Работа npn транзистора: Эта страница ещё не существует

Устройство, принцип работы и различие N-P-N и P-N-P транзисторов | Энергофиксик

Существуют два основных вида транзисторов: полевые и биполярные. Биполярные транзисторы, в свою очередь, также разделяются на тип с P-N-P и N-P-N переходом. В этом материале я вам расскажу об устройстве биполярных транзисторов и мы поговорим о принципе работы и в чем их основное различие. Итак, поехали.

Немного истории

Согласно записям официальной истории дату 16.12.1947 года можно считать официальным днем рожденья одного из главных элементов всей электроники современности. Именно в этот день был представлен общественности первый транзистор, который был собран тремя учеными, а именно: Д. Бардин, У. Шокли и У. Браттейн.

yandex.ru

Появление биполярного транзистора позволило отказаться от использования электронных ламп. Вся современная электроника была бы невозможна без этого изделия. Вот такое важное открытие было совершено в середине 20-го столетия. Теперь от истории перейдем к нашим биполярным транзисторам.

Как устроен биполярный транзистор

Итак, биполярный транзистор схематически можно представить следующим образом:

Посмотрите внимательно на изображение, вам оно ничего не напоминает? Да, вы правы, если присмотреться и мысленно разделить зону N – перехода, то перед нами два соединенных между собой диода (запомните этот момент, в дальнейшем он нам понадобится).

Для определения какой проводимости перед нами диод, достаточно прочитать направление P-N перехода. На рисунке выше у нас проводимость типа P-N-P. Это означает, что перед нами транзистор прямой проводимости (так как принято считать, что ток проходит от плюса к минусу).

А вот у транзистора N-P-N типа проводимость обратная

Вы заметили, что в обоих вариантах исполнения присутствуют три вывода под названием:

Эмиттер (источник, генератор), База (основа) и Коллектор (сборщик, накопитель).

Схематическое обозначение транзисторов

Из всего выше написанного вы уже наверняка поняли, что есть транзисторы обратной и прямой последовательности, а это значит, что и на схемах такие элементы должны иметь различия. Давайте их рассмотрим.

Итак, обозначение транзистора прямой проводимости на схемах будет следующее:

А вот транзистор обратной проводимости обозначается уже так:

В старых советских мануалах транзисторы маркировались буквой «Т», а теперь обозначение сменили на «VT».

Как по схеме определить N-P-N или P-N-P транзистор перед вами

На самом деле определить по схеме тип биполярного транзистора довольно просто, достаточно помнить следующее правило:

Как известно в N – полупроводнике имеется большое количество свободных электронов, а в полупроводнике P–типа расположены «дырки» — положительно заряженные частицы. А по общепринятой теории ток протекает от «плюса» к «минусу».

Если вы посмотрите на схему, то увидите, что эмиттер изображен со стрелкой, которая либо направлена к базе либо от нее. Так вот если транзистор N-P-N типа, то есть база выполнена из P– полупроводника, то ток течет от базы (стрелка эмиттера от базы). Если же база выполнена из N — полупроводника, то ток (стрелка) втекает в базу.

Как работает P-N-P транзистор

С обозначением и устройством вроде все понятно, а вот как он работает давайте разбираться:

Давайте представим биполярный транзистор в виде водяной трубы с задвижкой с пружинным механизмом.

Как видно из рисунка сверху беспрепятственному протеканию воды по трубе мешает задвижка с пружинным механизмом, если мы приложим небольшое усилие (откроем задвижку сжав пружину), то вода беспрепятственно потечет по трубе. Если же мы отпустим пружину, то она распрямится и вернет задвижку на место, тем самым перекрыв трубу и поток воды будет остановлен.

Теперь вообразите, что данная труба — это транзистор P-N-P типа, значит его выводы можно представить следующим образом:

Получается, чтобы ток протекал от эмиттера к коллектору (напоминаю, что направление тока совпадает с направлением стрелки на эмиттере) нужно сделать так, чтобы ток выходил из базы, или говоря по простому: подать на базу минус.

Давайте наглядно проверим работу такого транзистора. Для этого возьмем КТ814Б и соберем простенькую схему с двумя источниками питания.

Для того, чтобы правильно подключить транзистор необходимо знать какой вывод является эмиттером, базой и коллектором. Для этого находим техническую документацию и определяем:

Лампочку я буду использовать самую обычную автомобильную, рассчитанную на 12 Вольт. Собранная схема будет выглядеть так:

Итак, чтобы наша схема заработала выставляем на источнике питания №2 12 Вольт. А на первом источнике питания начинаем очень плавно (с нуля) поднимать напряжение ровно до того момента, пока не загорится наша лампа.

Схема заработала при напряжении 0,66 Вольт на первом источнике.

То есть произошло «открытие» транзистора и через цепь эмиттер-коллектор начал проходить ток.

Иначе говоря, напряжение, которое открыло наш транзистор — это ни что иное как падение напряжения на P-N переходе база-эмиттер, которое как раз и находится в пределах от 0,5 до 0,7 В для кремниевых транзисторов.

А как дела обстоят с транзисторами, где используется N-P-N переход.

Принцип работы N-P-N транзистора

Если внимательно посмотреть на техническую документацию к транзистору КТ814Б, то можно найти запись о том, что комплиментарной парой к этому транзистору является КТ815Б, а он различается лишь тем что здесь используется N-P-N переход.

yandex.ru

И схема подключения будет выглядеть так:

Посмотрите внимательно на эту схему и схему включения КТ814Б, вы ничего не заметили? Все верно, единственное различие между этими двумя транзисторами заключено в том, что транзистор с P-N-P переходом открывается «минусом» (так как на базу подается отрицательный потенциал), а вот транзистор N-P-N открывается «плюсом».

Заключение

В этом материале мы с вами познакомились с устройством биполярных транзисторов, их устройстве и принципе работы, а также с тем как они обозначаются на схемах. Если статья оказалась вам интересна или полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!

Принцип работы и схема биполярного транзистора.

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

Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет исключительно о биполярных транзисторах. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся 🙂

Итак, приступаем!

Биполярный транзистор является одним из самых важных и основных активных компонентов. Основная цель работы биполярного транзистора заключается в увеличении сигнала по мощности. Естественно, мощность не может появиться просто из воздуха, законы физики никто не отменял, поэтому в транзисторе увеличение мощности входного сигнала достигается за счет внешнего источника питания. Еще раз повторюсь и уточню, что усиление заключается именно в увеличении мощности, в отличие от трансформатора, который может усиливать по напряжению, но при этом происходит ослабление тока, и мощность на выходе равна мощности на входе.

Двигаемся дальше. Биполярники бывают двух типов – n-p-n и p-n-p. Какого бы типа не был биполярный транзистор, он имеет три вывода (электрода), которые называются:

• коллектор
• эмиттер
• база

Схема биполярного транзистора.

Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.

Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации диодов. Но тут необходимо уточнить, что в реальности биполярный транзистор не эквивалентен двум диодам. Представление транзистора в виде пары диодов используется только для облегчения понимания принципа его работы.

Теперь давайте на основе диодной модели, составим основные правила работы биполярного транзистора. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0. 8 В). Таким образом:

U_б = U_э + 0.6\medspaceВ

Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/эмиттере/базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении U_{бэ}, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{бк} и U_{кэ} .

Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора!

С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными). Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:

I_k = h_{21э}\medspace I_b

Величина h_{21э} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.

С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее!

Схема ключа на биполярном транзисторе.

Вот такая вот несложная, но безумно полезная схема! Будем разбираться, как она работает.

Пусть нагрузка у нас потребляет ток 100 мА при 12 В. Если на входе у нас ничего нету, то потенциал базы равен потенциалу эмиттера и равен нулю. При таком раскладе у нас диод база-эмиттер закрыт и, следовательно, тока на выходе тоже нет. Транзистор тут находится в режиме отсечки (это значит, что оба перехода – база-коллектор и база-эмиттер – закрыты).

Подаем на вход положительное напряжение (ну, например, с ножки контроллера) и сразу же начинается движуха 🙂 Напряжение на базе составит около 0.6 В (диод база-эмиттер открыт) и в схеме начинает протекать ток базы. И к чему же это приведет? А вот к чему. Так как диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт, то БТ находится в режиме усиления, а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток.

Соответственно, на нагрузке появится напряжение.

А это в свою очередь приведет к тому, что напряжение на коллекторе будет уменьшаться (смотрите сами, напряжение коллектора + напряжение на нагрузке в сумме должны составлять 12 В, если увеличивается одно из этих значений, второе уменьшается, чистая математика 🙂 ). В итоге, когда ток коллектора увеличится до 100 мА, падение напряжения на нагрузке составит около 12 В (таковы параметры нагрузки у нас), и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в режим насыщения (оба диода открыты), и дальнейшего роста тока не будет происходить.

Короче, пока на входе ничего нет – режим отсечки, подаем сигнал, транзистор, очень быстро минуя режим усиления, переходит в режим насыщения. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора в качестве ключа.

Есть тут, кстати, еще одна важная фишка. Пусть, к примеру, резистор в цепи базы имеет сопротивление 1 КОм. Пусть на базу подается 10 В. Тогда на этом резисторе будет напряжение 9.4 В (10 В минус прямое напряжение диода база-эмиттер). Рассчитаем ток базы – делим 9.4 В на 1 КОм и получаем 9.4 мА. Пусть коэффициент усиления транзистора равен 50. Находим коллекторный ток: 9.4 мА * 50 = 470 мА. Вот такой получили расчет. Вроде бы все верно, но на самом деле все совсем не так и таким образом рассчитывать нельзя! Давайте разбираться, в чем тут ошибка.

Вспоминаем, что при значении тока коллектора 100 мА напряжение на нем становится мало относительно базы и биполярный транзистор насыщается. А значит дальнейшего роста тока быть не может! Таким образом, рассчитанные 470 мА на нагрузке мы не увидим, просто образуется так называемый избыток тока базы.

