Дуже часто чую від читачів таке запитання:
Як працює NPN транзистор і їжу зрозуміло, а як працює PNP транзистор?
Ну начебто пояснюєш, що мовляв база відкривається "мінусом" і т.д. але чомусь не всі наздоганяють. Тому вирішив накарябати статейку про транзистор PNP провідності та показати, як він працює.
Повторення - мати вчення, тому насамперед давайте згадаємо, якою провідністю бувають біполярні транзистори. Хто читав попередні статті, думаю пам'ятають, що транзистори бувають NPN провідності:
та PNP провідності
З NPN транзистором у минулих статтях ми будували прості схеми, і знали, що якщо подати на базу невелику напругу, то електричний струм побіжить по стрілочці від колектора до емітера
Ми навіть наводили аналогію з бачком та тазиком
Докладніше у цій статті.
Але тоді, яка аналогія має бути у транзистора PNP провідності? Розглянемо такий малюнок:
Тут ми бачимо коричневу трубу, якою тече вода знизу вгору під тиском. В даний момент труба закрита червоною заслінкою і тому вода не може текти по трубі, оскільки заслінка заважає натиску води.
Але як тільки ми відтягуємо заслінку, трохи потягнувши зелений важіль, то червона заслінка відтягується і бурхливий потік води біжить трубою знизу вгору. Як тільки ми відпустимо зелений важіль, то синя пружина поверне заслінку у вихідне положення та перегородить шлях воді.
Тобто ми трохи притягнули заслінку до себе, і вода побігла через трубу шаленим потоком. Те саме можна сказати і про PNP транзистор.
Якщо уявити цю трубу як транзистор, його висновки виглядатимуть ось так:
Значить для того, щоб струм біг від емітера до колектора (адже ви пам'ятаєте, що струм повинен бігти туди, куди показує стрілка емітера), ми повинні зробити так, щоб з бази випливавструм, або висловлюючись дилетантською мовою, подавати на базу мінус харчування("відтягувати" напругу він).
Ну що, проведемо довгоочікуваний досвід. Для цього візьмемо транзистор КТ814Б, який є компліментарною парою транзистору КТ815Б.
Хто погано читав минулі статті, хочу нагадати, що компліментарна пара для когось транзистора - це транзистор точно з такими ж характеристиками та параметрами, АЛЕу нього просто інша провідність. Це означає, що транзистор КТ815 у нас зворотнійпровідності, тобто NPN, а КТ814 прямийпровідності, тобто PNP ;-) Справедливо також і протилежне: для транзистора КТ814 компліментарною парою є транзистор КТ815! Коротше кажучи, дзеркальні брати-близнюки.
Транзистор КТ814Б є транзистором PNP провідності:
Ось його цоколівка:
Для того, щоб показати принцип його роботи, ми його зберемо за схемою із Загальним Еміттером (ОЕ):
Насправді вся схема виглядає якось так:
Сині проводки-крокодили йдуть від блока живлення Bat1, а інші два дроти з крокодилами, чорний та червоний, від блоку живлення Bat2.
Отже, для того, щоб схема запрацювала, виставляємо на Bat2напруга для живлення лампочки розжарювання. Так як лампочка у нас на 6 Вольт, то й виставляємо 6 Вольт. На блоці живлення Bat1акуратно додаємо напругу від нуля і поки не загориться лампочка розжарювання. І ось при напрузі 0,6 Вольт
у мене загорілася лампочка
Тобто транзистор "відкрився" і через ланцюг емітер-колектор побіг електричний струм, який і змусив горіти лампочку. Ну, я думаю, все до болю просто;-) Напруга відкриття - це падіння напруга на P-N переході база-емітер. Як ви пам'ятаєте, для кремнієвих транзисторів (а транзистор КТ814Б у нас кремнієвий, про це говорить буква "К" на початку його назви) це значення знаходиться в межах 0,5-0,7 Вольт. Тобто, щоб "відкрити" транзистор, достатньо подати на базу-емітер напругу більше, ніж 0,5-0,7 Вольт.
Пам'ятайте як у дитячих журналах: "знайдіть стільки відмінностей у двох картинках", давайте зіграємо ще раз у таку ж гру. Тільки цього разу шукатимемо відмінності у двох схемах.
Отже, зліва NPN транзистор КТ815Б у схемі з ОЕ, а праворуч КТ814Б за такою самою схемою включення:
Ну і в чому полягає відмінність? Та в полярності харчування! І ось тепер можна з упевненістю сказати, що транзистор провідності PNP відкривається "мінусом", тому що на базу ми подаємо "мінус", а транзистор провідності NPN відкривається "плюсом".
Між простою схемою перемикання і лінійним підсилювачем на транзисторі є очевидна відмінність. У нормально працюючому лінійному підсилювачі колекторний струмзавжди прямо пропорційний базовому струму. У схемі, що перемикає, такий як на рис. 1. колекторний струм визначається, головним чином, напругою живлення V CC і опором навантаження R L . Режим насичення транзистора є досить важливим і заслуговує на докладне обговорення.
Рис. 1. Ілюстрація режиму насичення. Транзистор працює як ключ для включення лампи.
Розглянемо, що відбувається з колекторним струмом у схемі на рис. 1 якщо базовий струм поступово збільшується, починаючи від нуля. Коли ключ S 1 розімкнуто, базовий струм не тече і струм колектора мізерно малий. Замикання S 1 призводить до появи струму бази I B = V CC /R B , де ми знехтували різницею потенціалів на переході база-емітер. Струм колектора, що протікає по навантаженню R L , дорівнює I C = h FE V CC / R B . Для конкретної схеми, наведеної малюнку, при h FE = 100 і за максимальному значенні R B (50 кОм) отримаємо:
I C = 100×10/5000 А = 20 мА
Падіння напруги на R L визначається добутком R L I C і в нашому випадку дорівнює 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при цьому знаходиться у лінійному режимі; зменшення R B призводить до збільшення струму бази, збільшення струму колектора і, отже, збільшення падіння напруги на R L . У умовах схема могла б бути використана як підсилювач напруги.
