Что такое транзистор и для чего нужен транзистор
До сих пор мы изучали радиоэлектронные компоненты, которые имеют только два вывода, такие как резисторы, конденсаторы, аккумуляторы, светодиоды и переключатели и так далее.
Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор
Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…
Транзисторы же имеют в своем составе три вывода. Транзисторы бывают разных типов, форм и размеров. По большей части, все они работают одинаково, лишь с небольшими отличиями в зависимости от типа.
Большую же часть всех транзисторов составляют биполярные и полевые транзисторы. В данной статье, для объяснения, того что такое транзистор и для чего нужен транзистор, в качестве примера мы будет использовать полевой (FET) транзистор, поскольку его работа более понятна и это знание более полезно. Почти все, что вы узнаете здесь, так же с успехом можно применить к биполярным транзисторам.
Условное обозначение транзисторов и внешний вид транзисторов
Ниже приведено условное обозначение транзистора на схеме, и несколько примеров того, как выглядит транзистор:
Полевой транзистор (FET) | Внешний вид транзисторов |
Обратите внимание, что три вывода на схеме обозначены как G (Gate) — Затвор , S (Source) – Исток и D (Drain) — Сток.
Корпус транзисторов
На рисунке выше, изображены три разных типа корпуса транзисторов. Тип корпуса слева обозначается как ТО-92 , корпус посередине ТО-220 , и корпус справа именуется как транзистор в металлическом корпусе.
Что касается металлического корпуса, то он практически больше не применяется. Транзисторы малой и средней мощности выпускаются в корпусе ТО-92, в то время как мощные изготавливаются в ТО-220.
Ниже представлено наиболее распространенные сопоставления выводов полевого транзистора в корпусах ТО-92 и ТО-220.
| Корпус ТО-92 | Корпус ТО-220 |
Транзистор в качестве переключателя
Транзисторы можно рассматривать как электронные коммутаторы. Транзистор используется для включения различных устройств, таких как двигатели, фонари и так далее. Так же, как и выключатель света в комнате, транзистор может включать и выключать лампочку накаливания.
Это достаточно удобно, так как небольшой источник напряжения может быть использован для коммутации большого источника напряжения. Давайте рассмотрим это на простом примере с использованием обычной лампочкой.
На рисунке выше мы имеем транзистор, подключенный к лампочке и к двум различным источникам питания. Давайте сперва посмотрим на левую половину схемы:
- Минус низковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
- Плюс низковольтной батареи подсоединен к затвору транзистора.
В этой конфигурации транзистор открыт. Вы можете видеть, как небольшой ток протекает через транзистор от затвора к истоку. Теперь давайте посмотрим на правую половину схемы:
- Минус высоковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
- Плюс высоковольтной батареи подключен к одному из выводов лампочки.
Другой вывод лампочки подключен к стоку транзистора.
Поскольку транзистор открыт, то больший ток протекает через лампочку, далее через транзистор от стока к истоку. Если вы отключите низковольтную батарею от транзистора, то транзистор закроется, а лампочка погаснет.
Обратите внимание, что транзистор здесь работает в качестве ключа, включая и выключая лампочку под действием низковольтного напряжения.
Данная схема не особо полезна на практике. Однако, когда мы заменим низковольтную батарею другим источником напряжения, то транзисторный ключ становится намного интереснее.
Вместо того чтобы переключать транзистор с помощью низковольтной батареи, мы можем включать его и выключать с помощью других источников напряжения.
В качестве примера приведем несколько источников сигнала, способных влиять на переключения транзистора:
- Микрофон, создающий переменный электрический сигнал в зависимости от уровня звука.
- Солнечная батарея, вырабатывающая постоянное напряжение при освещении ее поверхности.
- Датчик влажности.
Обратите внимание, что все перечисленные выше датчики реагирует на различные источники сигнала. Используя их слабое выходное напряжение можно управлять гораздо более мощным устройством.
Следующий пример применения транзистора
В данном примере мы имеем микрофон, соединенный с затвором полевого транзистора и лампу накаливания, подключенную к транзистору и повышенному источнику питания. Теперь при улавливании звука микрофоном, лампочка будет загораться. И чем громче будет звук, тем ярче будет светиться лампа.
Это происходит потому, что микрофон создает напряжение, поступающее на затвор полевого транзистора. При появлении сигнала на затворе происходит отпирание транзистора, в результате чего через транзистор начинает течь ток от стока к истоку.
Фактически, в этой схеме полевой транзистор играет роль усилителя сигнала. Для еще большего усиления можно использовать еще один транзистор.
Примечание: в этой схеме мы использовали громкоговоритель в качестве микрофона, так как динамик генерирует более сильное напряжение по сравнению с Электродинамическим микрофоном.
Данная схема аналогична предыдущей, только теперь вместо лампы подключен электродвигатель. Это позволяет управлять скоростью вращения электродвигателя силой звука поступающего в динамик.
Чем громче вы кричите в микрофон, тем быстрее двигатель будет вращаться.
Транзистор в режиме инвертора
До сих пор все наши примеры были основаны на включении нагрузки при подаче напряжения на затвор транзистора. Транзистор так же может работать и в инверсном режиме, это когда он проводит ток при отсутствии входного напряжения на затворе.
Рассмотрим данный режим работы транзистора на примере простой охранной сигнализации, издающей звук при обрыве тонкого провода охранного шлейфа.
Сперва, мы должны с типами полевых транзисторов. Все транзисторы бывают двух разных типов проводимости: P-канальный и N-канальный.
N-канальный | P-канальный |
| Транзистор открыт при подаче напряжения на затвор | Транзистор заперт при подаче напряжения на затвор |
Единственная разница в символьном обозначении является направление стрелки затвора.
До сих пор все наши примеры были связаны с полевым транзистором N-канальным. Транзисторы данного типа доминируют в радиоэлектронных схемах, поскольку они дешевле в производстве. Тем не менее, в следующем примере мы используем Р-канальный полевой транзистор.