Итак, сегодня мы обсудили суть работы биполярного транзистора и его схему. Хотел я еще рассказать в этой статье про эмиттерный повторитель, но как то получилось объемно, а про повторитель надо поговорить обстоятельно и обширно, так что через пару дней в новой статье обязательно вернемся к биполярникам.

До скорой встречи, следите за новостями 🙂

1

5.      Структура и режимы работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей полупроводника с чередующимися типами проводимости, разделенными р-п-переходами. Из-за близкого расположения  р-п-переходов между ними существует взаимодействие. Каждая область транзистора выполняет определенную функцию, поэтому концентрации легирующих примесей в них и названия областей различны.

Средняя область транзистора, расположенная между двумя              

р-п-переходами, называется базой (B). Одна из крайних областей с наивысшей концентрацией легирующей примеси называется эмиттером (E). Основным назначением эмиттера является инжекция неосновных носителей заряда в область базы. Соответствующий          р-п-переход называют эмиттерным. Инжектированные в базу носители диффундируют в сторону третьей области, называемой коллектором (C). Основным назначением коллектора является собирание инжектированных эмиттером носителей заряда. Соответствующий   р-п-переход, расположенный между базой и коллектором, называют коллекторным.

Существуют два типа биполярных транзисторов: п-р-п и р-п-р.  Буквы обозначают тип проводимости эмиттерной, базовой и коллекторной областей соответственно. Символическое изображение транзисторов разных типов приведено на рис. 3.18. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока.

 

Рис. 3.18. Символическое изображение транзисторов: а — n-p-n-типа;  б — p-n-p-типа

При анализе работы биполярного транзистора ограничим наше рассмотрение приборами п-р-п-типа, которые в настоящее время используются гораздо чаще, имеют лучшие характеристики и большее усиление, особенно в интегральных схемах. Транзисторы  р-п-р-типа по принципу действия ничем не отличаются от п-р-п-транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений.

Известны три схемы включения биполярных транзисторов в электрическую цепь, при которых возможно усиление электрической мощности:

схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК), которые приведены на рис. 3.19 для транзистора п-р-п-типа. Кроме того на рис. 3.19 показаны внешние источники напряжений и токи, протекающие через транзистор, в нормальном режиме работы.

Любая из схем включения обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому выбор схемы включения транзистора в каждом конкретном случае зависит от требуемых условий. На практике чаще всего используется схема включения с общим эмиттером (ОЭ), которая позволяет получать наибольшее усиление по мощности.

 

а)                     б)                            в)

Рис. 3.19. Схемы включения транзистора: а — схема ОБ; б — схема ОЭ; в — схема ОК

 

.

 

 

Структура дискретного биполярного п-р-п-транзистора приведена на рис. 3.20.

 

Рис. 3.20. Структура дискретного        биполярного n-p-n-транзистора

Результирующее распределение примесей в областях транзистора (сплошная линия) распределения примесей при базовой и эмиттерной диффузиях (пунктирные линии) показаны на рис. 3.21.

 

Рис. 3.21. Распределение примесей в дискретном биполярном  n-p-n-транзисторе

Здесь  и — поверхностные концентрации примесей при эмиттерной и базовой диффузиях, а  — концентрация примеси в коллекторной области, выполненной методом эпитаксии. Эмиттер представляет собой сильнолегированную область, о чем  свидетельствует знак «+» при обозначении типа проводимости эмиттернорного слоя — . У реальных транзисторов площади                    р-п-переходов существенно различаются. Эмиттерный переход имеет значительно меньшую площадь, чем коллекторный.

Каждый из р-п-переходов транзистора имеет донную и боковые части. Рабочей или активной областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3.20 эта область заштрихована). Остальные участки, наличие которых обусловлено технологическими  причинами, являются пассивными.

Идеализированная структура биполярного п-р-п-транзистора для его активной области приведена на рис. 3.22. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой щириной базы , которая у современных транзисторов, как правило не превышает 1 мкм.

 

Рис. 3.22. Идеализированная структура биполярного n-p-n-транзистора

 

Внешние напряжения  и  создают соответствующие смещения на переходах. В зависимости от полярности напряжений  и  различают четыре режима работы транзистора (рис. 3.23):

Рис. 3.23. Режимы работы n-p-n-транзистора

 

1) нормальный (активный) режим, когда на эмиттерном переходе действует прямое смещение, а на коллекторном — обратное;

2) инверсный режим, когда на эмиттерном переходе действует обратное смещение, а на коллекторном — прямое;

3) режим двойной инжекции (насыщения), когда на оба перехода поданы прямые смещения;

4) режим отсечки (запирания), когда на оба перехода поданы обратные смещения.

В режимах двойной инжекции и отсечки управление транзистором практически отсутствует. В нормальном режиме управление транзистором осуществляется наиболее эффективно. Только работая в нормальном режиме, транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы, т. е. усиливать, генерировать, переключать электрические сигналы и  т. д.

Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Существенное влияние на работу транзистора оказывает распределение легирующей примеси в базе. Если примесь в базе распределена равномерно (однородная база), то в ней отсутствует внутреннее поле и движение носителей заряда имеет чисто диффузионный характер. При неравномерном распределении примеси   в области базы (неоднородная база) в ней возникает внутреннее электрическое поле, а значит, появляется дополнительная дрейфовая составляющая в движении носителей заряда. При этом необходимо так распределить примесь в базе, чтобы внутреннее поле способствовало движению носителей заряда от эмиттера к коллектору. Это возможно в случае уменьшения концентрации некомпенсированной примеси в базе   в направлении от эмиттера к коллектору (см. рис. 3.21.).

Принцип работы биполярного транзистора заключается в управлении током через обратно смещенный коллекторный переход. Известно, что в обратно смещенном р-п-переходе ток очень мал и определяется только неосновными носителями заряда, которые генерируются в области объемного заряда или вблизи нее. Однако при появлении у границ такого перехода дополнительных источников неосновных носителей  ток через обратносмещенный переход увеличивается. Такими источниками, например, могут быть частицы высокой энергии, попадающие при внешнем излучении в диодные фотоприемники или датчики излучения.

Другой способ увеличения концентрации неосновных носителей заряда около обратно смещенного p-n-перехода заключается в размещении в непосредственной близости от него другого                      p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. Данный способ особенно удобен, так как обеспечивает электрическое управление концентрацией неосновных носителей, т. е. управление ею с помощью напряжения смещения, приложенного к этому прямо смещенному переходу.

Такая модуляция тока в одном  p-n-переходе с помощью изменения напряжения смещения другого перехода, расположенного рядом с ним, называется механизмом работы биполярного транзистора. Эта одна из самых важных идей во всей истории развития электронных приборов.  За исследования, в результате которых эта идея была разработана и реализована, изобретатели биполярного плоскостного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 г.

Как работает транзистор npn, pnp (полевой n-канальный и p-канальный)

 Нашу сильную зависимость от электроники в современном мире не описать. Если сказать, что без электроники мы не проживем, это не сказать ничего. Она уже сродни самому неотъемлемому, самому нужному и востребованному.  То количество мест и гаджетов, где мы с ней встречаемся, мы даже перечислять не будем, на это хватит фантазии и у вас. Мы же хотели рассказать об одном обязательной составляющей каждого электронного девайса, о транзисторе.
 Именно на транзисторах строятся все аналоговые и цифровые схемы применяемые в современных устройствах. А значит, от его работы зависит то, как эти самые гаджеты будут работать и то, как впоследствии электроника будет работать на нас. Такая неоспоримая цепочка…

Какие бывают транзисторы

 Мы не будем вводить вас в далекий экскурс с чего все начиналось, что электронные лампы были дедушками и бабушками современных транзисторов. Не будем рассказывать об электронной эмиссии. О том, что процесс в этих самых лампах схож с транзисторами. Не будем описывать и различия между ними.  Мы сразу приступим к главному. Надеясь на то, что все мы пропустили хотя и останется темным пятном, но не станет обременяющим обстоятельством препятствующим пониманию того, как же все-таки работает транзистор.
 Итак, транзисторы бывают биполярные и полевые. Суть работы тех и других одинакова, разве что их кристаллы, вернее то как сращены разные типы кристаллов, различны.

В биполярных транзисторах это своеобразный гамбургер, если хотите пирог: p-n-p или n-p-n. То есть кристаллы с различной проводимостью напаяны последовательно друг за друга. Таким образуют они образуют своеобразный «бутерброд».

 В полевых транзисторах есть также n кристалл и p кристалл, но они между спаяны не последовательно, а параллельно. При этом ток не проходит через разные типы проводимости кристаллов, а идет все время по одному типу. А запирается в этом случае проводимый кристалл с помощью электрического поля управляющего затвора. Отсюда и название полевой.

 Еще транзисторы бывают низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные.  А также могут работать  с различными токами, но это все нюансы…

Как работает транзистор (картинка с анимацией — видео)

Итак, теперь непосредственно о насущном. То есть о том, ради чего мы собственно и начали эту статью.

