выше значение тока и напряжения в цепи.

Отводится тепло различными способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува и др. Так что есть некий предел количества тепла для любого триода (у каждого разный), которое он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе устройства исходят из особенностей электрической цепи, в которой будет установлен транзистор.

Типы подключений транзисторов

Основная задача транзистора — усиление поступающего сигнала. Проблема в том, что у любого триода всего лишь три контакта, а у самого усилителя четыре полюса: два на входной сигнал и два на выходящий, т.е. усиленный. Выход — использовать один из контактов транзистора дважды: как вход и как выход.

схемы подключения транзисторов

По этому принципу различают три соединения. Стоит отметить, что принципиальной разницы не имеет, какой транзистор используется: униполярный или биполярный.

  1. Соединение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Она имеет самые большие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его ЧХ значительно хуже. С этим негативным явлением борются несколькими способами: используют соединение с общей базой, применяют каскадное соединение двух транзисторов (к одному, подключенному через общий эмиттер, добавляется второй, подключенный через общую базу).
  2. Соединение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь влияние эффекта Миллера полностью исключено. Однако за это приходится платить: в этой практически нет усиления тока, зато есть широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
  3. Подключение к общему коллектору (ОК) или общему стоку (ОС). Этот вид соединения часто называют истоковым или эмиттерным повторителем. Это «золотая середина» между двумя вышеперечисленными типами списке выше: ЧХ и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между первыми двумя.

Описанные выше используются в зависимости от целей конструкторов.

Режимы работы транзистора

Нормальный активный р-м транзистора

Переход база-эмиттер включен в прямом направлении 2 (открыт), а переход база-коллектор включен в обратном направлении (закрыт):

UЭБ>0; UKБ<0 (для транзистора npn), для транзистора pnp условие будет выглядеть как UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный р-м транзистора

Эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом направлении: UKБ>0; UЭБ<0 (для транзистора npn).

Р-м насыщения транзистора

Оба pn-перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный p-n переходы подключены к внешним источникам в прямом направлении, то транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБ и UKБ. В результате потенциальный барьер, ограничивающий диффузию основных носителей заряда, уменьшится и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (ИЭ. нас) и коллектора (ИК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (УКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог открытого РСИ для полевых транзисторов). Точно так же напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) представляет собой падение напряжения между базой и эмиттером в открытом транзисторе.

Р-м отсечки транзистора

В этом режиме коллекторный p-n переход смещен в противоположном направлении, а к эмиттерному переходу можно прикладывать как прямое, так и обратное смещение, не превышая порогового значения, при котором начинается эмиссия носителей заряда в базовую область из эмиттера (для кремниевых транзисторов около 0,6-0,7 В).

Он соответствует условию UЭБ<0,6-0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный р-м транзистора

В нем база постоянного тока транзистора через небольшой резистор замыкается на его коллектор, а резистор подключается к цепи коллектора или эмиттера транзистора, которая задает ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своего рода диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Такие каскадные схемы отличаются малым количеством компонентов, хорошей высокочастотной развязкой, широким диапазоном рабочих температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Виды транзисторов

По принципу действия и конструкции различают следующие полупроводниковые триоды:

  • униполярные;
  • биполярные;
  • комбинированные.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, но есть отличия в принципе их работы.

Униполярные транзисторы

Этот тип триода еще называют униполярным благодаря электрическим свойствам: в них протекает ток только одной полярности. По устройству и виду управления эти устройства делятся на 3 типа:

  1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
  2. С изолированным затвором (есть со встроенным каналом или с индуцированным каналом).
  3. МДП, со строением: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительной особенностью изолированного затвора является наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электрическому току.

Схемы полевого триода показаны на рис. 5.

Полевые транзисторы
Рис. 5. Полевые транзисторы

Изображение полевого триода
Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Униполярные транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать более года с небольшой батареей или аккумулятором. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные устройства и т д.