Помните, что Р-канальный полевой транзистор находится в закрытом состоянии в тот момент, когда на его затворе находится управляющее напряжение. Поэтому, как видно из вышеприведенной схемы, звуковой генератор (buzzer) будет в выключенном состоянии до тех пор, пока провод цел.
Как только провод будет разорван, напряжение на затворе пропадет, и транзистор начнет пропускать ток, и активирует звуковой генератор.
Пока охранный шлейф не оборван, основная аккумуляторная батарея бездействует и тем самым сохраняет свой заряд. В тоже время, для обеспечения напряжения на затворе транзистора необходимо ничтожно малый ток малой батареи, и ее хватит на очень длительный срок.
Мы так же можем оптимизировать данную схему и использовать всего один источник питания. Все, что мы должны сделать, это подключить охранный шлейф к затвору и плюсу большой батареи и исключить малую батарею.
перевод: http://efundies.com/
Блок питания 0…30 В / 3A
Набор для сборки регулируемого блока питания…
Работа транзистора в ключевом режиме
Для рассмотрения вопроса работы транзистора в ключевом режиме заменим, полупроводниковый элемент на переменный резистор. В качестве регулятора для изменения сопротивления (проводимости у транзистора) служит та самая ручка, которую можно крутить.
Таким элементом у транзистора является база, воздействие на которую вызывает изменение сопротивления участка эмиттер-коллектор.Состояния транзистора отсечка и насыщения применяются для работы транзистора в ключевом режиме (аналог контакта реле). Определяющим понятием работы транзистора в ключевом режиме является то, что ток базы транзистора небольшой величины (ток управления) управляет большим током коллектора (нагрузки), который может превосходить ток базы в десятки раз.
Помимо одиночных транзисторов для работы в ключевом режиме применяют «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Коэффициент усиления таких схем может достигать 1000. Пример схемы ключевого каскада приведен ниже.
В качестве нагрузки, включаемой транзистором, используется лампочка. Назначение резистора Rбэ – перевести транзистор в закрытое состояние при размыкании контакта за счет выравнивания потенциалов базы и эмиттера. Основной задачей для такой схемы является правильный подбор сопротивления в цепи базы Rб, которое позволит обеспечить работу лампочки с максимальным накалом.
Исходные данные для расчета:
— номинальное напряжение лампочки 12В; номинальный ток – 100 мА;
— коэффициент β=10;
— падение напряжение база-эмиттерUбэ=0,6 В.
Для начала рассчитаем ток в базе: Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА). Напряжение на переходе база-эмиттер: Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В. Из закона Ома находим сопротивление резистора: Rб = Uбэ / Iб = 4,4В / 0,01А = 440 Ом. Из стандартного ряда сопротивлений выбираем резистор Rбэ=430 Ом.
Всего комментариев: 0
Всё о работе транзистора в ключевом режиме
Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.
Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться.
А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.
Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.
Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.
Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В.
Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.
Рисунок 1. Входная характеристика транзистора
Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!
Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы.
Величина безразмерная, просто «во сколько раз».
β ≥ Iк/Iб
Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.
Как рассчитать режим работы ключевого каскада
Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.
Рисунок 2.
Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.
Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно.
Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.
Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.
Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.
При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).
Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.
Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом.
Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.
Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»
Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.
Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».
Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.
Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.
Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.
Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств.
Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.
По материалам: electrik.info.
Транзисторы
Транзистор — это полупроводниковый прибор, составленный из двух pn-переходов, как показано на рис. 21.1. У транзистора три вывода: эмиттер, база и коллектор. Существуют два типа транзисторов: pnp-транзисторы (рис. 21.1(а)) и npn-транзисторы (рис. 21.1(б)). По принципу работы они ничем не отличаются друг от друга, за исключением полярности подаваемого постоянного напряжения смещения.
Рассмотрим транзистор npn-типа (рис. 21.2). Переход база – эмиттер (или просто эмиттерный переход) этого транзистора смещен в прямом направлении напряжением VBE, поэтому электроны из области эмиттера будут перетекать через этот переход в область базы, создавая ток Iе.
Это обычный прямой ток рта-перехода, смещенного в прямом направлении. Как только электроны попадают в область базы, они начинают испытывать притяжение положительного потенциала коллектора. Если область базы сделать очень тонкой, то почти все эти электроны проскочат через нее к коллектору. Только очень малая часть электронов собирается базой, формируя базовый ток Ib. Фактически более 95% всех электронов эмиттерного тока Iе собираются коллектором и формируют коллекторный ток Ic транзистора. Таким образом,
Iе = Ic + Ib.
Так как базовый ток Ib очень мал (чаще всего он измеряется микроамперами), то им обычно пренебрегают. Тем самым предполагается, что токи Ic и Iе равны, и каждый из них принято называть током транзистора.
Рис.
21.1. Транзисторы и их условны: обозначения: (а) pnp-тип, (б) npn-тип.
Рис. 21.2. Подача напряжений Рис. 21.3. Подача напряжений
смещения npn-транзистора. смещения pnp-транзистора.
Обратите внимание, что переход база — коллектор (или просто коллекторный переход) смещен в обратном направлении напряжением VCD. Это необходимое условие работы транзистора, поскольку в противном случае электроны не притягивались бы к коллектору. При этом в соответствии с правилом выбора направления тока (от положительного потенциала к отрицательному) считается, что ток транзистора течет от коллектора к эмиттеру.
Для рпр-транзистора полярности подачи постоянных напряжений смещения должны быть изменены на обратные, как показано на рис.
21.3. В этом случае ток транзистора представляет собой перемещение дырок от эмиттера к коллектору или электронов от коллектора к эмиттеру.
Схемы включения транзистора
Имеются три основные схемы включения транзистора в электронные цепи.