 Самое сложное, что нам придется вам объяснить, так это то, что как раз и скрыто от глаз человека. Ведь движение тока в проводнике, в различного рода проводимости кристаллах, не посмотришь и не увидишь. Именно поэтому необходимо иметь большую фантазию и очень наглядное пособие, чтобы довести до вас принцип работы транзистора.
 Есть и еще одно «но». Человек всегда привык строить какие-то эквивалентные системы, если непосредственно изучаемая система не дает ему полного представления, а самое главное наглядного примера  о том, как же все-таки все устроено. Так и в нашем случае, взгляните на картинку…

 

Работа транзистора представлена в виде канала с управляемой средой, даже здесь два канала. В качестве каналов выступают контакты транзистора, а управляемой средой является ток. Управляя запорным клапаном на базе или затворе (маленький канал) мы тем самым открываем и большой канал, между эмиттером и коллектором или стоком и истоком. Именно этот большой канал и является нашей целью управления. Открывая маленький канал, мы открываем и большой! Вот главное правило работы транзистора. По-другому не бывает, по крайней мере, в нормальных режимах работы транзистора без пробоев. Управляющий клапан на базе, то есть  малый канал открывается первым, тем самым провоцируя и открывание большого канала.
 Не знаем, нужны ли вам другие описания почему именно так? Если кратко, то потому что есть зоны запирания, есть сопротивления этих зон и изменения сопротивления в зависимости от потенциала, подаваемого на них. Конечно это не описывает особенностей работы транзистора полностью и подробно, но об этом мы вам и не обещали рассказать. Самое главное было рассказать о принципе срабатывания и показать это на наглядной картинке, что собственно мы и выполнили. Принцип работы в этом случае действителен для всех видов транзисторов о которых, мы упоминали в нашем предыдущем абзаце. А также, для того чтобы закрепить ваше визуально- ассоциативное мышление с реальной невидимой действительностью необходимо взглянуть и на нижний правый угол картинки.
 На нем видно как в зависимости от пропуска тока, через контакты транзистора будут происходить и коммутации вокруг его выводов.

Схема подключения транзисторов npn pnp (полевых транзистор)

Теперь о том же самом, но на примере подключения транзистора в схеме. На входе имеется сигнал достаточный для свечения лампы (светодиода) даже с учетом сопротивления транзистора. Но если подать на управляющий вывод (затвор) запирающий потенциал, то сопротивление увеличиться и лампа погаснет.

* — гиф анимация описывает работу полевого транзистора, когда есть поле, которое и управляет проводимостью в элементе.

На самом деле это лишь один из примеров подключения транзистора. Вариаций его подключений великое множество. Здесь главное донести суть работы радиоэлемента, а не саму схему подключения.

Последнее о чем хотелось сказать в статье о принципах работы транзистора, так это о том, что база должна всегда оставаться чуть «зажата», то есть ограничена сопротивлением. 

  Это позволяет разграничить управляющий малый ток и большой управляемый. Если же убрать сопротивление, то ток будет течь по пути с наименьшим сопротивлением, то есть весь или преимущественно через базу… В этом случае теряется весь смысл транзистора, так как он ничем ни будет управлять, а будет просто пропускать через себя ток. При этом «большой» ток пойдет через базу и может еще и вывести его из строя, что нам совсем не нужно!

Из особенностей надо отметить несколько разные сферы применяемости транзисторов. NPN, PNP транзисторы способны открываться как бы постепенно, и быстродействие у них ниже. То есть они более подходят для аналоговых схем, а вот полевые срабатывают быстрее.  При этом свойства статичного поля может быть использовано даже без подачи какого-либо напряжения на него, если это поле создать за счет подкладки, находящейся в зоне управления тоннелем по которому протекает ток. В итоге получается уже не транзистор, а ячейка памяти. Такие ячейки активно используются в современных SSD дисках.

Биполярные транзисторы, их схемы включения

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1.

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

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

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

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

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

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

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

Схемы включения транзисторов

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

Рисунок 2.

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

Работа транзистора в ключевом режиме

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

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

Рисунок 3.

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

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

Рисунок 4.

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 5.

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

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

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

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

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

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

На рисунке 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Рисунок 6.

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

Схемы с термостабилизацией

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

Рисунок 7.

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

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

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

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

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

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

Рисунок 8.

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

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

Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке 9.

Рисунок 9.

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 10.

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

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

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

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

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

По материалам: electrik.info.

Установка режимов работы транзисторов

Для хорошей работы устройства, собранного на транзисторах, необходимо чтобы на их электроды было подано определенной величины и полярности постоянное напряжение. Примерные значения напряжений подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости (p-n-p) приведен на рис. 1, а обратной (n-p-n) проводимости — на рис. 2.

При этом надо также придерживаться нескольких правил:

•  Рабочие напряжения, токи и мощности рассеивания применяемых транзисторов должны быть меньше предельных значений.
• Нельзя подавать напряжение на транзистор, если у него отключена база.
• Базовый вывод следует подключать в схему в первую очередь и отключать в последнюю.

В современных конструкциях радиолюбителей широко используются полевые транзисторы. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с каналом типа р и с каналом типа п даны на рис. 3.

Рис. 1. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости p-n-p.

 

Рис. 2. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов обратной проводимости n-p-n.

 

Рис. 3. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с к&налом типа рис каналом типа А.

При налаживании радиоприемников и других радиоэлектронных конструкций в первую очередь нужно замерить потребляемый ток в режиме покоя. Если его значение близко к требуемому, то тогда переходят к установлению необходимых токов коллекторов транзисторов. На. схемах место установки тока показывают крестиком («х»), а резистор, которым это делают — звездочкой («*»). Опыт показывает, что для транзисторов безопаснее измерять напряжение, а не ток. В большинстве схем эти величины взаимосвязаны. Достаточно знать одну из величин, а другую можно определить расчетным путем.

Настройку устройства производят по каскадам. В каскадах транзисторных устройств в основном используется три основных способа подачи напряжения смещения к базе транзистора.

Рассмотрим работу транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима (рис. 4). При отсутствии входного сигнала начальные напряжения на электродах транзисторов следующие:

 

Рис. 4. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима.

В приведенных формулах напряжения смещения Uбэ для германиевых и кремниевых транзисторов должны иметь значения в соответствии с рис. 1, 2. Из этих выражений видно, что от величины сопротивления резистора Rб зависит величина напряжения смещения Uбэ, а следовательно, и начальное положение рабочей точки на характеристике транзистора.

На хорошую работу такого каскада большое влияние имеет точность, с какой для данного транзистора, имеющего коэффициент усиления по току р, подобраны сопротивления резисторов Rб и Rк. Работу каскада при этом можно проконтролировать по напряжению на резисторе Rк или по напряжению между коллектором и эмиттером транзистора. Зная Un и β, можно вычислить величину управляющего тока коллектора транзистора по формуле:

Если величина сопротивления резистора Rк = 500…600 Ом, то напряжение на нем удобнее определить, как разницу между питающим напряжением и напряжением коллектор — эмиттер. Для маломощных низкочастотных и высокочастотных транзисторов напряжение коллек-тор-эмиттер принимают 2…2,5 В, а ток коллектора — 0,5 мА. Транзисторы МП39…МП41 имеют максимальное усиление по току, когда ток коллектора 1…2 мА.

У транзисторов П401…П403, П416 и т.п. усиление растет с ростом тока коллектора до 5…8 мА. От напряжения на коллекторе усиление по току существенно не зависит, при его повышении улучшается устойчивость высокочастотных каскадов. При замене в рассматриваемом каскаде транзистора с одним значение β на транзистор с отличным значением β, приходится снова подбирать значения Rб и Rк. На усиление транзистора с такой простой схемой смещения оказывает влияние помимо разброса параметров транзисторов еще и изменение температуры окружающей среды.

Более стабилен в работе каскад, имеющий термостабилизацию по схеме, представленной на рис. 5. В этом случае к напряжению, измеренному между коллектором и плюсом питания, добавляется напряжение на резисторе R3, которое составляет приблизительно 1 В.

Если считать, что напряжение между коллектором и эмиттером может быть снижено до 1,5 В, так как каскад стабилизирован, то общее напряжение между коллектором и «землей», как и первом случае, должно быть не менее 2,5 В. Указанные режимы являются ориентировочными, средними в случае работоспособных транзисторов. В каскадах, где режимы отличаются от рекомендованных на 20…30%, подстраивание их режимов на первой стадии налаживания можно не проводить.

Установку режима работы транзистора можно производить резистором Rб1, который соединен с базой транзистора. Для увеличения тока коллектора необходимо сопротивление резистора Rб1 уменьшить, а для уменьшения, наоборот, увеличить. Для удобства настройки каскада резистор Rб1 составляют из двух резисторов: одного переменного и одного постоянного с сопротивлением 10…30кОм.

Изменяя сопротивление переменного резистора, добиваются необходимого тока коллектора. Омметром измеряют получившееся сопротивление двух резисторов и затем вместо них впаивают один резистор, величина сопротивления которого равна измеренному значению двух сопротивлений.

Ток коллектора в схеме со стабилизацией можно оценить, измерив напряжение на резисторе Rэ. Если разделить величину падения напряжения (в вольтах) на величину Rэ (в килоомах), то получим ток эмиттера в миллиамперах.

Рис. 5. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой с термостабилизацией режима

Ток коллектора меньше тока эмиттера на величину базового тока, а последний не превышает 5% Іэ. Поэтому можно считать, что I = Іб. В каскадах с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы напряжение на коллекторе равняется напряжению источника питания и здесь необходим контроль тока коллектора (рис. 6). Регулировку такого каскада также производят подбором величины сопротивления резистора Rб.

Рис. 6. Принципиальная схема каскада с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы.

Включение в цепи n-p-n и p-n-p транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещением. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой только значением напряжения смещения. У кремниевых оно приблизительно на 0,45 В больше, чем у германиевых.

На рис. 1 и 2 показаны условные графические обозначения биполярных транзисторов той и другой структур, произведенных на основе германия и кремния, а также типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов, обозначенных первыми буквами слов, расшифровываются:

• Э — эмиттер,
• Б — база,
• К — коллектор.

Напряжения смещения показаны относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзисторов показывают относительно общего провода устройства.

В радиоэлектронных устройствах радиолюбители используют также полевые транзисторы, в которых управление током между двумя электродами, образованными направленным движением носителей заряда дырок или электронов, производится электрическим полем, образованным напряжением на электроде. Электроды, между которыми протекает регулируемый ток, носят название исток (И) и сток (С), причем исток есть тот электрод, с которого выходят носители зарядов. Третий, управляющий электрод, называют затвором (3) (см. рис. 3).