Тепер розглянемо випадок, коли
і струм бази дорівнює
I B = V CC / R B = V CC / (h FE R L)
Отже, колекторний струм дорівнює
I C = (h FE V CC)/(h FE R L) = V CC /R L
З погляду навантаження транзистор поводиться як пара контактів ключа. З закону Ома випливає, що струм навантаження у цій ситуації не може перевищувати величини V CC /R L . Тому подальше збільшення струму бази не може збільшити струм колектора, який визначається тепер лише опором навантаження та напругою живлення. Транзистор знаходиться у насиченні. На практиці при насиченні транзистора між колектором і емітером завжди залишається невелика напруга, що зазвичай позначається V CE (sat). Як правило, воно менше 1 В і може доходити до 0,1 B y транзисторів, спеціально призначених для роботи як ключі. Зазвичай V CE(sat) зменшується у міру того, як через перехід база-емітер тече все більший струм, тобто у випадку, коли відношення струму колектора IC до струму бази IB стає значно менше, ніж коефіцієнт посилення струму транзистора h FE .
Грубо кажучи, глибоке насичення (мале значення V CE(sat)) має місце, коли
I C / I B< h FE /5
Для схеми типу, яка показана на рис. 1, коли струм бази задається просто підключенням резистора до джерела живлення, ми вибираємо
R B /R L< h FE /5
Отже, для схеми на рис. 1, приймаючи типове для транзистора 2N3053 (аналог КТ630Б - див. аналоги вітчизняних та зарубіжних транзисторів) значення коефіцієнта посилення струму h FE = 150, маємо
R B /R L< 150/5 = 30.
Отже, при R L = 50 Ом ми вибираємо
R B< 30 х 50 Ом = 1,5 кОм.
Отже, якщо як навантаження використовується лампа з опором 50 Ом, то для її ефективного включення слід вибрати опір базового резистора менше 1,5 кОм. Якщо це неможливо, коли, наприклад, як R B використовується фоторезистор з мінімальним опором 10 кОм, слід скористатися схемою Дарлінгтона, щоб збільшити коефіцієнт посилення струму.
Якщо біполярний транзистор працює зі струмом колектора, близьким до максимального, і потрібно підтримати напругу V CE(sat) на рівні вольта, то через зменшення h FE може знадобитися базовий струм більше, ніж I з /10.
Можливо здасться несподіваним, що V CE(sat) може бути набагато менше, ніж напруга V BE , яка кремнієвого транзистора дорівнює приблизно 0,6 В. Відбувається це тому, що в режимі насичення перехід колектор-база зміщений в прямому напрямку. Отже, маємо два р-n переходи, зміщених у напрямі, включених назустріч одне одному отже падіння напруги ними взаємно компенсуються. Ця здатність біполярного транзистора мати в режимі насичення дуже маленьке падіння напруги між колектором і емітером, робить його дуже корисним приладом, що перемикає. Багато з найбільш важливих застосувань електроніки, включаючи велику область цифрової електроніки, використовують схеми, що перемикають.
У режимі перемикань транзистор працює або з фактично нульовим струмом колектора (транзистор вимкнений) або фактично нульовим напругою на колекторі (транзистор включений). В обох випадках потужність, що розсіюється на транзисторі, дуже мала. Значна потужність розсіюється тільки в той час, коли відбувається перемикання: в цей час і напруга колектор-емітер та струм колектора мають кінцеві значення.
Маломощний транзистор, такий як 2N3053, з максимально допустимою потужністю, що розсіюється менше одного вата, може перемикати потужність в навантаженні в кілька ват. Слід звернути увагу на те, що максимальні значення колекторної напруги та струму не повинні виходити за допустимі межі; крім того, бажано здійснювати перемикання якнайшвидше, щоб уникнути розсіювання надмірно великої потужності.
ТЕМА 4. БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ
4.1 Пристрій та принцип дії
Біполярний транзистор - це напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей з типами електропровідності, що чергуються, і придатний для посилення потужності.
Біполярні транзистори, що випускаються в даний час, можна класифікувати за такими ознаками:
За матеріалом: германієві та кремнієві;
По виду провідності областей: типу р-n-р та n-p-n;
По потужності: малої (Рмах £0,3Вт), середньої (Рмах £1,5Вт) та великої потужності (Рмах > 1,5Вт);
По частоті: низькочастотні, середньочастотні, високочастотні та НВЧ.
У біполярних транзисторах струм визначається рухом носіїв заряду двох типів: електронів та дірок (або основними та неосновними). Звідси їхня назва – біполярні.
В даний час виготовляються та застосовуються виключно транзистори з площинними. р-n-переходуми.
Пристрій площинного біполярного транзистора показано схематично на рис. 4.1.
Він є платівкою германію або кремнію, в якій створені три області з різною електропровідністю. У транзистора типу n-р-nсередня область має дірочну, а крайні області – електронну електропровідність.
Транзистори типу р-n-р мають середню область з електронною, а крайні з дірочною електропровідністю.
Середня область транзистора називається базою, одна крайня область – емітером, інша – колектором. Таким чином у транзисторі є два р-n-переходи: емітерний – між емітером та базою та колекторний – між базою та колектором. Площа емітерного переходу менше площі колекторного переходу.
Емітер називається область транзистора призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду із бази. Базою є область, яку інжектуються емітером неосновні для цієї області носії заряду.
Концентрація основних носіїв заряду в емітері в багато разів більша за концентрацію основних носіїв заряду в базі, а їх концентрація в колекторі дещо менша від концентрації в емітері. Тому провідність емітера на кілька порядків вища за провідність бази, а провідність колектора дещо менша за провідність емітера.