1. Схема с общим эмиттером (ОЭ). Общим выводом здесь является эмиттер: входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером (рис. 21.4). Эта схема получила наиболее широкое распространение из-за своей гибкости и высокого коэффициента усиления.
2. Схема с общей базой (ОБ). Базовый вывод транзистора является общим выводом для входного и выходного сигналов (рис. 21.5).
3. Схема с общим коллектором (ОК). В этой схеме общим выводом для входного и выходного сигналов является коллектор. Ее называют также эмиттерным повторителем (рис. 21.6).
Интересно, что на внутреннем уровне транзистор работает во всех схемах включения совершенно одинаково, тогда как внешнее поведение его в каждом случае различно.
Рис. 21.4. Схема с общим эмиттером (ОЭ). Рис. 21.5. Схема с общей базой (ОБ).
Рис. 21.6. Схема с общим коллектором (ОК).
Обратите внимание, что выходной сигнал
снимается с эмиттера.
Каждая схема включения характеризуется своим собственным набором основных параметров, в который входят коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления и АЧХ.
Характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером
Поведение транзистора в статических условиях, то есть в отсутствие входного сигнала, определяют характеристики трех типов.
1. Входные характеристики, или зависимости входного тока от входного напряжения.
2. Выходные характеристики, или зависимости выходного тока от выходного напряжения.
3. Передаточные характеристики, или зависимости выходного тока от входного тока.
Описываемые ниже характеристики относятся к npn-транзистору (рис. 21.7). Для pnp-транзистора нужно изменить полярность напряжения постоянного тока на отрицательную.
Входные характеристики
На рис. 21.8 представлены входные характеристики для npn -транзистора. Они ничем не отличаются от характеристик pn -перехода диода, смещенного в прямом направлении, поскольку вход (переход база — эмиттер)
Рис. 21.8. Входные характеристики транзистора.
как раз и является таким переходом. Заметим, что, как и в диоде, входной ток Ib начинает протекать через эмиттерный переход только тогда, когда на этом переходе устанавливается требуемое значение прямого напряжения.
Если это напряжение (0,3 В для Ge и 0,6 В для Si) установлено, то в дальнейшем напряжение Vbe между базой и эмиттером практически не изменяется даже при сильном увеличении тока базы. Таким образом, транзистор можно рассматривать как токовый элемент, допускающий изменение входного тока при постоянном входном напряжении.
Выходные характеристики
На рис. 21.9 приведено семейство кривых, называемых выходными характеристиками транзистора, которые устанавливают связь тока коллектора (выходного тока) Ic с напряжением на коллекторе (выходным напряжением) VCE. Для определенных значений тока базы (входного тока) Ib. Эти кривые устанавливают также взаимосвязь между входным током, с одной стороны, и выходным током и выходным напряжением — с другой. Например, для транзистора с выходными характеристиками, приведенными на рис. 21.9, при Ib = 40 мкА и VCE= 6 В ток коллектора Ic = 4 мА.
Это значение легко определяется из выходной характеристики, соответствующей выбранному току базы.
Характеристика для Ib = 0 соответствует транзистору в непроводящем состоянии, т. е. в состоянии отсечки, когда величина напряжения VCEменьше требуемой величины прямого падения напряжения на эмиттерном переходе. Теоретически ток транзистора равен нулю при Ib = 0; однако реально очень слабый ток утечки всегда протекает через коллекторный переход.
Рис. 21.9. Семейство выходных характеристик транзистора.
Статический коэффициент усиления тока β
Очень важным параметром любого транзистора является его коэффициент усиления по постоянному току, называемый статическим коэффициентом усиления тока. Это коэффициент усиления тока для транзистора, находящегося в статическом режиме, то есть в отсутствие входного сигнала. Статический коэффициент усиления тока является безразмерной величиной (отношение величин двух токов) и определяется по формуле
Выходной ток Ic
β = —————————- = ——
Входной ток Ib
Величину β можно рассчитать с помощью выходных характеристик транзистора. Например, если транзистор работает в режиме, определяемом точкой Q (рабочая точка), при Ib, = 40 мкА и Ic = 4 мА, то
Передаточные характеристики
Эти характеристики устанавливают взаимосвязь между входным и выходным токами транзистора (рис. 21.10). С помощью такой характеристики можно рассчитать статический коэффициент усиления тока. Например, если точка Q — рабочая точка транзистора, то
Рис. 21.10. Передаточная характеристика транзистора.
В этом видео рассказывается о принципах работы транзистора:
Добавить комментарий
Принцип работы транзистора (биполярного) — изобретение транзистора
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 изготовляют 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 заключается 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.
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, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электрическое перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллектора получается лишь немного меньше тока эмиттера. если увеличить ток базы, то переход Эб откроется сильнее, и между эмиттером и коллектром 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.
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 явление связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база чересчур 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 ток 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 коллектор к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот фокт, 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 коллектора
Почему у первого транзистора СССР была только «мама»? / Хабр
Сейчас невозможно представить наш мир без транзисторов и микросхем, а ведь создание первого транзистора СССР возложили на хрупкие плечи студентки института. Чем же была так гениальна студентка Сусанна Мадоян?
В 1948 году американская исследовательская корпорация Bell Telephone Laboratories объявила о создании транзистора-полупроводникового прибора, способного усиливать электрические сигналы. В прессе были опубликованы научные статьи об этом.
Мир воспринял эту новость не то что спокойно, а вообще равнодушно. Заинтересовались только научные учреждения, занимающиеся полупроводниками. В СССР эта область относилась Московскому Химико-Технологическому Институту. В список дипломных работ 1948 года включили тему: «Исследование материалов для кристаллического триода».