Существуют полевые транзисторы с изолированным затвором. Эти транзисторы имеют очень большое входное сопротивление и работают на очень больших частотах. Транзисторы этого типа имеют очень низкую электрическую прочность изолированного затвора. Для его пробоя и выхода из строя достаточно слабого статического электричества, которое всегда присутствует на теле человека, одежде и инструменте.

В связи с этим выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении нужно скручивать вместе голым проводом. При монтаже транзисторов руки и инструмент необходимо «заземлять». Преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными состоит в том, что они имеют высокое входное сопротивление. Это сопротивление на низкой частоте достигает несколько мегаом, а на средних и высоких частотах — несколько десятков или сотен кило-ом в зависимости от серии. Для сравнения, биполярные транзисторы имеют входное сопротивление приблизительно до 1…2 кОм.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Принцип работы npn транзистора — Яхт клуб Ост-Вест

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

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

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

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

Устройство биполярного транзистора.

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

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

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

Принцип работы биполярного транзистора.

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

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

Режимы работы.

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

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

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

1. Отсечка.

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

2. Активный режим.

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

3. Насыщение.

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

4. Барьерный режим.

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

Схемы включения биполярных транзисторов.

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

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

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

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

Основные параметры биполярных транзисторов:

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

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

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

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно – I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить – около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора iс

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи – это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз – далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

Режим отсечки (cut off mode).

Активный режим (active mode).

Режим насыщения (saturation mode).

Инверсный ражим (reverse mode ).

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V – 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначаетсяβ, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β – величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий – в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше – тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость – проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Работа транзистора NPN — Inst Tools

Переход эмиттер-база транзистора смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении. Если на мгновение проигнорировать наличие перехода эмиттер-база, то практически (Примечание 1) не будет протекать в цепи коллектора из-за обратного смещения. Однако, если переход эмиттер-база также присутствует, то прямое смещение на нем вызывает протекание эмиттерного тока. Видно, что этот эмиттерный ток почти полностью протекает в цепи коллектора.Следовательно, ток в цепи коллектора зависит от тока эмиттера. Если ток эмиттера равен нулю, то ток коллектора почти равен нулю. Однако, если ток эмиттера составляет 1 мА, то ток коллектора также составляет около 1 мА. Именно это и происходит с транзистором. Теперь мы обсудим это действие транзистора для транзисторов npn и pnp .

Работа npn транзистора

На рисунке ниже показан транзистор npn с прямым смещением к переходу эмиттер-база и обратным смещением к переходу коллектор-база.Прямое смещение заставляет электроны в эмиттере типа n течь к базе. Это составляет ток эмиттера I _E . Когда эти электроны проходят через основание типа p , они имеют тенденцию объединяться с дырками. Поскольку основание слегка легировано и очень тонкое, только несколько электронов (менее 5%) объединяются с дырками, образуя ток базы (примечание 2) I _B . Остальная часть ((примечание 3) более 95%) переходит в область коллектора и составляет ток коллектора I _C .Таким образом, почти весь ток эмиттера протекает в цепи коллектора. Понятно, что ток эмиттера складывается из токов коллектора и базы , т.е.

.

I _E = I _B + I _C

Примечание:

1. На практике в цепи коллектора будет протекать очень небольшой ток (несколько мкА).Это называется током отключения коллектора и происходит из-за неосновных носителей заряда.
2. Электроны, которые соединяются с дырками, становятся валентными электронами. Затем, как валентные электроны, они стекают через отверстия во внешний базовый вывод. Это составляет базовый ток I _B .
3. Причины, по которым большая часть электронов от эмиттера продолжает свой путь через базу к коллектору, чтобы сформировать ток коллектора, следующие: ( i ) База слегка легирована и очень тонкая.Следовательно, есть несколько дырок, которые успевают соединиться с электронами. ( ii ) Обратное смещение коллектора довольно велико и оказывает на эти электроны силы притяжения.

Работа транзистора PNP

На рисунке ниже показано базовое подключение транзистора pnp . Прямое смещение заставляет отверстия в эмиттере типа p течь к основанию. Это составляет ток эмиттера I _E .Когда эти дырки пересекаются с основанием типа n , они стремятся объединиться с электронами. Поскольку основание слегка легировано и очень тонкое, только несколько дырок (менее 5%) объединяются с электронами. Остальная часть (более 95%) пересекает область коллектора и составляет ток коллектора I _C . Таким образом, почти весь ток эмиттера протекает в цепи коллектора. Можно отметить, что токопроводимость внутри транзистора pnp — дырочная.Однако во внешних соединительных проводах ток по-прежнему идет электронами.

Важность работы транзистора

Входная цепь (, т.е. переход эмиттер-база ) имеет низкое сопротивление из-за прямого смещения, тогда как выходная цепь (, т.е. переход коллектор-база ) имеет высокое сопротивление из-за обратного смещения. Как мы видели, ток входного эмиттера почти полностью протекает в цепи коллектора. Таким образом, транзистор передает ток входного сигнала от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением.Это ключевой фактор, отвечающий за усилительную способность транзистора.

Схема работы транзистора

NPN, характеристики, применения

Введение

Транзистор NPN является одним из типов биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа. Здесь основными носителями заряда являются электроны. Течение этих электронов от эмиттера к коллектору формирует ток в транзисторе.Обычно NPN-транзисторы являются наиболее часто используемым типом биполярных транзисторов, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок. Транзистор NPN имеет три вывода — эмиттер, базу и коллектор. Транзистор NPN в основном используется для усиления и переключения сигналов.

На рисунке выше показаны символ и структура транзистора NPN. В этой структуре мы можем наблюдать три вывода транзистора, токи цепи и значения напряжения.Теперь давайте посмотрим на работу транзистора NPN с объяснением.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Цепь транзистора NPN

На приведенном выше рисунке показана схема транзистора NPN с напряжениями питания и резистивными нагрузками. Здесь клемма коллектора всегда подключена к положительному напряжению, клемма эмиттера подключена к отрицательному источнику питания, а клемма базы управляет состояниями ВКЛ / ВЫКЛ транзистора в зависимости от приложенного к нему напряжения.

НАЗАД В начало

Работа транзистора NPN

Работа транзистора NPN довольно сложна.В приведенных выше схемах подключения мы заметили, что напряжение питания VB подается на клемму базы через нагрузку RB. Вывод коллектора подключен к напряжению VCC через нагрузку RL. Здесь обе нагрузки RB и RL могут ограничивать ток, протекающий через соответствующие клеммы. Здесь клеммы базы и коллектора всегда содержат положительное напряжение по отношению к клемме эмиттера.

Если напряжение базы равно напряжению эмиттера, то транзистор находится в выключенном состоянии.Если базовое напряжение увеличивается по сравнению с напряжением эмиттера, тогда транзистор становится более переключаемым, пока он не перейдет в полностью открытое состояние. Если на клемму базы подается достаточное положительное напряжение, то есть в полностью включенном состоянии, то генерируются потоки электронов, и ток (IC) течет от эмиттера к коллектору. Здесь базовый вывод действует как вход, а область коллектор-эмиттер действует как выход.

Для правильного протекания тока между эмиттером и коллектором необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было положительным, а также превышало напряжение эмиттера транзистора.Некоторое падение напряжения между базой и эмиттером, например 0,7 В. Таким образом, базовое напряжение должно быть больше падения напряжения 0,7 В, иначе транзистор не будет работать. Уравнение для тока базы биполярного NPN-транзистора определяется следующим образом:

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B

Где,

I _B = базовый ток
В _B = Напряжение смещения базы
В _BE = Входное напряжение база-эмиттер = 0.7V
R _B = Сопротивление базы

Выходной ток коллектора в NPN-транзисторе с общим эмиттером можно рассчитать, применив закон Кирхгофа для напряжения (KVL).

Уравнение для напряжения питания коллектора равно

В _CC = I _C R _L + V _CE ………… (1)

Из приведенного выше уравнения ток коллектора для NPN-транзистор с общим эмиттером имеет вид

I _C = (V _CC -V _CE ) / R _L

В NPN-транзисторе с общим эмиттером соотношение между током коллектора и током эмиттера определяется как

I _C = β I _B

В активной области NPN-транзистор действует как хороший усилитель.В NPN-транзисторе с общим эмиттером полный ток, протекающий через транзистор, определяется как отношение тока коллектора к току базы IC / IB. Это соотношение также называется «усилением постоянного тока» и не имеет единиц измерения. Это отношение обычно обозначается буквой β, а максимальное значение β составляет около 200. В NPN-транзисторе с общей базой общий коэффициент усиления по току выражается отношением тока коллектора к току эмиттера IC / IE. Это соотношение обозначается как α, и это значение обычно равно единице.

НАЗАД В начало

Взаимосвязь α, β и γ в NPN-транзисторе

Теперь давайте посмотрим на взаимосвязь между двумя параметрами отношения α и β.

α = усиление постоянного тока для цепи с общей базой = выходной ток / входной ток

В общей базе NPN-транзистор выходной ток равен току коллектора (IC), а входной ток — току эмиттера (IE).

α = I _C / I _E ……… .. (2)

Это значение усиления по току (α) очень близко к единице, но меньше единицы.
Мы знаем, что ток эмиттера складывается из малого тока базы и большого тока коллектора.

I _E = I _C + I _B

I _B = I _E — I _C

из уравнения 2, коллектор

I _C = αI _E

I _B = I _E — αI _E

I _B = I _E (1-α)

β = усиление постоянного тока для цепи с общим эмиттером = выходной ток / входной ток

Здесь выходной ток — это ток коллектора, а входной ток — ток базы.

β = I _C / I _B

β = I _C / I _E (1-α)

β = α / (1-α)

Из приведенных выше уравнений связь между α и β можно выразить как

α = β (1-α) = β / (β + 1)

β = α (1 + β) = α / (1-α)

Значение β может варьируются от 20 до 1000 для транзисторов малой мощности, работающих на высоких частотах. Но в целом это значение β может иметь значения в диапазоне от 50 до 200.