Від бази, емітера та колектора зроблено висновки. Залежно від цього, який із висновків є загальним для вхідний і вихідний ланцюгів, розрізняють три схеми включення транзистора: із загальною базою (ПРО), загальним емітером (ОЕ), загальним колектором (ОК).
Вхідний, або керуючий, ланцюг служить для керування роботою транзистора. У вихідний, або керованої ланцюга виходять посилені коливання. Джерело коливань, що посилюються, включається у вхідний ланцюг, а у вихідну включається навантаження.
Розглянемо принцип дії транзистора з прикладу транзистора р-n-р-Типу, включеного за схемою із загальною базою (рис. 4.2).
Рисунок 4.2 – Принцип дії біполярного транзистора (р-n-р-типу)
Зовнішні напруги двох джерел живлення ЕЕ та Ек підключають до транзистора таким чином, щоб забезпечувалося зміщення емітерного переходу П1 у прямому напрямку (пряма напруга), а колекторного переходу П2 – у зворотному напрямку (зворотна напруга).
Якщо до колекторного переходу прикладена зворотна напруга, а ланцюг емітера розімкнута, то в колі колектора протікає невеликий зворотний струм Iко (одиниці мікроампер). Цей струм виникає під дією зворотної напруги та створюється спрямованим переміщенням неосновних носіїв заряду дірок бази та електронів колектора через колекторний перехід. Зворотний струм протікає ланцюгом: +Ек, база-колектор, −Ек. Величина зворотного струму колектора залежить від напруги на колекторі, але залежить від температури напівпровідника.
При включенні в ланцюг емітера постійної напруги ЕЕ у напрямі потенційний бар'єр емітерного переходу знижується. Починається інжектування (впорскування) дірок у основу.
Зовнішня напруга, прикладена до транзистора, виявляється прикладеним переважно до переходів П1 і П2, т.к. вони мають великий опір у порівнянні з опором базової, емітерної та колекторної областей. Тому інжектовані у основу дірки переміщаються у ній у вигляді дифузії. При цьому дірки рекомбінують із електронами бази. Оскільки концентрація носіїв у основі значно менше, ніж у емітері, то рекомбінують дуже небагато дірки. При малій товщині бази багато дірки будуть доходити до колекторного переходу П2. На місце рекомбінованих електронів до бази надходять електрони від джерела живлення Ек. Дірки, що рекомбінували з електронами в основі, виробляють струм бази IБ.
Під дією зворотної напруги Ек потенційний бар'єр колекторного переходу підвищується, товщина переходу П2 збільшується. Але потенційний бар'єр колекторного переходу не створює перешкод для проходження через нього дірок. Дірки, що увійшли в область колекторного переходу, потрапляють у сильне прискорювальне поле, створене на переході колекторною напругою, і екстрагуються (втягуються) колектором, створюючи колекторний струм Iк. Колекторний струм протікає ланцюгом: +Ек, база-колектор, -Ек.
Таким чином, у транзисторі протікає три струми: струм емітера, колектора та бази.
У дроті, що є виведенням бази, струми емітера та колектора спрямовані зустрічно. Отже, струм бази дорівнює різниці струмів емітера та колектора: IБ = IЕ - IК.
Фізичні процеси в транзисторі типу n-р-n протікають аналогічно до процесів у транзисторі типу р-n-р.
Повний струм емітера ІЕ визначається кількістю інжектованих емітером основних носіїв заряду. Основна частина цих носіїв заряду досягаючи колектора, створює колекторний струм Iк. Незначна частина інжектованих в базу носіїв заряду рекомбінують у базі, створюючи струм бази ІБ. Отже, струм емітера поділяться струми основи і колектора, тобто. IЕ = IБ + Iк.
Струм емітера є вхідним струмом, струм колектора - вихідним. Вихідний струм становить частину вхідного, тобто.
(4.1)де a-коефіцієнт передачі струму для схеми ПРО;
Оскільки вихідний струм менший за вхідний, то коефіцієнт a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.
У схемі із загальним емітером вихідним струмом є струм колектора, а вхідним – струм бази. Коефіцієнт посилення струму для схеми ОЕ:
(4.2)
(4.3)
Отже, коефіцієнт посилення струму для схеми ОЕ становить десятки одиниць.
Вихідний струм транзистора залежить від вхідного струму. Тому транзистор-прилад, керований струмом.
Зміни струму емітера, викликані зміною напруги емітерного переходу, повністю передаються колекторний ланцюг, викликаючи зміна струму колектора. А т.к. напруга джерела колекторного живлення Ек значно більше, ніж емітерного Ее, те й потужність, що споживається в ланцюзі колектора Рк, буде значно більшою за потужність у ланцюзі емітера Ре. Таким чином, забезпечується можливість управління великою потужністю колекторного ланцюга транзистора малою потужністю, що витрачається в емітерному ланцюгу, тобто. має місце посилення потужності.
4.2 Схеми включення біполярних транзисторів
В електричний ланцюг транзистор включають таким чином, що один з його висновків (електрод) є вхідним, другий вихідним, а третій загальним для вхідний і вихідний ланцюгів. Залежно від цього, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: ПРО, ОЕ і ОК. Ці схеми транзистора типу р-n-р наведено на рис. 4.3. Для транзистора n-р-n у схемах включення змінюються лише полярності напружень та напрямок струмів. За будь-якої схеми включення транзистора (в активному режимі) полярність включення джерел живлення повинна бути обрана так, щоб емітерний перехід був включений у прямому напрямку, а колекторний – у зворотному.
Малюнок 4.3 – Схеми включення біполярних транзисторів: а) ПРО; б) ОЕ; в) ОК
4.3 Статичні характеристики біполярних транзисторів
Статичним режимом роботи транзистора називається режим за відсутності навантаження у вихідний ланцюга.