По легенде, тема сначала досталась некому «студенту-ботанику», который отказался от такой малоперспективной работы и тему передали бойкой студентке-отличнице Сусанне Мадоян и она отправилась на преддипломную практику в город Фрязино, в лабораторию А.В. Красилова (военное НИИ-160). Несмотря на все трудности, она сумела создать макет и исследовать работу кристаллического триода (транзистора), полностью раскрыв тему дипломной работы. Под руководством Красилова она опубликовала первый научный труд: статью «Кристаллический триод».
Так Сусанна Гукасовна Мадоян стала создателем первого транзистора СССР, практически «мамой» советской полупроводниковой промышленности.
Ни в США, ни в СССР никто тут же не бросился налаживать производство транзисторов-они были еще очень ненадежны и не отличались стабильностью характеристик. К ним тогда относились по принципу «может когда и пригодится».
В начале 50х годов эксперименты с полупроводниками проводили во многих НИИ СССР и было принято решение объединить усилия создав Институт Полупроводниковой Электроники (НИИ-35). В этом институте Сусанна Мадоян стала руководителем лаборатории по разработке и внедрению плоскостных германиевых транзисторов серии «П» (П1,2,3)
Примеру СССР так же последовала фирма Philips, принявшее решение самостоятельно разработать транзисторы. А вот японская фирма Sony предпочла купить лицензию на производство транзисторов в США за 25000 долларов, удачно вложив доходы от продажи саке. Лицензию, кстати, мог купить любой желающий, таковых оказалось около 10 фирм.
К 1953 году американская промышленность была готова к крупносерийному производству транзисторов, но все производители радиоаппаратуры отказывались использовать такой экзотический и непонятный прибор. Концерну Texas Instruments практически пришлось умолять никому не известную фирму IDEA взяться за выпуск карманных радиоприемников, обещая в будущем «большие пряники». Первый транзисторный приемник Regency TR-1 поступил в продажу в конце 1954 года. Всего было изготовлено около 100 тысяч штук. Хотя приемник оказался убыточным в производстве, он «раздразнил» других производителей начать производство транзисторной аппаратуры.
Интересный список первых приемников с ценами здесь.
Сусанна Гукасовна Мадоян стала кандидатом технических наук и в 1969 году перешла на преподавательскую работу, возглавив кафедру «Полупроводниковые приборы» в Институте стали и сплавов . Читала студентам лекции по курсу «Технология полупроводниковых приборов» и была научным руководителем аспирантов.
Эту статью я уже публиковал на другом сайте, надеюсь и читателям ХАБРа было интересно узнать такой малоизвестный факт.
Что такое транзисторы и как они работают
Рубрика: Статьи про радиодетали Опубликовано 09.06.2020 · Комментарии: 0 · На чтение: 7 мин · Просмотры:Post Views: 389
Транзисторы – это основа всей цифровой электроники 21 века. Они выполняют самые разнообразные функции. Это правопреемники и наследники радиоламп, так называемых вакуумных триодов. В этой статье мы на простом примере рассмотрим концепцию, принцип работы и применение транзисторов в электронике.Концепция транзисторов
Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля – это четыре колеса, руль, корпус, двигатель и коробка передач. Концепция одна, а выпускаются автомобили с разной конструкцией, устройством и предназначением.
У транзисторов, как и у вакуумных триодов, очень простая концепция и принцип работы.
Триод – это та деталь, у которой три контакта.
Давайте представим бак с водой, в центре которого установлена задвижка.
Что мы можем сделать с потоком воды? Мы можем управлять им за счет задвижки.
Например, если в баке течет вода, и задвижки нет в нем, то вода проходит без препятствия.
В тоже время, если мы полностью перекроем путь задвижкой, то и вода не будет поступать во вторую условную часть бака и поток прекратится.
А еще мы можем полностью управлять потоком воды при помощи регулировки задвижки.
Получается, что при помощи небольшой задвижки можно контролировать огромный поток воды.
Небольшие колебания (перемещения) задвижки позволяют с такой же частотой пропускать большой поток воды.
И именно в этом суть транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять электрическим током больших значений применяя небольшие усилия.
Но в тоже время транзисторы могут быть по разному устроены.
Полевые транзисторы
Описанный выше пример – это полевой транзистор. У самого простого полевого транзистора есть сток, исток и затвор.
Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому, у них есть второе название — полупроводниковые триоды.
При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.
Любой транзистор состоит из p-n переходов, которые пропускают электрический ток в одном направлении. И этот переход позволят управлять электрическим током как задвижкой.
Полевые транзисторы управляются при помощи напряжения, которое подается на затвор.
Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.
А вот так с n – типом.
Канал транзистора – это область между истоком и стоком.
Почему транзисторы бывают разными по проводимости? Транзистор с n типом управляется при помощи положительного потенциала, а с p типом наоборот, отрицательным потенциалом. Это позволяет усиливать сигналы с разными потенциалами.
Затворов у полевых транзисторов на самом деле два, но их выводы объединены в один, так как функция у них одинакова. Зачем нужно два затвора? Так транзистором проще управлять.
Подавая напряжение на затвор, мы можем регулировать электрический ток проходящий от истока к стоку.
А самое главное не это. Самое главное, что мы можем таким образом не просто включить или выключить электрический ток по цепи, но и управлять его движением.
Например, можно подать на затвор полевого транзистора переменный сигнал 5 мкВ. И он будет модулировать электрический ток, который проходит через исток и сток транзистора. Так можно получить усиленный сигнал.
Также полевые транзисторы имеют разные схемы включения, которые позволяют согласовывать сопротивления и регулировать усилительные функции.
Обозначение (УГО) полевого транзистора с каналом n типа на принципиальных схемах:
Биполярные транзисторы
Это другой тип транзисторов. Такие транзисторы управляются при помощи электрического тока. И они состоят из чередующихся p-n переходов.
Как и у полевого транзистора, у биполярного тоже три контакта. Это эмиттер, база и коллектор. База всегда по типу противоположна эмиттеру и коллектору.