Теперь мы увидим взаимосвязь между факторами α, β и γ.

В NPN-транзисторе с общим коллектором коэффициент усиления по току определяется как отношение тока эмиттера IE к базовому току IB. Этот коэффициент усиления по току представлен как γ.

γ = I _E / I _B

Мы знаем, что ток эмиттера

I _E = I _C + I _B

γ = (I _C + I _B ) / I _B

γ = (I _C / I _B ) + 1

γ = β +1

Следовательно, отношения между α, β и γ приведены ниже

α = β / (β + 1), β = α / (1-α), γ = β +1

НАЗАД В начало

Примеры транзисторов NPN

1.Вычислите базовый ток IB для переключения резистивной нагрузки 4 мА биполярного NPN-транзистора, имеющего коэффициент усиления по току (β) 100.

I _B = I _C / β = (4 * 10 ^-3 ) / 100 = 40 мкА

2. Рассчитайте ток базы биполярного NPN-транзистора с напряжением смещения 10 В и входным сопротивлением базы 200 кОм.

Мы знаем, что уравнение для базового тока IB:

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B

Мы знаем значения,

V _BE = 0 .7 В,

В _B = 10 В,

R _B = 200 Ом.

Теперь мы подставляем эти значения в приведенное выше уравнение,

Получаем,

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B = (10-0,7) / 200 кОм = 46,5 uA.

Базовый ток NPN-транзистора 46,5 мкА.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Конфигурация общего эмиттера

Схема конфигурации общего эмиттера является одной из трех конфигураций BJT.Эти схемы с общей конфигурацией эмиттеров используются в качестве усилителей напряжения. Обычно биполярные транзисторы имеют три вывода, но при подключении к схеме нам нужно использовать любую одну клемму как общую. Таким образом, мы используем одну из трех клемм в качестве общей клеммы как для входных, так и для выходных действий. В этой конфигурации мы используем терминал эмиттера в качестве общего терминала, поэтому он называется конфигурацией с общим эмиттером.

Эта конфигурация используется как одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером.В этой конфигурации основание действует как входной терминал, коллектор действует как выходной терминал, а эмиттер — как общий терминал. Работа этой схемы начинается с смещения клеммы базы, так что прямое смещение перехода база-эмиттер. Небольшой ток в базе управляет током, протекающим в транзисторе. Эта конфигурация всегда работает в линейной области для усиления сигналов на выходной стороне.

Этот усилитель с общим эмиттером дает инвертированный выходной сигнал и может иметь очень высокое усиление.На это значение усиления влияют температура и ток смещения. Схема усилителя с общим эмиттером чаще всего используется в конфигурации, чем другие конфигурации BJT, из-за ее высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления, а также эта конфигурация усилителя обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности.

Коэффициент усиления по току для этой конфигурации всегда больше единицы, обычно типичное значение составляет около 50. Эти усилители конфигурации в основном используются в приложениях, где требуются усилители низкой частоты и радиочастотные цепи.Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером показана ниже.

НАЗАД В начало

Выходные характеристики NPN-транзистора

Семейство кривых выходных характеристик биполярного транзистора приведено ниже. Кривые показывают взаимосвязь между током коллектора (IC) и напряжением коллектор-эмиттер (VCE) при изменении тока базы (IB). Мы знаем, что транзистор находится в состоянии «ВКЛ» только тогда, когда к его базовому выводу относительно эмиттера приложен хотя бы небольшой ток и небольшое количество напряжения, в противном случае транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ».

На ток коллектора (IC) больше всего влияет напряжение коллектора (VCE) на уровне 1,0 В, но это значение IC не сильно влияет выше этого значения. Мы уже знаем, что ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. т.е. IE = IC + IB. Ток, протекающий через резистивную нагрузку (RL), равен току коллектора транзистора. Уравнение для тока коллектора определяется следующим образом:

I _C = (V _CC -V _CE ) / R _L

Прямая линия указывает на «линию динамической нагрузки», которая соединяет точки A (где V _CE = 0) и B (где I _C = 0).Область вдоль этой линии нагрузки представляет собой «активную область» транзистора.

Кривые характеристик конфигурации общего эмиттера используются для расчета тока коллектора, когда заданы напряжение коллектора и ток базы. Линия нагрузки (красная линия) используется для определения точки Q на графике. Наклон линии нагрузки равен сопротивлению нагрузки, обратному сопротивлению. то есть -1 / RL.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Применение транзисторов NPN

• Транзисторы NPN в основном используются в коммутационных приложениях.
• Используется в схемах усиления.
• Используется в парных схемах Дарлингтона для усиления слабых сигналов.
• Транзисторы NPN используются в приложениях, где требуется отвод тока.
• Используется в некоторых классических схемах усилителя, например, в двухтактных схемах усилителя.
• В датчиках температуры.
• Приложения с очень высокой частотой.
• Используется в логарифмических преобразователях.

НАЗАД В начало

ПРЕДЫДУЩИЙ — ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ

СЛЕДУЮЩИЙ — ТРАНЗИСТОР PNP

Что такое транзистор NPN? — Определение, конструкция, работа и применение

Определение: NPN-транзистор представляет собой схему с регулируемым током , которая состоит из трех выводов: эмиттера, базы и коллектора.Он образуется путем размещения слоя материала N-типа между двумя слоями материала P-типа. Он действует как источник тока , потому что он обеспечивает ток через базовый терминал. Транзистор NPN прямо противоположен транзистору PNP.

Транзистор

NPN можно понимать как транзистор отрицательно-положительно-отрицательный . Это связано с тем, что слой полупроводника N-типа состоит из электронов в качестве основного носителя. Поскольку NPN-транзистор состоит из эмиттера N-типа, основными носителями заряда в NPN-транзисторе являются электроны.

Эти электроны, перемещаясь от перехода с низким сопротивлением, то есть перехода эмиттер-база, к переходу, который состоит из области высокого сопротивления, то есть переходу коллектор-база, они генерируют ток.

Транзистор NPN предпочтительнее транзистора PNP, потому что подвижность электронов больше, чем подвижность дырок. В транзисторах NPN основными носителями являются электроны, а в PNP — дырки. Таким образом, подвижность носителей заряда в NPN будет больше, чем у PNP.

Символ, который используется для обозначения транзистора NPN в электронных схемах, приведен на схеме ниже.

Строительство

NPN-транзистор состоит из трех слоев, два из которых являются полупроводниками N-типа, а другой — полупроводником P-типа. Часто говорят, что транзистор образован путем соединения двух диодов друг за другом. Но это не так, это просто для представления конструкции.

Если он сформирован путем соединения двух диодов друг за другом, то результирующая структура будет иметь четыре легированных области, потому что каждый из диодов имеет 2 легированных области.В этом состоянии база, образованная путем соединения ее спиной к спине, не будет иметь однородного легирования, которое является предварительным условием для транзистора.

Таким образом, он всегда образован тремя слоями, один из которых является слаболегированным, то есть базовым, второй сильно легированным, то есть эмиттерным, а последний — умеренно легированным коллектором. База P-типа зажата между эмиттером и коллектором N-типа. Это приводит к образованию полупроводника N-типа.

Взаимозаменяемы ли эмиттер и коллектор?

Область эмиттера и коллектора не взаимозаменяемы, поскольку размер эмиттера меньше по сравнению с размером коллектора.Коллектор выполнен большего размера по сравнению с эмиттером, потому что, если размер коллектора большой, он будет собирать все больше и больше носителей заряда, а тепло также может легко рассеиваться через переход большей площади.

Рабочий

Переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение, а переход коллектор-база — обратное. Следовательно, N-вывод соединения эмиттер-база подключен к отрицательному выводу V _BE, , а P-вывод батареи подсоединен к положительному выводу V _BE .

Для обратного смещения перехода коллектор-база, клемма N подключается к положительной клемме V _CB , а клемма P подключается к отрицательной клемме батареи V _CE . Это сделает широкий обедненный слой на переходе коллектор-база и узкий обедненный слой на переходе эмиттер-база.

Когда прямое смещение применяется к переходу эмиттер-база, электроны в N-области будут отталкиваться от отрицательной клеммы батареи и будут двигаться к области базы.Базовая область очень мала по сравнению с эмиттерной и коллекторной областями. К тому же интенсивность легирования основания самая низкая. Таким образом, он состоит из меньшего количества отверстий.

Из-за небольшого количества дырок в основной области только несколько электронов рекомбинируют с дырками. Остальные электроны, которые еще не рекомбинировали, будут двигаться в сторону коллектора. Это будет составлять ток в цепи. Размер коллектора большой, поэтому он может собирать больше носителей заряда и рассеивать тепло.

Ток в транзисторе NPN возникает из-за электронов, потому что электроны являются основными носителями заряда в транзисторе NPN.

Ток эмиттера в NPN-транзисторе равен сумме тока базы и коллектора. Математически это можно записать как: —

Приложения

Транзистор

NPN может использоваться как усилитель, переключатель, логарифмические преобразователи, датчики температуры и т. Д.

Транзистор также известен как BJT, что является аббревиатурой от биполярного переходного транзистора. Он назван так потому, что проводимость в БЮТ обусловлена ​​биполярными элементами, т.е.как положительный, так и отрицательный. Транзистор NPN составляет ток из-за частиц отрицательного заряда, а транзистор PNP составляет ток из-за дыр в качестве основного носителя заряда, несущего положительный заряд.

Что такое транзистор NPN? Конструкция, работа и применение BJT

Транзистор NPN — Конструкция транзистора BJT, работа и применение в качестве инвертора, коммутации и усилителя

Когда третий легированный элемент добавляется к диоду таким образом, что образуются два PN-перехода, в результате устройство называется транзистором.Транзисторы меньше электронных ламп и были изобретены Дж. Барденом и У. Браттейн из Bell Laboratories, США.