Статичними характеристиками транзисторів називають графічно виражені залежності напруги та струму вхідного ланцюга (вхідні ВАХ) та вихідного ланцюга (вихідні ВАХ). Вигляд параметрів залежить від методу включення транзистора.
4.3.1 Характеристики транзистора, включеного за схемою ПРО
IЕ = f(UЕБ) при UКБ = const (рис. 4.4 а).
IК = f(UКБ) при IЕ = const (рис. 4.4 б).
Рисунок 4.4 – Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою ПРО
Вихідні ВАХ мають три характерні області: 1 - сильна залежність Iк від UКБ (нелінійна початкова область); 2 - слабка залежність Iк від UКБ (лінійна область); 3 – пробій колекторного переходу.
Особливістю характеристик області 2 є їх невеликий підйом зі збільшенням напруги UКБ.
4.3.2 Характеристики транзистора, включеного за схемою ОЕ:
Вхідною характеристикою є залежність:
IБ = f(UБЕ) при UКЕ = const (рис. 4.5 б).
Вихідною характеристикою є залежність:
IК = f(UКЕ) при IБ = const (рис. 4.5 а).
Рисунок 4.5 – Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою ОЕ
Транзистор у схемі ОЕ дає посилення струму. Коефіцієнт посилення струму в схемі ОЕ:
Якщо коефіцієнт a для транзисторів a = 0,9 0,99, то коефіцієнт b = 999. Це найважливіша перевага включення транзистора за схемою ОЕ, ніж, зокрема, визначається ширше практичне застосування цієї схеми включення проти схемою ПРО. З принципу дії транзистора відомо, що через виведення бази протікають у зустрічному напрямку дві складові струму (рис. 4.6): зворотний струм колекторного переходу IКО та частина струму емітера (1 - a) IЕ. У цьому сенсі нульове значення струму бази (IБ = 0) визначається рівністю зазначених складових струмів, тобто. (1 − a)IЕ = IКО. Нульовому вхідному струму відповідають струм емітера IЕ=IКО/(1−a)=(1+b)IКО та струм колектора
. Іншими словами, при нульовому струмі бази (IБ = 0) через транзистор у схемі ОЕ протікає струм, який називається початковим або наскрізним струмом IКО(Е) та рівним (1+ b) IКО.
Рисунок 4.6 – Схема включення транзистора із загальним емітером (схема ОЕ)
4.4 Основні параметри
Для аналізу та розрахунку ланцюгів з біполярними транзисторами використовують звані h – параметри транзистора, включеного за схемою ОЭ.
Електричний стан транзистора, включеного за схемою ОЕ, характеризується величинами ІБ, ІБЕ, ІК, УКЕ.
У систему h − параметрів входять такі величини:
1. Вхідний опір
h11 = DU1/DI1 за U2 = const. (4.4)
є опір транзистора змінному вхідному струму у якому замикання на виході, тобто. за відсутності вихідної змінної напруги.
2. Коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою:
h12 = DU1/DU2при I1 = const. (4.5)
показує, яка частка вхідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку у ньому.
3. Коефіцієнт зусилля струму (коефіцієнт передачі струму):
h21 = DI2/DI1при U2 = const. (4.6)
показує посилення змінного струму транзистором як роботи без навантаження.
4. Вихідна провідність:
h22 = DI2/DU2 за I1 = const. (4.7)
є провідністю для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.
Вихідний опір Rвих = 1/h22.
Для схеми із загальним емітером справедливі такі рівняння:
(4.8)
Для запобігання перегріву колекторного переходу необхідно щоб потужність, що виділяється в ньому при проходженні колекторного струму, не перевищувала деякої максимальної величини:
(4.9)
Крім того, існують обмеження щодо колекторної напруги:
та колекторного струму:
4.5 Режими роботи біполярних транзисторів
Транзистор може працювати у трьох режимах залежно від напруги з його переходах. Працюючи в активному режимі на емітерному переході напруга пряме, але в колекторному – зворотне.
Режим відсічення, або замикання, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи (обидва р-n-переходи закриті).
Якщо на обох переходах напруга пряме (обидва р-n- переходу відкриті), то транзистор працює у режимі насичення.
У режимі відсікання та режимі насичення керування транзистором майже відсутнє. В активному режимі таке управління здійснюється найефективніше, причому транзистор може виконувати функції активного елемента електричної схеми (посилення, генерування тощо).
4.6 Область застосування
Біполярні транзистори є напівпровідниковими приладами універсального призначення і широко застосовуються в різних підсилювачах, генераторах, імпульсних та ключових пристроях.
4.7 Найпростіший підсилювальний каскад на біполярному транзисторі
Найбільше застосування знаходить схема включення транзистора за схемою із загальним емітером (рис. 4.7)
Основними елементами схеми є джерело живлення Ек, керований елемент транзистор VT і резистор Rк. Ці елементи утворюють головний (вихідний) ланцюг підсилювального каскаду, в якому за рахунок протікання керованого струму створюється посилена змінна напруга на виході схеми.
Інші елементи виконують допоміжну роль. Конденсатор Ср є розділовим. За відсутності цього конденсатора в ланцюзі джерела вхідного сигналу створювався постійний струм від джерела живлення Ек.
Рисунок 4.7 – Схема найпростішого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі за схемою із загальним емітером
Резистор RБ, включений у ланцюг бази, забезпечує роботу транзистора як спокою, тобто. відсутність вхідного сигналу. Режим спокою забезпечується струмом основи спокою IБ » Ек/RБ.
З допомогою резистора Rк створюється вихідну напругу, тобто. Rк виконує функцію створення напруги, що змінюється, у вихідний ланцюга за рахунок протікання в ній струму, керованого по ланцюгу бази.
Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду можна записати наступне рівняння електричного стану:
Ек = Uке + IкRк, (4.10)
тобто сума падіння напруги на резисторі Rк і напруги колектор-емітер Uке транзистора завжди дорівнює постійній величині - ЕРС джерела живлення Ек.