Биполярные транзисторы

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Основной принцип работы». Отметим только, что название «Биполярный» устройство получило из-за возможности пропускать по одному каналу заряды противоположных знаков. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы и действуют как переключающие устройства. В коллекторную цепь можно включить достаточно мощную нагрузку. Из-за большого тока коллектора сопротивление нагрузки может быть уменьшено.

Более подробно устройство и принцип работы рассмотрим ниже.

Комбинированные транзисторы

Для достижения определенных электрических параметров от использования одного дискретного радиоэлемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них:

  • биполярные транзисторы со встроенными резисторами;
  • комбинации двух триодов (одинаковых или разных конструкций) в одном корпусе;
  • лямбда-диоды — комбинация двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
  • конструкции, в которых триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (используемым для того, чтобы управлять электродвигателями).

Комбинированные транзисторы — это, по сути, элементарная микросхема в едином корпусе.

Биполярный транзистор


ПП состоит из трех слоев разной проводимости, каждый из которых соединен с токопроводящими контактами.

В зависимости от степени электропроводности коллекторный, базовый и эмиттерный слои мало различаются, но при производстве подвергаются разным уровням легирования:

  • первый слегка легирован, что позволяет увеличить напряжение коллектора;
  • в эмиттер во время производства добавляется много примесей. Величина обратного пробойного напряжения не становится критической, так как устройства работают с прямосмещенным переходом. Улучшенное легирование обеспечивает повышенную инжекцию вторичных носителей заряда в базовый слой.

ВАЖНО! Базовый слой слегка легирован, так как он расположен между коллектором и эмиттером. Этот слой должен показывать высокое сопротивление.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип работы триодов, разберемся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и т д., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность — если добавить определенные примеси, они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) вызывают появление свободных электронов, другие (акцепторы) образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то мы получим полупроводник с избытком электронов (строение n-Si). При добавлении бора (акцептора) легированный кремний станет дырочно-проводящим полупроводником (p-Si), то есть в его строении будут преобладать положительно заряженные ионы.

Однонаправленная проводимость.

Давайте проведем мысленный эксперимент: подключим два разнородных полупроводника к источнику питания и запитаем нашу конструкцию. Произойдет что-то неожиданное. Если вы подключите отрицательный вывод к кристаллу n-типа, цепь замкнется. Однако, если мы поменяем полярность, в цепи не будет электрического тока. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разным типом проводимости между ними образуется область с p-n-переходом. Часть электронов (носителей заряда) из кристалла n-типа перетечет в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа — из отрицательных ионов, а в области p-типа — из положительных ионов. Разность потенциалов достигает значения от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где

VT — значение термодинамического напряжения, Nn и Np — концентрация электронов и дырок соответственно, ni — собственная концентрация.

Подключив плюс к p-проводнику, а минус — к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В этом случае переход открыт. Но если полюса поменялись местами, переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n-переход образует однонаправленную проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим еще один слой между двумя полупроводниками с одинаковыми структурами. Например, между пластинами кремния p-типа мы вставляем проводящий слой (n-Si). Нетрудно догадаться, что будет происходить в контактных зонах. По аналогии с описанным выше процессом образуются области с p-n переходами, которые блокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором независимо от полярности тока.

Самое интересное происходит, когда мы подаем небольшое напряжение на средний (базовый) слой. В нашем случае мы подаем ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой будет протекать ток. При этом слой начнет насыщаться дырками, что приведет к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нем видно, что положительные ионы заполнили все пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проведению тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора pnp.

Принцип работы триода
Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор быстро возвращается в исходное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство также может работать в режиме усилителя.

Ток коллектора прямо пропорционален току базы: Iк = β*IБ, где β — коэффициент усиления по току, IБ — ток базы.

При изменении значения управляющего тока изменится интенсивность образования дырок в базе, что будет означать пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используется для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе получается та же частота усиления, но с гораздо большей амплитудой (задаваемой напряжением, подаваемым на цепь коллектор-эмиттер).