А также размеры базы транзистора намного меньше, чем у коллектора или эмиттера. База только открывает транзистор. И так как через нее протекает ток, она не должна быть большой, чтобы на нее не тратилось много энергии.Эмиттер — это большой источник основных носителей заряда. А коллектор — это самый большой контакт из этой троицы. С коллектора снимается усиленный сигнал в классической схеме, чтобы получить максимальную мощность. В транзисторах большой мощности коллектор припаян напрямую к корпусу, чтобы рассеивать тепло.
Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.
и p-n-p типа.
Обозначение (УГО) биполярного n-p-n транзистора на принципиальных схемах:
Отличие биполярных транзисторов от полевых
Полевые транзисторы управляются при помощи электрического поля и благодаря этому они очень энергоэффективны. Именно по этой причине они используются при производстве процессоров.
С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это их тонкий p-n переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если вы их вытащили из устройства во время работы.
Схемы защиты от статического электричества не успевают сработать, и статика разрушает полевые транзисторы.
А вот биполярные транзисторы наоборот, лучше переносят статику. Но в тоже время, они потребляют больше мощности, так как для их открытия нужен электрический ток.
Схемы включения
Так как у транзисторов три контакта, то можно чередовать вход и выход. Что это даст? У каждого контакта свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора, а снимать итоговый сигнал будем с эмиттера и коллектора, то такая схема будет называются с общим эмиттером.
Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.
Прочитать подробнее про работу схемы с общим эмиттером можно в этой статье.
Аналогичным образом можно подключить схему с общим коллектором и с общей базой. По сути, общий контакт — это такой контакт, который работает и на входе и на выходе одновременно с разными контактами.
Все тоже самое справедливо и для полевых транзисторов. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.
Другие типы транзисторов
А еще бывают однопереходные, комплементарные и КМОП, МДП (MOSFET) и множество других транзисторов. Они разные по своим характеристикам, выполняют разные задачи и предназначены для конкретных целей. Но в целом, принцип работы у всех одинаков. Это управление электрическим током.
Характеристики
Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.
Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.
У всех транзисторов есть следующие параметры:
- Коэффициент усиления по току;
- Коэффициент усиления по напряжению;
- Коэффициент усиления по току;
- Коэффициент обратной связи;
- Коэффициент передачи по току;
- Входное сопротивление;
- Выходное сопротивление;
- Время включения;
- Максимально допустимый ток и др.
У биполярных:
- Обратный ток коллектор-эмиттер;
- Частота коэффициента передачи тока базы;
- Обратный ток коллектора;
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.
Режимы работы
В целом, можно выделить несколько режимов работы:
- Номинальный режим;
- Инверсный;
- Насыщения;
- Отсечка;
- Барьерный.
Функции транзисторов
Транзисторы выполняют следующие функции:
- Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
- Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
- Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
- Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.
Чем транзисторы уступают лампам
Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:
- Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
- Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.
Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.
Post Views: 389
Оптический переключатель может заменить транзистор, что приведет к созданию более быстрых и энергоэффективных микросхем
Закон Мура — это наблюдение, сделанное соучредителем Intel Гордоном Муром, который изначально призывал к ежегодному удвоению количества транзисторов внутри чипа. Мур сделал это наблюдение в 1965 году и пересмотрел его в 1975 году, призвав удваивать количество транзисторов каждые два года. По мере увеличения количества транзисторов внутри микросхем интегральные схемы становятся более мощными и энергоэффективными.
Гонка продолжается, чтобы найти способ создавать более быстрые и более энергоэффективные чипы, поскольку закон Мура больше не может быть учтен на
Apple A13 Bionic, на котором была установлена серия iPhone 11 в 2019 году, содержала 8,5 миллиардов транзисторов в каждом чип и был изготовлен TSMC с использованием 7-нм техпроцесса второго поколения N7P. В следующем году A14 Bionic, который использовался на iPhone 12 серии в 2020 году, принес 11,8 миллиарда единиц (на 38,8% больше, чем у A13 Bionic). Это был первый чип, сделанный TSWMC с использованием 5-нм техпроцесса.
Недавно анонсированный Apple M1 Max содержит 57 миллиардов транзисторов внутри
.В этом году A15 Bionic, созданный с использованием 5-нм техпроцесса TSMC второго поколения, оснащен 16 миллиардами транзисторов. Но посмотрите на увеличение количества транзисторов на чипах Apple серии M, разработанных для замены процессоров Intel на Mac.M1 был выпущен в прошлом году с 15 миллиардами транзисторов, и только в этот понедельник Apple представила M1 Pro (33,7 миллиарда транзисторов) и M1 Max (57 миллиардов транзисторов).
В конце концов закон Мура перестанет быть жизнеспособным, и транзисторы не смогут стать меньше. Но согласно Tom’s Hardware, IBM объединилась с российскими исследователями и создала оптические переключатели. Они используют свет вместо электричества для включения и выключения переключателей для создания двоичных чисел, которые становятся символами.Свет сверхбыстрый, а оптический переключатель может переключаться до 1000 раз быстрее, чем напряжение.
Еще пять лет назад была мысль, что использование света может помочь расширить или даже перезапустить закон Мура. В отчете ExtremeTech, опубликованном еще в феврале 2016 года, говорилось: «Однако после создания полностью оптический компьютер может позволить нам перезапустить закон Мура. Оптический компьютер — один из наших лучших вариантов для возобновления экспоненциального роста вычислительной мощности.«Для оптического переключателя, который исследователи могут использовать на кристалле, требуется только один фотон света. Павлос Лагудакис, физик из Сколковского института науки и технологий в Москве, и старший автор исследования сказал:« Самым удивительным открытием стало то, что мы могли бы включить оптический переключатель с наименьшим количеством света, одним фотоном ». Чтобы заставить работать оптические переключатели, используются лазеры и зеркала.Переключение на основе света еще далеки от того, чтобы стать основной технологией
Лагудакис указал Выяснилось, что, хотя исследования выглядят многообещающими, световая коммутация все еще далеки от того, чтобы использоваться разработчиками основных микросхем.Он говорит: «Первому электронному транзистору потребовалось 40 лет, чтобы войти в персональный компьютер, и инвестиции многих правительств и компаний, а также тысяч исследователей и инженеров. Часто неправильно понимают, сколько времени потребуется, прежде чем открытие в фундаментальных физических исследованиях войдет в рынок.»