Полезно знать: Название Transistor происходит от комбинации двух слов, например, Transfer и Resistance = Transistor . Другими словами, транзистор передает сопротивление от одного конца к другому. Короче говоря, транзистор имеет высокое сопротивление на входе и низкое сопротивление на выходе.

Что такое транзистор NPN?

Конструкция транзистора NPN осуществляется, как следует из названия, путем использования полупроводникового материала P-типа и размещения его между двумя полупроводниковыми материалами N-типа. На самом деле слой P-типа тонкий. У этого транзистора есть выводы, известные как эмиттер, база и коллектор.

A BJT ( Bipolar Junction Transistor ) — это устройство , состоящее из двух последовательно соединенных диодов PN-переходов, имеющих три вывода, а именно эмиттер, коллектор и базу.

Название транзистора происходит от « Transfer of Resistance », т.е. он преобразует и передает внутреннее сопротивление с низкого сопротивления эмиттер-база на высокое сопротивление цепи коллектор-база.

Принципиальная схема транзистора NPN показана на рисунке выше. Напряжение между выводами baes и эмиттером называется V _BE , и оно более положительно на базе, чем на эмиттере, потому что для NPN-транзистора выводы базы должны иметь более высокий потенциал, чем эмиттер.

Также есть представление напряжения между коллектором и эмиттером, оно обозначено как V _CE , и это напряжение положительно по отношению к эмиттеру. Короче говоря, транзистор NPN проводит, когда клемма коллектора находится под более высоким потенциалом, чем база и эмиттер. Подобно транзистору PNP, этот транзистор NPN также является устройством с контролем тока.

Транзистор имеет три секции легированных полупроводников. С одной стороны эмиттер, а с другой — коллектор, а база находится между ними.Средняя часть называется базой. Он образует два вышеупомянутых PN-перехода между эмиттером и коллектором.

Эмиттер:

Одна секция, которая снабжает носители заряда, называется эмиттером. Для подачи большого количества носителей заряда эмиттер всегда смещен в прямом направлении по сравнению с базой.

База:

Средняя часть транзистора, которая образует два PN-перехода между эмиттером и коллектором, называется базой.Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, что обеспечивает низкое сопротивление цепи эмиттера. Переход база-коллектор имеет обратное смещение, что обеспечивает высокое сопротивление в цепи коллектора.

Коллектор:

Секция, кроме эмиттера, которая собирает заряды, называется коллектором. Коллектор всегда имеет обратное смещение.

Идентификация транзистора может быть выполнена по сопротивлению диодов, присутствующих внутри NPN-транзистора.Также мы можем использовать наши знания о диодах для анализа внутренних диодов транзистора.

Клемма эмиттер-база: Между клеммами эмиттер-база есть диод, поэтому эти две клеммы должны работать как обычный диод и проводить только в одном направлении.

Клемма коллектор-база: Имеется диод, аналогичный клеммам коллектор-база. Эти выводы снова должны действовать как выводы нормального диода и проводить только в одном направлении.

Клеммы эмиттер-коллектор: Клеммы эмиттер-коллектор не имеют внутреннего соединения и, следовательно, не будут проводить ни в одном направлении.

Таблица, показывающая значения сопротивления на разных выводах транзистора, приведена ниже.

9065 9065 E High659 Коллектор 9065 Транзистор NP

Между клеммами транзистора		Значения сопротивления
Коллектор	Эмиттер	R_high
Коллектор R_high	9065 9065 9065 Коллектор Rhigh 9065	9065 9065 Eigh Коллектор	9065 9065 9065 Коллектор	9065 9065 9065 9065 9065 Высокий 65659 Коллектор
Эмиттер	База	R_high
База	Коллектор	R_low
База	Транзистор	R_low

, аналогичный транзистору операции, а именно области отсечки, активной и насыщенной областей.

На следующем рисунке показаны символ и контакты транзистора BC547 NPN

В следующей таблице показаны точки измерения и результат для транзистора BC 547 NPN при проверке и измерении значений транзистора NPN с помощью цифрового мультиметра.

BC 547 NPN	Точки измерения	Результат
	1-2	0,717 В пост.
	1-3	OL
	2-3 ​​	OL
	2-3 ​​	0.711 В постоянного тока

Смещение и работа транзистора NPN

Работа транзистора NPN сложнее, чем у транзистора PNP. Транзистор находится в выключенном состоянии, если: напряжения на базе и на эмиттере одинаковы. Когда базовое напряжение превышает напряжение эмиттера, устройство переходит в состояние ВКЛ.

Во включенном состоянии имеется достаточная разница напряжений, при этом клемма базы является более высокой, возникает поток электронов, генерируемый от коллектора к эмиттеру, который, в свою очередь, вызывает протекание тока от эмиттера к коллектору.В этом транзисторе, основываясь на работе, мы можем разделить три его вывода на порты ввода и вывода. Входной терминал — это базовый терминал, а выходной терминал — это область коллектор-эмиттер.

Напряжение на выводе коллектора должно быть больше, чем на эмиттере, и должно быть положительным по отношению к напряжению эмиттера транзистора, это обеспечивает протекание тока между эмиттером и коллектором. Существует также положительное падение потенциала на переходе база-эмиттер, что неудивительно при падении напряжения на кремниевом диоде, т.е.е. 0,7 В.

Это падение напряжения необходимо учитывать, следовательно, разница между напряжением базы и областью коллектор-эмиттер должна быть более 0,7 В. Если это учесть, то транзистор работать не будет.

Чтобы использовать транзистор NPN в качестве усилителя сигнала, он должен работать в активной области. В конфигурации, где эмиттер имеет общее соединение, полный ток транзистора определяется как отношение тока коллектора к току базы, и это отношение называется усилением постоянного тока.

Не имеет единиц измерения, так как представляет собой отношение двух текущих значений. Это соотношение обозначается символом β. Максимальное значение усиления постоянного тока обычно составляет около 200. Есть еще одна величина, которая определяется отношением тока коллектора к току эмиттера. Это соотношение обозначается символом α. Обычно это значение равно единице, потому что ток коллектора почти равен току эмиттера.

Ток транзистора

Следующее уравнение показывает соотношение между током эмиттера, базовым током и током коллектора в транзисторе со смещением.

I _E = I _B + I _C

Где:

• I _E = Ток эмиттера
• I _B = Базовый ток
• I _C = ток коллектора

Показывает, что ток эмиттера равен сумме тока базы и тока коллектора. Значение тока базы к эмиттеру составляет 2-5%, а ток коллектора составляет почти 95-98%.Поэтому ток базы и коллектора равен току эмиттера.

Уравнение усиления транзистора можно записать следующим образом, используя закон Кирхгофа по току.

или

или

или

или

Коэффициент усиления транзистора, коэффициент усиления по току, коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления мощности (α, β и γ)

Коэффициент усиления транзистора известен как соотношение между выходом и входом схемы.

Коэффициент усиления транзистора = Выход / Вход

Отношение между током коллектора и током эмиттера известно как коэффициент усиления транзистора по току, представленный греческим символом alpha « α» или h _FE

Коэффициент усиления ; α _DC = A _i = -I _C / I _E = I _OUT / I _IN

или

α _DC = I _C / I _E = ток коллектора / ток эмиттера

Постоянный ток, записанный с альфа-символом « α». предназначен для значений постоянного тока.Чем больше значение α, тем лучше будет транзистор, поскольку он показывает качество транзистора.

α _DC может быть записано как простое « α» и известно как коэффициент передачи прямого тока или коэффициент усиления, который также представлен как h _FB . В h _FB буква «F» обозначает «прямое направление», а «B» обозначает «общую базу», где альфа (α) обычно определяется схемами общей базы транзистора.

Альфа переменного тока ( α _AC ) транзистора:

α _AC = ΔI _C / ΔI _E = изменение тока коллектора / изменение тока эмиттера

α _AC также известен как коэффициент усиления при коротком замыкании транзистора, который может быть представлен как h _fb .

Полезно знать:

• h _FB = DC alpha α _DC
• h _fb = AC alpha α _AC

Кроме того, соотношение между постоянным током коллектора и постоянным током базовый ток известен как коэффициент усиления по току, который обозначается греческим символом Beta « β ».

β _DC = -I _C / -I _B = I _C / I _B

или

I _C = βI _B

Он также известен как коэффициент прямой передачи постоянного тока с общим эмиттером, представленный H _FE .

Мы используем AC beta « β _AC » при анализе транзистора для работы от переменного тока

β _AC = ΔI _C / ΔI _B

β _AC может также будет представлена ​​ h _fe .

Наконец, соотношение между током эмиттера и базовым током в общем коллекторе также известно как усиление тока и представлено греческим символом Gamma «γ»

γ = I _E / I _B

или

помещая значение I _E в приведенное выше уравнение из «I _E = I _C + I _B »

γ = β +1

Отношение между входным и выходным напряжением известно как усиление напряжения транзистора.

Усиление напряжения = A _В = α I _E R _CB / I _E R _EB

Усиление напряжения = A _В = Напряжение на R _CB / Напряжение на R _EB

или

A _V = α x (R _CB / R _EB )

или

A _V = V _OUT / V _IN

Транзистор Прирост мощности можно рассчитать по следующему уравнению.

Коэффициент усиления = A _P = P _OUT / P / _IN

A _P = α ² x A _R

Где:

• A _P = Коэффициент усиления по мощности
• α = коэффициент усиления по току
• A _R = коэффициент усиления по сопротивлению

Общие выражения для отношения между альфа, бета и гамма (α β и γ) приведены ниже:

• α = β / ( β + 1)
• β = α / (1-α)
• γ = β +1

Кривая характеристик и рабочие области NPN-транзистора

Существует четыре основных рабочих региона: транзистор BJT, а именно:

• Активная область
• Область отсечки
• Область насыщения
• Область пробоя

Активная область: Это называется нормальной работой транзистора.Или область между областью насыщения и пробоя называется активной областью.