ВАЖНО! Транзисторы NPN работают аналогичным образом. Меняется только полярность напряжения. Устройства со строением npn являются прямыми проводниками. Транзисторы pnp имеют обратную проводимость.

Остается добавить, что полупроводниковый кристалл аналогично реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и выключая фотонный поток или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или изменять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники применяют следующие схемы подключения: с общей базой, общими излучающими электродами и включение с общим коллектором (рис. 8).

Схемы подключения биполярных триодов
Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

  • низкое входное сопротивление, не превышающее 100 Ом;
  • хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
  • допускается большое напряжение;
  • требуется два разных блока питания.

С общим эмиттером имеют:

  • большие коэффициенты усиления по току и напряжению;
  • низкий коэффициент усиления мощности;
  • инверсию выходного напряжения по отношению к входному.

При таком подключении достаточно одного блока питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

  • высокое входное и низкое выходное сопротивление;
  • низкий коэффициент усиления по напряжению (< 1).

Полевой транзистор


Назначение такое же, как и у биполярного, но другое строение. Транзисторы выдерживают более большие мощности при аналогичных размерах.

В состав вошли следующие радиоэлементы:

  • сток для приема высокого напряжения;
  • затвор для регулируемого напряжения;
  • источник для распределения напряжения в открытом положении.

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Строение униполярного транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нем не проходит через области p-n перехода. Заряды перемещаются по регулируемой площади, называемой затвором. Способность пропускания затвора регулируется напряжением.

Пространство pn зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. рис. 9). Следовательно, количество свободных носителей заряда изменяется от полного разрушения до окончательного насыщения. В результате такого воздействия на затвор регулируется ток в электродах стока (контактах, выводящих обработанный ток). Входящий ток протекает через контакты истока.

FET с p-n переходом
Рис. 9. Униполярный транзистор с pn-переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Вы видели их системы на рисунке 5.

Схемы включения униполярного транзистора

На практике используются подключения по аналогии с биполярным триодом:

  • с общим истоком — обеспечивает большое усиление по току и мощности;
  • с общим затвором, обеспечивающие низкий входной импеданс и низкий коэффициент усиления (имеет ограниченное использование);
  • с общим стоком, которые работают так же, как и с общим эмиттером.

На рис. 10 показаны различные схемы подключения.

Изображение схем подключения полевых триодов
Рис. 10. Изображение схем подключения полевого триода

Почти все схемы могут работать с очень низкими входными напряжениями.

Отличие биполярных транзисторов от униполярных транзисторов

Полевыми транзисторами управляют электрические поля, поэтому они очень энергоэффективны. Именно поэтому они используются при изготовлении процессоров.

С другой стороны, у униполярных транзисторов есть слабое место. Это тонкий pn-переход. Он очень чувствителен к статическому электрическому току. Кстати, именно из-за статического электрического тока перестают работать флешки и карты памяти, если во время работы вынуть их из устройства.

Схемы защиты от электростатического разряда не успевают сработать, и статический электрический ток разрушает униполярные транзисторы.

А вот биполярные транзисторы, наоборот, лучше переносят статику. Но при этом они потребляют больше энергии, так как для их открытия нужен электрический ток.

Видео, поясняющие принцип работы транзистора простым языком

Как подобрать транзистор

Транзистор NPN является наиболее распространенным типом биполярного транзистора. Но есть еще один тип биполярного транзистора, PNP-транзистор, который работает точно так же, как и NPN, только все токи текут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно учитывать величину тока, который транзистор может пропустить через себя без повреждения. Это называется током коллектора (Ic).

Проверка простой схемой включения транзистора

Соберите схему с транзистором, как показано на рисунке. В этой схеме транзистор действует как переключатель. Такую схему можно быстро собрать на печатной плате, например. Обратите внимание на резистор 10Ком, который включен в базу транзистора.