Если этот процесс можно усовершенствовать, вычисления на основе света могут помочь вывести на рынок более быстрые и энергоэффективные микросхемы. В 2019 году сотрудник IBM Тило Штеферле писал: «Запихивая все больше транзисторов на все меньшие микросхемы, мы пришли к созданию таких устройств, как наши смартфоны, с большей вычислительной мощностью, чем большие компьютеры, которые НАСА использовало для высадки первых людей на Луну. .
Штеферле добавляет: «Но ни одно из этих изобретений не останется с нами навсегда. Фактически, в последние годы мы стали свидетелями возрождения интереса к совершенно другим компонентам и архитектурам ». Среди возможных кандидатов на замену транзистора — оптический переключатель.
Новый чрезвычайно энергоэффективный оптический «транзистор» ускоряет вычисления до 1000 раз
Международная исследовательская группа под руководством Сколтеха и IBM создала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, который может заменить электронные транзисторы в компьютерах нового поколения, управляющих фотонами, а не электронами.Помимо прямого энергосбережения, коммутатор не требует охлаждения и работает очень быстро: при 1 триллионе операций в секунду он в 100–1000 раз быстрее, чем современные коммерческие транзисторы высшего класса. Исследование было опубликовано 22 сентября 2021 года в журнале Nature .
«Новое устройство становится таким энергоэффективным, потому что для его переключения требуется всего несколько фотонов», — прокомментировал первый автор исследования доктор Антон Заседателев. «Фактически, в наших лабораториях Сколтеха мы добились переключения всего одним фотоном при комнатной температуре! Тем не менее, предстоит пройти долгий путь, прежде чем такая демонстрация принципа будет использована в полностью оптическом сопроцессоре », — добавил профессор Павлос Лагудакис, возглавляющий лабораторию гибридной фотоники в Сколтехе.
Поскольку фотон — это мельчайшая частица света, существующая в природе, на самом деле не так много возможностей для улучшения, помимо этого, в том, что касается энергопотребления. Большинство современных электрических транзисторов требуют в десятки раз больше энергии для переключения, а те, которые используют одиночные электроны для достижения сопоставимой эффективности, работают намного медленнее.
Помимо проблем с производительностью, конкурирующие энергосберегающие электронные транзисторы также требуют громоздкого охлаждающего оборудования, которое, в свою очередь, потребляет электроэнергию и влияет на эксплуатационные расходы.Новый переключатель удобно работает при комнатной температуре и, следовательно, позволяет обойти все эти проблемы.
В дополнение к своей основной функции, подобной транзистору, коммутатор может действовать как компонент, который связывает устройства, передавая данные между ними в виде оптических сигналов. Он также может служить усилителем, увеличивая интенсивность входящего лазерного луча до 23000 раз.
Как это работает
Устройство использует два лазера для установки своего состояния на «0» или «1» и переключения между ними.Очень слабый управляющий лазерный луч используется для включения или выключения другого, более яркого лазерного луча. Для этого требуется всего несколько фотонов в управляющем луче, что обеспечивает высокую эффективность устройства.
Переключение происходит внутри микрополости — органического полупроводникового полимера толщиной 35 нанометров, зажатого между высокоотражающими неорганическими структурами. Микрополость построена таким образом, чтобы как можно дольше удерживать входящий свет внутри, чтобы способствовать его взаимодействию с материалом полости.
Эта связь легкого вещества лежит в основе нового устройства.Когда фотоны сильно соединяются с связанными электронно-дырочными парами — так называемыми экситонами — в материале полости, это приводит к появлению короткоживущих сущностей, называемых экситон-поляритонами, которые являются своего рода квазичастицами, лежащими в основе работы переключателя.
Когда лазер накачки — более яркий из двух — светит на переключатель, это создает тысячи идентичных квазичастиц в одном месте, образуя так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, который кодирует логические состояния «0» и «1». устройства.
Для переключения между двумя уровнями устройства команда использовала управляющий лазерный импульс, заполняющий конденсат незадолго до прихода лазерного импульса накачки. В результате он стимулирует преобразование энергии лазера накачки, увеличивая количество квазичастиц в конденсате. Большое количество частиц в нем соответствует состоянию «1» устройства.
Исследователи использовали несколько настроек, чтобы обеспечить низкое энергопотребление. Во-первых, эффективному переключению способствовали колебания молекул полупроводникового полимера.Уловка заключалась в том, чтобы согласовать энергетический зазор между состояниями накачки и состоянием конденсата с энергией одного конкретного молекулярного колебания в полимере. Во-вторых, команде удалось найти оптимальную длину волны для настройки лазера и внедрить новую схему измерения, позволяющую обнаруживать конденсат за один проход. В-третьих, управляющий лазер, засевающий конденсат, и схема его обнаружения были согласованы таким образом, чтобы подавлять шум от «фонового» излучения устройства. Эти меры максимально повысили уровень отношения сигнал / шум устройства и предотвратили поглощение избыточной энергии микрополостью, которая могла бы служить только для его нагрева за счет молекулярных колебаний.
«Нам еще предстоит работа по снижению общего энергопотребления нашего устройства, в котором в настоящее время преобладает лазер накачки, который удерживает переключатель во включенном состоянии. Путь к этой цели может лежать в суперкристаллических материалах перовскита, подобных тем, которые мы исследуем с соавторами. Они оказались отличными кандидатами, учитывая их сильную связь между светом и веществом, которая, в свою очередь, приводит к мощному коллективному квантовому отклику в виде суперфлуоресценции », — комментирует команда.