Процес посилення ґрунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Ек в енергію змінної напруги у вихідному ланцюзі за рахунок зміни опору керованого елемента (транзистора) згідно із законом, що задається вхідним сигналом.
При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги uвх у базовому ланцюзі транзистора створюється змінна складова струму IБ~, отже струм бази буде змінюватися. Зміна струму бази призводить до зміни значення струму колектора (IК = bIБ), отже, зміни значень напруг на опорі Rк і Uкэ. Підсилювальні можливості зумовлені тим, що зміна значень струму колектора в b разів більше, ніж струму основи.
4.8 Розрахунок електричних кіл з біполярними транзисторами
Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду (рис. 4.7) відповідно до другого закону Кірхгофа справедливе рівняння (4.10).
Вольт – амперна характеристика колекторного резистора RК є лінійною, а вольт – амперні характеристики транзистора є нелінійними колекторними характеристиками транзистора (рис. 4.5, а), включеного за схемою ОЕ.
Розрахунок такого нелінійного ланцюга, тобто визначення IK, URK та UКЕ для різних значень струмів бази ІБ та опорів резистора RК можна провести графічно. Для цього на сімействі колекторних характеристик (рис. 4.5 а) необхідно провести з точки ЄК на осі абсцис вольт - амперну характеристику резистора RК, що задовольняє рівняння:
Uкэ = Ек - RкIк. (4.11)
Цю характеристику будують за двома точками:
Uке = Ек при Iк = 0 на осі абсцис і Iк = Ек / Rк при Uкэ = 0 на осі ординат. Побудовану таким чином ВАХ колекторного резистора Rк називають лінією навантаження. Точки перетину її з колекторними характеристиками дають графічне рішення рівняння (4.11) для опору Rк і різних значень струму бази IБ. За цими точками можна визначити колекторний струм Iк, однаковий для транзистора та резистора Rк, а також напруга UКЕ та URK.
Точка перетину лінії навантаження з одним із статичних ВАХ називається робочою точкою транзистора. Змінюючи IБ, можна переміщати її по навантажувальній прямій. Початкове положення цієї точки за відсутності вхідного змінного сигналу називають точкою спокою – Т0.
а) б) Рисунок 4.8 – Графоаналітичний розрахунок робочого режиму транзистора за допомогою вихідних та вхідних характеристик.
Точка спокою (робоча точка) Т0 визначає струм IКП та напруга UКЕП у режимі спокою. За цими значеннями можна знайти потужність РКП, що виділяється в транзисторі в режимі спокою, яка не повинна перевищувати граничну потужність РК мах, що є одним з параметрів транзистора:
РКП = IКП × UКЕП £ РК мах. (4.12)
У довідниках зазвичай наводиться сімейство вхідних показників, а даються лише показники для UКЭ = 0 й у деякого UКЭ > 0.
Вхідні характеристики для різних UКЕ, що перевищують 1В, розташовуються дуже близько один до одного. Тому розрахунок вхідних струмів і напруг можна приблизно робити за вхідною характеристикою при UКЕ > 0, взятої з довідника.
На цю криву переносяться точки А, То та Б вихідний робочої характеристики, і виходять точки А1, Т1 та Б1 (рис. 4.8, б). Робоча точка Т1 визначає постійна напругабази UБЕЗ та постійний струмоснови ІБП.
Опір резистора RБ (забезпечує роботу транзистора в режимі спокою), через який від джерела ЄК подаватиметься постійна напруга на базу:
(4.13)
В активному (підсилювальному) режимі точка спокою транзистора знаходиться приблизно посередині ділянки лінії навантаження АБ, а робоча точка не виходить за межі ділянки АБ.
Вітаю вас любі друзі! Сьогодні мова піде про біполярні транзистори і інформація буде корисна насамперед новачкам. Так що, якщо вам цікаво що таке транзистор, його принцип роботи і взагалі з чим його їдять, то беремо стілець зручніше і підходимо ближче.
Продовжимо, і у нас тут є зміст, зручніше буде орієнтуватися у статті
Види транзисторів
Транзистори бувають переважно двох видів: біполярні транзистори і польові транзистори. Звичайно, можна було розглянути всі види транзисторів в одній статті, але мені не хочеться варити кашу у вас в голові. Тому в цій статті ми розглянемо виключно біполярні транзистори, а про польові транзистори я розповім в одній із наступних статей. Не будемо все заважати в одну купу, а приділимо увагу кожному, індивідуально.
Біполярний транзистор
Біполярний транзистор це нащадок лампових тріодів, що стояли в телевізорах 20-го століття. Тріоди пішли в небуття і поступилися дорогою функціональнішим побратимам — транзисторам, а точніше біполярним транзисторам.
Тріоди за рідкісним винятком застосовують у апаратурі для меломанів.
Біполярні транзистори можуть виглядати так.
Як ви можете бачити біполярні транзистори мають три висновки, і конструктивно вони можуть виглядати зовсім по-різному. Але на електричних схемахвони виглядають простенько і завжди однаково. І все це графічне розкіш, виглядає якось так.
Це зображення транзисторів ще називають УГО (Умовне графічне позначення).
Причому біполярні транзистори можуть мати різний тип провідності. Є транзистори типу NPN і типу PNP.
Відмінність n-p-n транзистора від p-n-p транзистора полягає лише в тому, що є «переносником» електричного заряду (електрони або «дірки»). Тобто. для p-n-p транзистора електрони переміщаються від емітера до колектора та керуються базою. Для n-p-n транзистора електрони йдуть від колектора до емітера і управляються базою. У результаті приходимо до того, що для того, щоб у схемі замінити транзистор одного типу провідності на інший достатньо змінити полярність прикладеної напруги. Або тупо поміняти полярність джерела живлення.
Біполярні транзистори мають три висновки: колектор, емітер і базу. Думаю, що УГО буде складно заплутатися, а от у реальному транзисторі заплутатися простіше простого.