Это очень важно, иначе при проверке транзистор «сгорит». Если транзистор исправен, то при нажатии кнопки светодиод должен загораться, а при отпускании кнопки — гаснуть. Эта схема предназначена для тестирования транзисторов npn. Если нужно проверить pnp транзистор, то в этой схеме следует поменять местами контакты светодиода и подключить наоборот источник питания.

Проверить транзистор мультиметром проще и удобнее. Кроме того, существуют мультиметры с функцией проверки транзисторов. Они показывают ток базы, ток коллектора и даже коэффициент усиления транзистора.

Пошаговая инструкция проверки мультиметром

проверка транзистора мультиметром

Перед началом испытаний в первую очередь определяется строение триодного устройства, на что указывает стрелка эмиттерного перехода. Когда направление стрелки указывает на основание, это вариант PNP, направление от основания указывает на проводимость NPN.

Проверка NPN-транзистора мультиметром состоит из следующих последовательных операций:

  1. Проверяем обратное сопротивление, для этого подключаем «плюсовой» щуп прибора к его базе.
  2. Проверяем эмиттерный переход, для этого подключаем «минусовой» щуп к эмиттеру.
  3. Для проверки коллектора подносим к нему «минусовой» щуп.

Результаты этих измерений должны показать сопротивление в пределах значения «1».

Для проверки прямого сопротивления меняем щупы местами:

  1. Присоединяем «минусовой» щуп прибора к базе.
  2. В качестве альтернативы мы перемещаем «положительный» щуп с эмиттера на коллектор.
  3. На экране мультиметра показания сопротивления должны быть от 500 до 1200 Ом.

Эти показания говорят о том, что переходы не нарушены, транзистор технически исправен.

У многих любителей возникают трудности с определением базы и, следовательно, коллектора или эмиттера. Некоторые советуют начинать определение базы, вне зависимости от конструкции, таким образом: поочередно подключая черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – ко второму и третьему по очереди.

База будет обнаружена, когда напряжение на устройстве начнет падать. Это означает, что найдена одна из пар транзисторов: «база — эмиттер» или «база — коллектор». Далее необходимо точно так же определить расположение второй пары. Общий электрод для этих пар будет базой.

Основные причины неисправности

транзистор
Наиболее распространенные причины выхода из строя триодного радиоэлемента в электронной схеме следующие:

  1. Обрыв перехода между составными частями.
  2. Пробой одного из переходов.
  3. Выход из строя коллектора или эмиттера.
  4. Утечка мощности под напряжением цепи.
  5. Видимые повреждения выводов.

Характерными внешними признаками такого разрыва являются почернение детали, припухлость и появление черного пятна. Поскольку эти изменения оболочки происходят только с мощными транзисторами, проблема диагностики маломощных транзисторов остается актуальной.

Советы

  1. Способов определить неисправность много, но для начала нужно разобраться в устройстве самого радиоэлемента и конструктивных особенностях.
  2. Выбор прибора для проверки является важным моментом в отношении качества результата. Поэтому при недостатке опыта не стоит ограничиваться подручными средствами.
  3. При проведении испытания необходимо четко понимать причины выхода из строя проверяемой детали, чтобы не вернуться со временем к такому же состоянию неисправности бытовых приборов.

Как работает транзисторный ключ

В этой статье мы увидим, как работает транзисторный ключ в биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые радиоэлементы выпускаются двух видов: n-p-n и p-n-p-строения, различаются типом используемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды — «дырки», в n-полупроводнике — отрицательные заряды — электроны).
Типы полупроводниковых структур биполярных транзисторов

Выводы БТ называются базой, коллектором и эмиттером, которые имеют графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.
Обозначение биполярных транзисторов в схемах

Для понимания принципа работы и отдельных процессов, происходящих в биполярных транзисторах, их представляют в виде двух диодов, соединенных последовательно и один за другим.
Схема замены транзистора на диоды