В более широком плане исследователи видят в своем новом коммутаторе лишь один элемент в растущем наборе полностью оптических компонентов, которые они собирали в течение последних нескольких лет.Среди прочего, он включает в себя кремниевый волновод с малыми потерями для переключения оптических сигналов между транзисторами. Разработка этих компонентов еще больше приближает нас к оптическим компьютерам, которые будут манипулировать фотонами, а не электронами, что приведет к значительно более высокой производительности и более низкому энергопотреблению. Исследования в Сколтехе поддержаны Российским научным фондом (РНФ).
Ссылка: «Однофотонная нелинейность при комнатной температуре» Антона В. Заседателева, Антона В.Бараников, Денис Санников, Дариус Урбонас, Фабио Скафиримуто, Владислав Ю. Шишков, Евгений С. Андрианов, Юрий Е. Лозовик, Ульрих Шерф, Тило Штеферле, Райнер Ф. Махрт и Павлос Г. Лагудакис, 22 сентября 2021 г., Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03866-9
— обзор | Темы ScienceDirect
8.4.3 Силовые транзисторы
Транзистор представляет собой трехслойное трехполюсное устройство. Это может быть биполярный переходной транзистор (BJT) или металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET).Обычно производители классифицируют транзисторы в соответствии с их областью применения:
- •
Малосигнальные транзисторы общего назначения предназначены для работы с малой и средней мощностью (менее 1 Вт) или для коммутации.
- •
Силовые транзисторы предназначены для работы с большими токами и / или большими напряжениями.
- •
RF (радиочастотные) транзисторы предназначены для высокочастотной работы, например, в системах связи.
BJT представляет собой транзистор NPN или PNP, показанный на рис. 8.40, с тремя выводами: базой, коллектором и эмиттером. BJT иногда называют двумя диодами, соединенными последовательно, чтобы получить структуру n-p-n или p-n-p.
Рисунок 8.40. BJT: структура (вверху) и символ схемы (внизу), транзистор NPN (слева) и транзистор PNP (справа)
Поток базового тока (I B ) позволяет увеличить ток коллектора (I C ) для поток.Ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. BJT действует как усилитель тока, хотя во многих случаях этот ток пропускается через резистор для создания напряжения. Соединяя BJT с резисторами (и конденсаторами), полученные схемы могут обеспечивать усиление как тока, так и напряжения.
MOSFET представляет собой транзистор nMOS или pMOS, показанный на рис. 8.41, с тремя выводами: затвор, сток и исток. Некоторые полевые МОП-транзисторы также имеют четвертое соединение, основную часть или подложку, но с трехконтактным устройством основная часть внутренне соединена с истоком транзистора.
Рисунок 8.41. MOSFET: структура (вверху) и обозначение схемы (внизу), nMOS-транзистор (слева) и pMOS-транзистор (справа)
Приложение напряжения между затвором и истоком (V GS ) MOS-транзистора (напряжение больше чем пороговое напряжение для транзистора) позволяет протекать току стока (I D ). Вход затвора в транзистор является емкостным, и в устройстве протекает только небольшой ток затвора (ток утечки в неидеальном конденсаторе). (В простом анализе предполагается, что этот ток затвора равен нулю для идеального конденсатора.) МОП-транзистор использует входное напряжение для управления выходным током. Во многих случаях этот ток пропускается через резистор для создания напряжения. Соединяя полевой МОП-транзистор с резисторами (и конденсаторами), полученные схемы могут обеспечивать выход напряжения и тока.
И BJT, и MOSFET могут использоваться для создания схем усилителя или аналоговых фильтров (линейные приложения) или коммутационных приложений (нелинейные приложения). Примеры приложений для силовых транзисторов:
- •
Управление двигателем постоянного тока
- •
Управление двигателем переменного тока
- •
Управление шаговым двигателем
- •
усилители звука (выходной каскад усилителя, управляющего динамиками)
- •
импульсных источников питания
Для силового транзистора безопасная рабочая область (SOAR) определяет безопасные пределы работы транзистора с точки зрения рабочих напряжений и токи для непрерывной работы (уровни постоянного тока и напряжения), а также для уровней, которые превышают область непрерывной работы в течение ограниченного периода времени.При использовании в качестве переключателя (особенно применимо для управления двигателем) необходимо учитывать время включения и выключения, чтобы гарантировать правильную работу схемы, в которой используется транзистор. Если схема пытается слишком быстро включать и выключать транзистор, транзистор не может реагировать достаточно быстро, и результатом будет неправильная работа схемы.
Выбор силового транзистора для использования зависит от ряда факторов:
- •
наличие транзистора, способного работать до требуемых уровней напряжения, тока и температуры
- •
максимальный транзистор рассеиваемая мощность
- •
подходящий корпус — корпус транзистора (два примера показаны на рисунке 8.42) требуется для крепления транзистора к печатной плате или корпусу и для отвода тепла, выделяемого внутри корпуса.
Рис. 8.42. Примеры корпусов силовых транзисторов
- •
размер транзистора
- •
материал корпуса (пластик, керамика или металл) — когда в корпусе корпуса используется металл, один из выводов устройства должен быть электрически подключен к корпусу
- •
Сопротивление включения и выключения — когда полевой МОП-транзистор используется в качестве переключателя
- •
стоимость
Когда транзистор используется в качестве усилителя, создается схема усилителя. один из пяти классов усилителя (Таблица 8.13). Каждый класс имеет рейтинг эффективности, который описывает количество мощности, подаваемой на нагрузку схемы (например, электродвигателя), в процентах от мощности, подаваемой на усилитель. 100-процентный КПД означает, что усилитель не рассеивает мощность (в виде тепла), но 100-процентный КПД недостижим.