Зазвичай, де який висновок визначають за довідником, але можна просто . Висновки транзистора телефонують як два діоди, з'єднані у загальній точці (в області бази транзистора).
Зліва зображена картинка для транзистора p-n-p типу, при продзвонюванні створюється відчуття (за допомогою показань мультиметра), що перед вами два діоди які з'єднані в одній точці своїми катодами. Для транзистора n-p-n типу діоди у точці бази з'єднані власними анодами. Думаю після експериментів із мультиметром буде зрозуміліше.
Принцип роботи біполярного транзистора
А зараз ми спробуємо розібратися, як працює транзистор. Я не вдаватимуся до подробиць внутрішнього пристрою транзисторів, оскільки ця інформація тільки заплутує. Краще гляньте на цей малюнок. 
Це зображення найкраще пояснює принцип роботи транзистора. На цьому зображенні людина за допомогою реостата керує струмом колектора. Він дивиться на струм бази, якщо струм бази зростає, то людина так само збільшує струм колектора з урахуванням коефіцієнта посилення транзистора h21Е. Якщо струм бази падає, то струм колектора також знижуватиметься — людина підкоригує його за допомогою реостату.
Ця аналогія немає нічого спільного з реальною роботою транзистора, але полегшує розуміння принципів його.
Для транзисторів можна назвати правила, які мають допомогти полегшити розуміння. (Ці правила взяті з книги).
- Колектор має більш позитивний потенціал, ніж емітер.
- Як я вже говорив ланцюга база - колектор і база-емітер працюють як діоди
- Кожен транзистор характеризується граничними значеннями, такими як струм колектора, струм бази та напруга колектор-емітер.
- Якщо правила 1-3 дотримані то струм колектора Iк прямо пропорційний струму бази Iб. Таке співвідношення можна записати як формули.
З цієї формули можна виразити основну властивість транзистора - невеликий струм бази управляє великим струмом колектора.
Коефіцієнт посилення струму.
Його також позначають як
Виходи з вище сказаного транзистор може працювати у чотирьох режимах:
- Режим відсічення транзистора— у цьому режимі перехід база-емітер закритий, таке може статися, коли напруга база-емітер недостатня. В результаті струм бази відсутній і отже струм колектора теж не буде.
- Активний режим транзистора- Це нормальний режим роботи транзистора. У цьому режимі напруга база-емітер достатньо для того, щоб перехід база-емітер відкрився. Струм бази достатній і струм колектора теж є. Струм колектора дорівнює струму бази помноженому на коефіцієнт посилення.
- Режим насичення транзисторау цей режим транзистор переходить тоді, коли струм бази стає настільки більшим, що потужності джерела живлення просто не вистачає для подальшого збільшення струму колектора. У цьому режимі струм колектора не може збільшуватися після збільшення струму бази.
- Інверсний режим транзистора- Цей режим використовується вкрай рідко. У цьому режимі колектор та емітер транзистора змінюють місцями. В результаті таких маніпуляцій коефіцієнт посилення транзистора дуже страждає. Транзистор спочатку проектувався не для того, щоб він працював у такому особливому режимі.
Для розуміння того, як працює транзистор, потрібно розглядати конкретні схемні приклади, тому давайте розглянемо деякі з них.
Транзистор у ключовому режимі
Транзистор у ключовому режимі це один із випадків транзисторних схеміз загальним емітером. Схема транзистора у ключовому режимі застосовується дуже часто. До цієї транзисторної схеми вдаються наприклад коли необхідно керувати сильним навантаженням за допомогою мікроконтролера. Ніжка контролера не здатна тягнути сильне навантаження, а транзистор може. Виходить, контролер управляє транзистором, а транзистор потужним навантаженням. Ну а про все по порядку.
Основна сутність цього режиму у тому, що струм бази управляє струмом колектора. Причому струм колектора набагато більший за струм бази. Тут неозброєним поглядом видно, що відбувається посилення сигналу струму. Це посилення здійснюється за рахунок енергії джерела живлення.
На малюнку зображено схему роботи транзистора в ключовому режимі.
Для транзисторних схем напруги не мають великої ролі, важливі лише струми. Тому, якщо відношення струму колектора до струму бази менше коефіцієнта посилення транзистора, то все окей.
У цьому випадку навіть якщо до бази у нас прикладена напруга в 5 вольт, а в колі колектора 500 вольт, то нічого страшного не станеться, транзистор покірно перемикатиме високовольтне навантаження.
Головне, щоб ці напруги не перевищували граничні значення для конкретного транзистора (задається в характеристиках транзистора).
Наскільки знаємо, що значення струму це характеристика навантаження.
Ми не знаємо опору лампочки, але знаємо робочий струм лампочки 100 мА. Щоб транзистор відкрився та забезпечив протікання такого струму, потрібно підібрати відповідний струм бази. Струм бази ми можемо коригувати змінюючи номінал базового резистора.
Оскільки мінімальне значення коефіцієнта посилення транзистора дорівнює 10, то відкриття транзистора струм бази має стати 10 мА.
Струм, який нам потрібен відомий. Напруга на базовому резисторі буде Таке значення напруги на резисторі вийшло через те, що на переході база-емітер висаджується 0,6В-0,7В і це треба не забувати враховувати.
В результаті ми цілком можемо знайти опір резистора
Залишилося вибрати із ряду резисторів конкретне значення і справа в капелюсі.
Тепер ви напевно думаєте, що транзисторний ключбуде працювати так, як потрібно? Що коли базовий резистор підключається до +5 лампочка загоряється, коли відключається -лампочка гасне? Відповідь може бути так, а може і ні.
Справа в тому, що тут є невеликий нюанс.