Ниже представлена ​​наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме.
Схема включения транзистора

Для открытия транзисторного ключа необходимо подвести к обоим p-n переходам потенциалы определенного знака. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении. Для этого электроды источника питания UКЭ подключаются к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RK. Отметим, что положительный потенциал UKЭ подается на коллектор через RK, а отрицательный — на эмиттер. Для полупроводникового строения pnp полярность подключения питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в коллекторной цепи RK служит нагрузкой, одновременно защищающей биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Значение UБЭ должно быть не менее 0,6 В, иначе эмиттерный переход не откроется полностью, что вызовет дополнительные потери энергии в радиоэлементе.

Чтобы не перепутать полярность подключения питающего напряжения UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разных радиоструктур, обратите внимание на направление стрелки излучателя. Стрелка указывает на течение электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки, достаточно просто разместить источники напряжения в правильном направлении.
Схема транзисторного ключа

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальный ток, который может отдать МК на одну ножку, составляет 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа.

Резистор RБЭ не нужен, т.к. выходы МК «подтягиваются» к нулю еще при программировании.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью «открыть» транзистор:

1) Для полного открытия транзистора напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 В.

2) Сила тока, протекающего через базу, должна быть такой, чтобы электрический ток мог протекать через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале сопротивление на коллекторе-эмиттере должно стать равным нулю, в реальной жизни оно будет иметь доли ома. Этот режим называется «режимом насыщения».

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерного повторителя). При выборе транзисторов следует ориентироваться на b1~b2 и b3~b4. Разницу можно компенсировать подбором пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13~b24.

  • схема на рис. 3 а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведенных схем — требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или отдельных радиаторов) и дает наименьший размах напряжения, так как между базами СТ оно должно падать ~2В , иначе сильно будут проявляться искажения «ступенька»;
  • схема на рис. 3 б досталась в наследство от времени, когда еще не производились комплементарные пары мощных транзисторов. Единственное преимущество по сравнению с предыдущей версией — меньшее падение напряжения ~1,8 В и больший размах без искажений;
  • схема на рис. 3 в наглядно демонстрирует преимущества СТШ: минимальные перепады напряжения между базами СТ, возможность размещения мощных транзисторов на общем радиаторе без изолирующих прокладок.

На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД составляет:

NPN-транзистор

Так как Uбэ гуляет в зависимости от температуры и тока коллектора, то схема с СТД будет иметь более высокий разброс выходного напряжения, поэтому вариант с СТШ предпочтительнее.

NPN-транзистор

Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ

NPN-транзистор

Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе

Любая подходящая комбинация транзисторов может быть использована в линейных схемах. В советское время встречались бытовые приборы, в которых применялся СТШ в парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя допускаются /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве дополняющей пары можно взять С945 и А733, которые часто встречаются в старых компьютерных блоках питания.

Для коммутации электромеханических приводов и, тем более, в импульсных схемах необходимо использовать СТ с нормированными параметрами включения и выключения, паразитными емкостями. Типичным примером являются широко распространенные импортные комплементарные СТД серии TIP12x.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Мощность и сложность транзистора Дарлингтона можно регулировать, увеличивая количество входящих в него биполярных транзисторов. Существует также IGBT-транзистор, включающий биполярный транзистор и униполярный транзистор, применяется в области высоковольтной электроники.

Основным преимуществом составных транзисторов является их способность генерировать большой коэффициент усиления по току. Дело в том, что если коэффициент усиления каждого из двух транзисторов равен 60, то при их совместной работе в составном транзисторе общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов входящих в него транзисторов (в данном случае 3600). В результате для открытия транзистора Дарлингтона потребуется довольно небольшой базовый ток.

Недостатком составных транзисторов является их низкая скорость работы, что делает их пригодными для использования только в схемах, работающих на низких частотах. Составные транзисторы часто входят в состав выходных каскадов мощных усилителей низкой частоты.



Оцените статью
Блог о рациях