Область отсечки: Область, в которой значение базового тока I _B становится равным нулю и делает первую (или нижнюю) кривую, известна как область отсечки транзистора. В этой области как диод эмиттер-база, так и диоды коллектор-база становятся и работают с обратным смещением.

Область насыщения : В этой области как диод эмиттер-база, так и диоды коллектор-база становятся и работают в прямом смещении.Это начальная область наклона (или почти перпендикулярная) около начала координат (на кривых), когда начальное напряжение увеличивается от нуля до 1 и так далее.

Область пробоя:

Когда напряжение коллектора увеличивается слишком сильно, превышая номинальное значение, это приводит к пробою коллекторного диода. По этой причине транзистор не следует эксплуатировать в зоне пробоя, так как это приведет к повреждению и разрушению схемы транзистора.

График между током коллектора и напряжением коллектор-эмиттер при изменении тока базы называется кривой выходных характеристик биполярного транзистора.На рисунке ниже показаны кривые выходных характеристик транзистора NPN.

Транзистор включен, когда есть небольшой ток через вывод базы и небольшое положительное напряжение относительно вывода эмиттера. В противном случае транзистор выключен. Это также отражено на графике. Ток коллектора зависит от напряжения коллектора только до тех пор, пока напряжение коллектора не достигнет уровня 1 В.

Существует также прямая линия, соединяющая точки A и B. Эта прямая линия называется «линией динамической нагрузки».Эта линия соединяет точки, где V _CE = 0 и Ic = 0. Прямая линия и область вокруг нее являются активной областью транзистора.

Учитывая ток базы и напряжение коллектора, для расчета тока коллектора используются характеристики конфигурации общего эмиттера.

Конфигурация с общим эмиттером для транзистора NPN

Существует три возможных конфигурации транзистора, одна из которых в обсуждении — это конфигурация с общим эмиттером.Схемы, в которых используется общая конфигурация эмиттера, обычно используются в усилителях напряжения. Как следует из названия, мы берем один из трех выводов, в данном случае эмиттер как общий. Этот общий вывод будет действовать как вход и выход транзистора.

Усиление напряжения, которое достигается при использовании конфигурации с общим эмиттером, может быть выполнено только за один шаг. Таким образом, эти схемы также называются одноступенчатыми схемами усилителя с общим эмиттером. Входные клеммы, как мы обсуждали ранее, являются базовой клеммой, а коллектор — выходной клеммой.

Излучатель остается общим выводом. Процесс усиления начинается со смещения перехода база-эмиттер вперед. Это означает, что положительный потенциал на выводе базы выше, чем на выводе эмиттера. Этот процесс позволит нам контролировать ток в транзисторе.

Поскольку требуемый выход должен иметь усиление, мы используем усилитель с общим эмиттером, который имеет очень высокое усиление, даже если выход инвертирован. Из-за зависимости характеристик диода от условий окружающей среды, усиление очень сильно зависит от окружающей температуры и тока смещения.

Это наиболее часто используемая конфигурация транзистора NPN, поскольку она имеет очень низкий выходной импеданс, а также обеспечивает высокий входной импеданс. Эта конфигурация также имеет очень высокий коэффициент усиления по мощности и напряжению.

Типичное значение коэффициента усиления по току для этой конфигурации составляет около 50. Эта конфигурация обычно используется там, где необходимо выполнить усиление низкой частоты. Радиочастотные цепи также используют эту конфигурацию. Ниже показана конфигурация усилителя с общим эмиттером.

Транзистор NPN в схемах усиления

Как в схеме двухтактного транзистора. Хотя все конфигурации двухтактного усилителя технически можно назвать двухтактным усилителем, только усилитель класса B является фактическим двухтактным усилителем. В отличие от усилителя класса A, усилитель класса B имеет два транзистора для двухтактного электрического действия, один из которых является NPN, а другой — PNP.

Каждый транзистор проработает половину цикла входа, создав необходимый выход.Это повышает эффективность усилителя класса B во много раз выше, чем у усилителя класса A. Угол проводимости для этого усилителя составляет 180 градусов, потому что каждый транзистор работает только на одну половину.

Транзистор NPN в качестве переключателя и инвертора

В цифровой логической схеме BJT-транзистор работает в области насыщения и отсечки, поскольку напряжение смещения не подается на базу транзистора в логических схемах. Таким образом, низкое или высокое выходное напряжение является усилением, которое можно использовать для переключения в этих цифровых логических схемах.

Следующая схема показывает схему NPN инвертора, используемую для переключения.

Это ясно показывает, что нет входного напряжения смещения на базе, но имеет прямоугольную форму на входе, подаваемую через резистор, подключенный последовательно к базе транзистора NPN, который работает как инвертор.

Схема показывает, что и V _CC , и входное значение высокого уровня si + 5V, где напряжение между коллектором и эмиттером V _CE является выходным напряжением.

Когда входное напряжение высокое, т.е. + 5В:

• Переход база-эмиттер имеет прямое смещение.
• Ток течет к базе через последовательный резистор R _B .
• Значение R _B и R _C обеспечивает ток I _B , который определяет положение схемы, то есть транзистор работает в данной области.

Другими словами, когда на входе инвертора высокий уровень «+ 5В», транзистор насыщен, а на его выходе низкий уровень «≈0В».Когда на входе инвертора низкий уровень, транзистор отключен, а на его выходе высокий уровень. Вкратце,

• В области насыщения это «ВКЛ».
• В области отсечки — «ВЫКЛ».

Как показано на входе и выходе схемы, то есть, когда на входе низкий уровень, на выходе высокий уровень, поэтому он также известен как схема инвертора BJT.

Приведенное выше объяснение операций включения и выключения схемы транзисторного инвертора аналогично переключению включения и выключения, подключенному между коллектором и эмиттером.По этой причине схему транзисторного инвертора также называют транзисторным переключателем.

Когда транзистор находится в режиме насыщения, напряжение между коллектором и эмиттером равно нулю, как и напряжение на замкнутом или включенном переключателе, и величина тока максимальна.

Аналогичным образом, в области отсечки (когда транзистор открыт в состоянии ВЫКЛ) значение тока, протекающего от коллектора к эмиттеру, становится равным нулю, как при разомкнутом или выключенном переключателе, и напряжение на переключателе является максимальным.

Работа схемы ВКЛ-ВЫКЛ зависит от значений входных напряжений, т. Е. Когда

• Входное напряжение высокое = + 5 В = Переключатель включен
• Входное напряжение низкое = 0 В = Переключатель ВЫКЛ

Следующее На рис. показаны операции переключения в областях отсечки и насыщения BJT (NPN-транзистора).

Применение транзисторов NPN

• В основном используется для коммутации.
• Они используются в конфигурации пары Дарлингтона для усиления слабых сигналов.
• В цепях, где нам нужно отводить ток.
• Они также используются в цепях для измерения температуры.
• Они могут хорошо работать в приложениях с очень высокими частотами.
• Используется в логарифмических преобразователях.

Похожие сообщения:

В чем разница между PNP и NPN?

Существует два основных типа транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). BJT изготовлены из легированных материалов и могут быть сконфигурированы как NPN и PNP.Транзистор — это активное устройство с тремя выводами, и эти три вывода известны как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) ( рис. 1 ). База отвечает за управление транзистором, в то время как коллектор является положительным выводом, а эмиттер — отрицательным выводом.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b71» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = »Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F1.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data-embed000»

1. Символ транзистора обозначает три клеммы. (Предоставлено Quora)

Физика полупроводников БЯТ здесь не обсуждается, но стоит упомянуть, что БЯТ изготавливается с тремя отдельно легированными областями с двумя переходами.Транзистор PNP имеет одну область N между двумя областями P ( рис. 2 ), а транзистор NPN имеет одну область P между двумя областями N ( рис. 3 ). Переходы между областями N и P аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть смещенными в прямом или обратном направлении. БЮТ могут работать в разных режимах в зависимости от смещения перехода:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b73» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F2 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F2.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data-embed000»

2. PNP-транзистор имеет слой полупроводника с примесью азота между двумя слоями материала с примесью фосфора (любезно предоставлено Wikibooks)

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b75» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F3 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F3.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data-embed000»

3. NPN-транзистор имеет слой полупроводника с примесью фосфора между двумя слоями с примесью азота (любезно предоставлено Wikibooks)

• Отсечка: BJT работает в этой зоне при коммутационных операциях. В отсечке транзистор неактивен.
• Активный: BJT работает в этой зоне для схем усилителя, потому что транзистор может действовать как довольно линейный усилитель.
• Насыщенность: BJT работает в этой зоне при переключениях. Транзистор выглядит как короткое замыкание между выводами коллектора и эмиттера.
• Reverse Active: Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Этот режим используется редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на вывод коллектора для создания тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. В транзисторе PNP положительное напряжение подается на вывод эмиттера для создания тока, протекающего от эмиттера к коллектору.В транзисторе NPN ток течет от коллектора (C) к эмиттеру (E) ( рис. 4 ). Однако в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору ( Рис. 5 ).

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b77» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F4 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F4.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

4. Стрелка показывает направление тока и то, как он всегда находится на эмиттере.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b79» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы Загрузки 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F5 «data-embed-src =» https: //img.electronicdesign.com / files / base / ebm / electronicdesign / image / 2017/04 / electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F5.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

5. На NPN-транзисторе всегда указывается стрелка.

Понятно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Для транзисторов NPN требуется источник питания с положительной полярностью относительно общих выводов, но для транзисторов PNP требуется источник питания с отрицательной полярностью.