Таблица 8.13. Классы усилителя
| Класс усилителя | Описание |
|---|---|
| Класс A | Транзистор проводит в течение всего периода входного сигнала.КПД низкий, максимум 25%. |
| Класс B | Транзистор проводит в течение одной половины периода входного сигнала. КПД выше, максимум около 78%. |
| Класс AB | Усилитель работает где-то между классом A и классом B. |
| Класс C | Транзистор проводит менее половины периода входного сигнала. КПД приближается к 100%, но дает большие искажения входного сигнала. |
| Класс D | Транзистор используется в качестве переключателя (ВКЛ или ВЫКЛ) и производит усилитель с хорошим КПД. Их часто называют переключающими усилителями или переключаемыми усилителями. |
Силовые транзисторы могут использоваться в управлении двигателем, чтобы обеспечить управление скоростью, положением или крутящим моментом двигателя. Пример схемы транзисторного усилителя для управления скоростью электродвигателя постоянного тока показан на рисунке 8.43:
Рисунок 8.43. Управление скоростью двигателя без обратной связи
- •
Схема работает от двухканального источника питания, где + V S — положительное напряжение источника питания, а –V S — отрицательное напряжение источника питания.
- •
Пользователь устанавливает положение потенциометра для получения напряжения, которое представляет требуемую скорость двигателя.
- •
Выход потенциометра буферизируется с помощью операционного усилителя.
- •
Выход операционного усилителя управляет усилителем класса B.
- •
Усилитель класса B приводит в действие двигатель постоянного тока.
В усилителе класса B используются один транзистор NPN и один транзистор PNP.Когда входное напряжение (выходное напряжение операционного усилителя) положительно (по отношению к общему узлу), NPN-транзистор проводит. Ток течет от положительного источника питания к общему узлу через двигатель, и двигатель вращается в одном направлении. Когда входное напряжение (выходное напряжение операционного усилителя) отрицательное (по отношению к общему узлу), транзистор PNP проводит. Ток течет от общего узла к отрицательному источнику питания через двигатель, и двигатель вращается в другом направлении.Два диода с обратным смещением подключены к узлам коллектор-эмиттер транзистора и используются для защиты транзисторов от высоких напряжений, которые могут возникать из-за быстро меняющихся токов в индуктивных катушках двигателя.
Это пример системы без обратной связи, в которой напряжение, приложенное к двигателю от схемы контроллера, заставляет двигатель вращаться. Изменение напряжения двигателя приведет к тому, что двигатель будет вращаться с другой скоростью. Одна потенциальная проблема с этой компоновкой заключается в том, что скорость двигателя изменяется в зависимости от различных нагрузок, подключенных к выходному валу двигателя, даже когда приложенное напряжение является постоянным.
Если скорость вала двигателя измеряется с помощью тахогенератора, напряжение генерируется в соответствии с фактической скоростью двигателя. Если это напряжение затем подается обратно в схему контроллера, как показано на рисунке 8.44, создается замкнутая система, и этот сигнал обратной связи может использоваться для автоматического увеличения или уменьшения скорости двигателя. Здесь усилитель мощности (символ треугольника) представляет собой схему транзисторного усилителя. Пользовательский ввод устанавливает требуемую скорость, а схема контроллера автоматически регулирует скорость двигателя до правильного значения.Динамика результирующей системы управления зависит от динамики двигателя и используемого алгоритма управления.
Рисунок 8.44. Управление скоростью двигателя с обратной связью
Система управления, показанная на рисунке 8.44, может быть реализована путем разработки цифровой схемы управления с аналоговым входом и выходом. Базовая компоновка показана на Рисунке 8.45. Здесь CPLD реализует алгоритм цифрового управления, такой как пропорционально-интегральное (PI) управление. Скорость двигателя устанавливается пользователем с помощью аналогового напряжения.Полярность вводимой команды определяет направление вращения вала двигателя, а величина определяет скорость вращения вала двигателя.
Рисунок 8.45. Пример управления двигателем постоянного тока через CPLD
Цифровой выход контроллера обеспечивает ввод данных в n-разрядный ЦАП. Выходное напряжение ЦАП подается через схему преобразования сигнала на базе операционного усилителя, которая обеспечивает вход для усилителя класса B. Схема преобразования сигнала на основе операционного усилителя вырабатывает выходное напряжение в диапазоне, требуемом для каскада усилителя мощности.Выход усилителя обеспечивает напряжение и ток, необходимые для вращения двигателя в любом направлении.
Тахогенератор вырабатывает напряжение постоянного тока с полярностью, определяемой направлением вращения вала двигателя, и величиной, определяемой скоростью вращения вала двигателя. Это напряжение является входом для схемы преобразования сигнала на базе операционного усилителя, которая изменяет уровни напряжения тахогенератора до уровней, требуемых n-разрядным АЦП. АЦП преобразует напряжение обратно в цифровое значение, которое обеспечивает цифровое представление напряжения аналогового тахогенератора.
Схема в CPLD обеспечивает функции цифрового алгоритма управления, который управляет напряжением, подаваемым на двигатель.
Каждый АЦП и ЦАП в конструкции требует своего собственного опорного сигнала (обычно напряжения).
Последней частью схемы является источник питания, который получает доступное напряжение источника питания и выдает уровни напряжения источника питания, необходимые для каждой части конструкции.
Примером коммерческого биполярного силового транзистора является транзистор 2N3772 NPN от ST Microelectronics.Это мощный кремниевый транзистор, помещенный в металлический корпус TO-3, и находит применение в таких областях, как линейные усилители и устройства индуктивной коммутации. В Таблице 8.14 приведены типичные абсолютные максимальные характеристики силового транзистора в различных условиях эксплуатации.
Таблица 8.14. Типовой лист технических данных Абсолютные максимальные значения