Лампочка в тому випадку згасне, коли потенціал резистора буде дорівнює потенціалуземлі. Якщо резистор просто відключений від джерела напруги, то тут не все так однозначно. Напруга на базовому резисторі може виникнути чудовим чином в результаті наведень або ще якоїсь потойбіччя нечисті
Щоб такого ефекту не відбувалося, роблять наступне. Між базою та емітером підключають ще один резистор Rбе. Цей резистор вибирають номіналом щонайменше в 10 разів більше базового резистора Rб (У нашому випадку ми взяли резистор 4,3 кОм).
Коли база підключена до будь-якої напруги, то транзистор працює як слід, резистор Rбе йому не заважає. На цей резистор витрачається лише невелика частина базового струму.
У випадку, коли напруга до бази не прикладена, відбувається підтяжка бази до потенціалу землі, що позбавляє нас усіляких наведень.
Ось в принципі ми розібралися з роботою транзистора в ключовому режимі, причому як ви могли переконатися, що ключовий режим роботи це свого роду посилення сигналу по напрузі. Адже ми за допомогою малої напруги 5В керували напругою 12 В.
Емітерний повторювач
Емітерний повторювач є окремим випадком транзисторних схем із загальним колектором.
Відмінною рисою схеми із загальним колектором від схеми із загальним емітером (варіант із транзисторним ключем) є те, що ця схема не посилює сигнал за напругою. Що увійшло через базу, те й вийшло через емітер, з тією ж напругою.
Припустимо приклали до бази ми 10 вольт, при цьому ми знаємо що на переході база-емітер висаджується десь 0,6-0,7В. Виходить, що на виході (на емітері, на навантаженні Rн) буде напруга бази мінус 0,6В.
Вийшло 9,4В, одним словом майже увійшло стільки і вийшло. Переконалися, що за напругою ця схема сигнал не збільшить.
«У чому сенс тоді такому включенні транзистора?»- запитаєте ви. А ось виявляється ця схема має іншу дуже важливу властивість. Схема включення транзистора із загальним колектором посилює сигнал потужності. Потужність це твір струму на напругу, але так як напруга не змінюється потужність збільшується лише за рахунок струму! 
Струм у навантаженні складається з струму бази плюс струм колектора. Але якщо порівнювати струм бази і струм колектора, то струм бази дуже малий у порівнянні зі струмом колектора. Виходить струм навантаження дорівнює струму колектора. І в результаті вийшла така формула.
Тепер я думаю зрозуміло, у чому суть схеми емітерного повторювача, тільки це ще не все.
Емітерний повторювач має ще одну дуже цінну якість — високий вхідний опір. Це означає, що ця транзисторна схема майже не споживає струм вхідного сигналу і не створює навантаження для схеми джерела сигналу.
Для розуміння принципу роботи транзистора цих двох транзисторних схем буде цілком достатньо. А якщо ви ще поекспериментуєте з паяльником у руках, то прозріння просто не змусить себе чекати, адже теорія теорією а практика і особистий досвідцінніше у сотні разів!
Де купити транзистори?
Як і всі інші радіокомпоненти транзистори можна купити у будь-якому найближчому магазині радіодеталей. Якщо ви живете десь на околиці і про подібні магазини не чули (як я раніше), то залишається останній варіант - замовити транзистори в інтернет-магазині. Я сам частенько замовляю радіодеталі через інтернет-магазини, адже в звичайному офлайн магазині може чогось просто не виявитися.
Втім якщо ви збираєте пристрій чисто для себе то можна не паритися а видобути зі старої, і вдихнути в старий радіокомпонет нове життя.
Що друзі, а на цьому в мене все. Все, що планував, я сьогодні вам розповів. Якщо залишилися якісь питання, то задавайте їх у коментарях, якщо питань немає, то все одно пишіть коментарі, мені завжди важлива ваша думка. До речі, не забувайте, що кожен, хто вперше залишить коментар, отримає подарунок.
Також обов'язково підпишіться на нові статті, бо далі на вас чекає багато цікавого та корисного.
Бажаю вам удачі, успіхів та сонячного настрою!
З н/п Володимир Васильєв
P.S. Друзі, обов'язково передплачуйте оновлення! Підписавшись ви отримуватимете нові матеріали собі прямо на пошту! І до речі кожен, хто підписався, отримає корисний подарунок!
Являє собою напівпровідниковий пристрій з трьома електродами, складається з двох p-n переходів, перенесення електричних зарядівв них здійснюється двома видами носія - це електрони та дірки. Так як пристрій має 2 p-n переходуто воно отримало назву "біполярний".
Він знайшов широке застосуванняу різних радіоелектронних пристроях призначених для генерації, посилення чи перемикання (наприклад у логічних схемах).
Транзистор має 3 висновки, які називаються наступним чином:
- база;
- колектор;
- емітер.
Ці три електроди підключаються до послідовних шарів напівпровідника з різним типом домішкової провідності. Залежно від того, як відбувається це чергування, розрізняють транзистори npn і pnp типу. Скорочення n означає negative електронний тип провідності, а p означає positive дірковий.
За принципом дії біполярний транзистор відрізняється від польового тим, що перенесення заряду здійснюється носіями відразу двох типів, а саме електронами та дірками. Звідси і походить назва "біполярний" від слова "бі" - "два".
;
Електрод, який підключається до шару, розташованого в центрі називається "базою", а електроди, які підключаються до зовнішніх шарів, називають "емітером" і "колектором". За типом провідності ці емітерний та колекторний шари ні чим не відрізняються. Але в процесі виробництва транзисторів з метою покращення електричних параметріввони помітні за рівнем легування домішками.
Еммітер легується сильно, а колектор слабо що сприяє зростанню допустимої напруги колектора. Значення пробійної зворотної напруги емітерного переходу нектретично, так як у схемах транзистори зазвичай включають з прямозміщеним емітерним p-n переходом.
Так як емітер легується сильніше, то пройде сильнішу інжекцію неосновних носіїв у шар бази. Що сприяє росту коефіцієнта передачі струму при включенні транзистора в схемі із загальною базою.