PNP и NPN

работают примерно одинаково, но их режимы различаются из-за полярности тока. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, VB должен быть выше, чем VC и VE. Вот краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7b» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Np Nvs Pnp Table1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_NPNvsPNP_Table1.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data -000»

Вот список некоторых классических универсальных БЮТ:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7d» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Np Nvs Pnp Table2 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_NPNvsPNP_Table2.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data -000»

Основной принцип любого BJT — управлять током третьей клеммы с помощью напряжения между двумя другими клеммами. Принцип работы NPN и PNP абсолютно одинаков. Единственное отличие заключается в их смещении и полярности питания для каждого типа.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7f» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 г. 03 Источник Esb Lookin For Parts Banner 0 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_electronicdesign.com_files_uploads_2017_Response_Look_Sook_Support_03_Art_Part ? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

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 Биполярный переходной транзистор . 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. Существует 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 радиатор к корпусу транзистора. Несмещенный транзистор или транзистор без напряжения, 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. Постоянная 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. Чаще всего используются транзисторы кремниевого типа, потому что 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, возрастающий 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) протекает противоположно 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. Для приведения транзистора в состояние насыщения должен быть подан достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью открыт.Расчет базового тока и соответствующего резистора, который будет использоваться.

Для полного насыщения базовый ток составляет примерно 0,6 мА (не слишком высокий или слишком низкий). Таким образом, ниже приведена схема с 0 В на базе, во время которой переключатель находится в состоянии ВЫКЛ.

a) Имитация PSPICE BJT как коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Теоретически переключатель полностью разомкнут, но практически может наблюдаться протекание тока утечки.Этим током можно пренебречь, поскольку они находятся в пА или нА. Для лучшего понимания управления током транзистор можно рассматривать как переменный резистор между коллектором (C) и эмиттером (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, переход BE диффундирует и вызывает диффузию перехода CB.Теперь ток течет от коллектора к эмиттеру в зависимости от коэффициента усиления.

a) Имитация PSPICE BJT как коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

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

a) Имитация PSPICE BJT как коммутатора и b) эквивалентное состояние переключения

Отклонение практического значения от расчетного связано 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 этапом 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:

1. Усилитель с общим эмиттером
2. Усилитель с общим коллектором
3. Усилитель с общей базой

Из вышеперечисленных типов наиболее распространенной и наиболее часто используемой конфигурацией является тип эмиттера.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 проектировании усилителя. Назовите одноступенчатый усилитель, когда используется только один транзистор.

Выше представлена ​​схема одноступенчатого усилителя , в которой 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 точки смещения постоянного тока, действуя как делитель потенциала.

Операция:

Схема работает мгновенно для каждого временного интервала. Проще говоря, 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. Точно так же, 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: Таблица сравнения коэффициентов усиления

На основании приведенной выше таблицы можно использовать соответствующую конфигурацию.

Как работают транзисторы ?. Почти как унитаз со смывом… | Джованни Органтини | The Startup

Действительно почти как унитаз со смывом…

Транзисторы — это строительные блоки наших электронных гаджетов: от смартфонов до компьютеров, игрушек, кухонных устройств, инструментов для уборки и т. Д.

Несмотря на их повсеместное распространение, мало кто знает о том, как они работают. На самом деле понять их принципы работы не так уж и сложно.

Чтобы понять, как работает транзистор, нам нужно понять, что такое диод .Фактически, транзистор на практике представляет собой не что иное, как два диода.

Диод, по сути, работает как вентиль для электрического тока. Он позволяет потоку электронов течь только в одном направлении, противодействуя движению электронов в противоположном направлении, точно так же, как водяной клапан позволяет потоку воды течь только в одном направлении.

Водяной клапан позволяет воде течь только в одном направлении. Точно так же диод позволяет току течь в одном направлении только

Диоды состоят из двух полупроводниковых кристаллов, легированных разными атомными частицами, так что на их стыке они создают электрическое поле, которое не позволяет зарядам течь в одном направлении, при этом ускоряя движущиеся в одном направлении. противоположное направление.Подобные диоды называются диодами p-n , потому что они сделаны из полупроводникового кристалла типа p , соединенного с кристаллом типа n . p и n относятся к знаку (положительному или отрицательному) их носителя заряда.

Диод состоит из полупроводникового кристалла p-типа, соединенного с кристаллом n-типа. Его символ в цепи — стрелка, потому что ток может течь только в ее направлении. Он работает очень похоже на гидравлический клапан (изображение слева взято из Wikimedia Common, сделано Раффамайденом; изображение справа принадлежит мне).

Представьте себе гидравлический клапан в виде трубы со стенкой, на которой есть отверстие, закрытое заглушкой, удерживаемой пружиной. Если вода находится справа от пробки, она просто прижимает ее к стене и не может проникнуть на другую сторону. Если вода находится слева и ее давления достаточно, она толкает пробку вправо, и клапан открывается, позволяя воде течь.

Чтобы сделать транзистор, нам нужно соединить три кристалла. Кристаллы могут быть типа p или n , в зависимости от знака их носителей заряда; Таким образом, транзисторы представляют собой схему кристаллов типа p-n-p или n-p-n.

Транзисторы имеют три вывода, называемых эмиттером , базой и коллектором , каждый из которых подключен к одному из кристаллов, из которых состоит. Давайте сосредоточимся на транзисторе p-n-p (тип n-p-n работает почти так же, но с обратными токами)

Рассмотрим затем нашу простую модель диода как клапана: транзистор представлен последовательностью двух ламп, установленных друг напротив друга. Поместим два клапана в вертикальную трубку и наполним верхнюю часть водой.Верхний клапан закрыт, поэтому вода остается вверху, как показано ниже слева.

Транзистор похож на пару ламп. Когда оба клапана закрыты, вода остается наверху. Открытие верхнего клапана заставляет воду течь в средней секции. Когда давление, оказываемое на нижний клапан, достаточно, вода протекает через него.

Если нам удалось открыть верхний клапан, вода начнет течь в средней секции и в конечном итоге откроет нижний клапан, когда давление достигнет необходимого значения.Таким образом, для того, чтобы вода потекла, достаточно найти способ подтолкнуть верхний клапан вверх.

Например, немного воды можно ввести в середину, чтобы ее давление было достаточным для открытия верхнего клапана, но недостаточным для открытия нижнего. Таким образом, система позволяет воде течь только тогда, когда достаточное количество воды падает сверху вниз.

По нашему аналогию, верхняя часть этого двойного клапана представляет собой эмиттер транзистора .Пространство посередине — это его основание , а нижняя часть клапана представляет собой его коллектор .

В базовой схеме усилителя эмиттер подключен к источнику напряжения, например к батарее, а коллектор подключен к земле через резистор. Подавая небольшой ток в базу (обозначенную «B»), наблюдается большой ток, протекающий между эмиттером (обозначенным «E») и коллектором (обозначенным «C»), так что выходное напряжение справа велико. тоже (см. картинку ниже слева).

Сравнение схемы усилителя и унитаза со смывом (собственная работа)

Конечный результат состоит в том, что вы вводите небольшой ток в базу транзистора, и вы видите большой ток, вытекающий из коллектора, как если бы входной ток был умноженный на некоторый коэффициент. Фактически, ток, наблюдаемый на выходе транзистора, является не усиленным входным током, а другим током, пропорциональным входному току, извлекаемым из источника напряжения. Транзистор действует как переключатель, позволяя току течь от источника напряжения к земле через резистор.

Интересную аналогию можно провести между транзисторным усилителем и туалетом (см. Правую часть рисунка выше). Эмиттер — это сливной бачок, а коллектор — унитаз. Представьте, что к рычагу смыва, который представляет собой основание, прикреплено небольшое ведро. Налейте немного воды в ведро — это все равно, что пропустить ток через базу транзистора. Вес воды, налитой в ведро, приводит в действие рычаг, и клапан унитаза открывается, позволяя воде, содержащейся в эмиттере / цистерне (аналог зарядов, содержащихся в источнике напряжения, прикрепленном к эмиттеру транзистора), обильно течь в коллектор / чаша, как будто прибор умножает воду, налитую в ведро, и пускает ее в трубу (аналог резистора).

На самом деле схемы с транзисторами n-p-n встречаются чаще, чем схемы с транзисторами p-n-p. На это есть несколько причин. Основная причина в том, что поляризовать транзистор n-p-n проще. В каждой цепи есть общая земля, к которой относятся напряжения. В конфигурации, подобной показанной нами, входной ток определяется падением напряжения между источником напряжения и напряжением базы. Если бы мы использовали транзистор n-p-n, входной ток зависел бы от напряжения между базой и землей, и это намного удобнее.Есть и другие причины, связанные с их скоростью и стоимостью.

Транзистор типа n-p-n работает, по существу, как транзистор p-n-p, с обратными ролями коллектора и эмиттера. Мы решили проиллюстрировать работу p-n-p транзистора, потому что названия его выводов казались более подходящими для понимания их значения.

Транзисторы также могут использоваться как электронные переключатели. Для этого приложения часто используются транзисторы n-p-n, как показано ниже.

Транзистор n-p-n в качестве переключателя (собственная работа).

Усиление транзистора можно регулировать в соответствии с его характеристиками. В частности, говорят, что транзистор находится в области отсечки , когда ток, текущий к его базе, равен нулю, в то время как говорят, что он находится в области насыщения , когда ток достаточно большой течет в его базу, так что выходной ток больше не пропорционален последнему, но достигает максимального значения.

Когда транзистор находится в области отсечки (ток базы равен нулю), ток не течет от коллектора к эмиттеру.Транзистор работает как открытый переключатель. Как следствие, выходное напряжение источника равно Vcc .

Подавая достаточный ток в базу, ток течет от Vcc к земле, а выходное напряжение такое же, как у земли, то есть транзистор работает как замкнутый переключатель.

Резистор между Vcc и коллектором транзистора может быть заменен любой нагрузкой. В частности, это может быть любой исполнительный механизм, например, двигатель, светодиод, громкоговоритель и т.