Площа колекорного переходу виробляється значно більше еммітерного, у результаті досягається найкращий приплив неосновних носіїв з шару основи і поліпшується коефіцієнти передачі.
Товщину базового шару намагаються робити якнайменше з метою підвищення частотних параметрівсвого роду швидкодію біполярного транзистора. Але є інший бік крейди - при зниженні товщини шару бази зменшується максимальне (граничне) значення напруги колекторного переходу. Тому значення товщини бази вибирається найоптимальнішим.
Принцип дії та влаштування біполярного транзистора
Спочатку в транзисторах в основному використовувався металевий германій, а зараз їх виготовляють з монокристалічного кремнію і арсеніду галію, прилади зроблені на основі арсеніду галію мають високу швидкодію і застосовуються в схемах НВЧ-підсилювачів, швидкодіючих логічних схемах. Їхня швидкодія пояснюється високою рухливістю носіїв в арсеніді галію.
Біполярний транзистор має 3 напівпровідникові шари, які легуються по-різному: бази (Б), емітера (Е), колектора (К). Залежно від послідовності шарів провідності транзистори бувають з провідністю pnp і npn.
Базовий шар розташований між двома іншими шарами і слабо легований, внаслідок чого має великий опір. Площа контакту база-емітер менша ніж площа колектор-база. Це робиться з таких причин:
- збільшення площі переходу колектор-база сприяє тому, що неосновні носії з бази з більшою ймовірністю захоплюються колектором, в робочому стані колекторний перехід включається зі зворотним зміщенням;
- також велика площасприяє більшому відводу тепла у процесі роботи;
Емітерний перехід зазвичай включається у прямому напрямку (відкритий), а колекторний у зворотному (закритий).
Давайте розглянемо роботу транзистора типу n-p-n, транзистор типу p-n-pпрацює так само тільки в ньому основні носії ізряду не електрони, а дірки. У транзисторі npn типу електрони проходять через перехід емітер-база або іншими словами інжектуються. Частка цих "нових електронів" рекомбінує з дірками - основними носіями заряду бази. Але через те, що основа у нас тонка і слаболегована тобто. Мало дірок то основна маса електронів переходить (дифундує) в колектора цей перехід обумовлений тим, що електрони довго рекомбінують з дірками в основі, а також електричне поле колектора велике, тому відбувається захоплення електронів в колектор. Виходить, що струм колектора практично дорівнює струму емітера мінус невеликі втрати на рекомбінацію в базі. Iк = Iб-Iе.
База таки виконує роль вентиля, який перекриває потік електронів через транзистор. Для того щоб розпочати керування потрібно на виведення бази транзистора подати струм. Його називають струму бази. А напруга, прикладена до висновків емітера та бази, називають «напругою усунення». Змінюючи цей струм (бази), ми тим самим змінюємо основний струм (колекторний) через транзистор.
Нагрів транзисторів
Протікання через транзистор електронам чинять великий опір вузли кристалічної решітки напівпровідників. Що призводить до його нагрівання. У малопотужних біполярних транзисторах це нагрівання не значний, і жодним чином не позначається на його роботі. А ось у потужних транзисторівЧерез які протікають великі струми, це нагрівання може призвести до його поломки. Для того, щоб це запобігти, застосовують радіатори.
Радіатори потрібні для відведення тепла від транзистора. Іноді з метою покращення тепловіддачі застосовують термопасту. Деякі радіатори мають поверхні ребра. Ці ребра збільшують загальну поверхню. На деяких радіаторах встановлені вентилятори, що забезпечує безперервний потік повітря і як наслідок відведення теплоти збільшується.
Схеми підключення транзисторів
Транзистор можна підключити трьома різними схемами:
- емітерна схема;
- базова схема;
- колекторна схема.
Робота транзистора у цих схемах різна.
Емітерна схема включення
Найчастіше використовувана схема включення це емітерна схема. Включення транзистора за цією схемою забезпечує посилення за напругою та струмом. Вхідний опір даної схеми невеликий (порядку сотень Ом) і високий вихідний опір (десятки ком).
Колекторна схема включення
Даний схема має пристойний опір на вході та невеликий опір на виході. Вхідний опір даної схеми залежить від навантаження, яке у нас включено на виході і більше за цей опір на підсилювальний коефіцієнт. Її доцільно застосувати джерелом вхідного сигналу з високим вихідний опір, наприклад, конденсаторний мікрофон або п'єзоелектричний звукознімач.
Базова схема включення
Ця схема використовується для посилення тільки напруги. Підсилювальний коефіцієнт по струму, а точніше відношення вихідного струму до вхідного завжди менше одиниці. Застосовується для посилення високих частоті має мінімальні рівні шумів вихідних сигналів, наприклад, в підсилювачах антен, де опір становить близько сотень Ом.
Робота біполярного транзистора у різних режимах
Транзистор в електричних схемах підключається по-різному і має 4 основні режими роботи. Їх основна відмінність у напрямку струму, що протікає, через перехід або зовсім відсутності електричного струму. Під переходом тут розуміється область між двома p і n напівпровідниками.
Активний режим
На перехожий Б - Е; (база-емітер); підключено пряму напругу, а на перехід Е-К(Емітер-колектор) підключено зворотну напругу.Посилення сигналу в цьому режимі максимальне. Цей режим найчастіше використовується.
Насичений режим
На перехід Б - Е і перехід Б-К подано пряму напругу, переходи повністю відкриті.
Відсічний режим
Режим роботи закритого транзистора, коли до переходів подано зворотну напругу.; Застосовується в схемах, де потрібно два стани транзистора: "відкритий" або "закритий". Такі схеми називають ключовими.
Режим інверсії
На перехід Е-К (колекторний перехід) подяно пряме напрядіння, але в Б - Е зворотне. Досить рідкісний режим роботи біполярного транзистора.
Відео з роботи біполярного транзистора