Как отличить коллектор от эмиттера

Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно – Ibmax и Ibmin.

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

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

Анализ результатов

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

Режим отсечки (cut off mode).

Активный режим (active mode).

Режим насыщения (saturation mode).

Инверсный ражим (reverse mode ).

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

.

В активном режиме

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

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

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

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

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току

– соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается
β
,
hfe
или
h31e
, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

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

Входное сопротивление

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

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

Выходная проводимость

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

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

Частотная характеристика

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

Биполя́рный транзи́стор

— трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar ), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Читать также: Принцип работы пистолета для монтажной пены

Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками – электроны, красные – дырки, большие кружки – положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы приведены в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора.Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройства биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Будет интересно➡ Что такое Диод Зенера

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как устроен транзистор.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый “прокол” базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И напоследок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (р-п-р или п-р-п) с выводом от каждой области. Рассмотрим работу транзистора n-р-n-типа. Чередующиеся области образуют два р-п-перехода база–эмиттер (БЭ) и база–коллектор (БК).

К переходу БЭ прикладывают прямое напряжение EБЭ, под действием которого электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрацию примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь незначительная часть (1–5%) испущенных эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы.

Большая же часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, “собирается” коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн. Электроны, рекомбинировавшие с дырками базы, составляют ток базы IБ.

Ток коллектора, таким образом, определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Аналогично работает транзистор р-n-р-типа, отличаясь лишь тем, что его эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, поэтому полярности прикладываемых к нему прямого UЭБ и обратного Ек напряжений должны быть противоположны транзистору п-р-п-типа.

Важное по теме. Как прозвонить транзистор.

На условном обозначении транзисторов стрелка ставится на эмиттере и направлена всегда от р-области к n-области. На рис. 1.8, б приведено условное обозначение транзистора п-р-п, а на рис. 1.9, б – р-п-р. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка – что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника интегральной микросхемы.

Будет интересно➡ Как устроены многоцветные светодиоды

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как указатель полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое “открывает” (подобно выпрямительному диоду) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для входного сигнала и два – для выходного.

Так как у транзистора всего лишь три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим одновременно и к входной, и к выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов – с общей базой, общим эмиттером и с общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

• • коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх;
• • коэффициент усиления по напряжению КU = ΔUвых/ΔUвх;
• • коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.

Размеры биполярного транзистора.

Устройство [ править | править код ]

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E ), базы («Б», англ. B ) и коллектора («К», англ. C ). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n

(эмиттер —
n
-полупроводник, база —
p
-полупроводник, коллектор —
n
-полупроводник) и
p-n-p
транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты [1] .

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы [ править | править код ]

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении [2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n

[3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико [4] . Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (
Iэ=Iб + Iк
).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ

), называется
коэффициентом передачи тока эмиттера
. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Читать также: Термообработка стали 40х закалка отпуск

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти

ГОСТ 18604.22-78 — Транзисторы биполярные. Методы измерения напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер

ГОСТ 18604.22-78*
(CT СЭВ 4289-83)

Группа Э29

Дата введения 1980-01-01

Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 5 июля 1978 г. N 1816 срок введения установлен с 01.01.80

Проверен в 1984 г. Постановлением Госстандарта от 25.06.84 N 2078 срок действия продлен до 01.01.90**

________________

** Ограничение срока действия снято постановлением Госстандарта СССР от 17.09.91 N 1455 (ИУС N 12, 1991 год). — Примечание изготовителя базы данных.

ВЗАМЕН ГОСТ 13852-68

* ПЕРЕИЗДАНИЕ (декабрь 1985 г.) с Изменением N 1, утвержденным в октябре 1984 г. (ИУС 1-85).

Настоящий стандарт распространяется на биполярные транзисторы и устанавливает методы измерения напряжения насыщения коллектор-эмиттер и напряжения насыщения база-эмиттер в схеме с общим эмиттером на постоянном и импульсном токах.

Общие условия при измерении напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер транзисторов должны соответствовать требованиям ГОСТ 18604.0-83.

Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 4289-83.

(Измененная редакция, Изм. N 1)

1. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ КОЛЛЕКТОР-ЭМИТТЕР И БАЗА-ЭМИТТЕР НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

1. 1. Принцип и условия измерения

1.1.1. Измерение заключается в определении напряжения между выводами транзистора в режиме насыщения при заданных постоянных токах коллектора и базы.

1.1.2. Напряжение питания коллектора должно быть меньше граничного напряжения или равно ему.

Если значение не нормируют, то напряжение питания коллектора не должно превышать максимально допустимого значения постоянного напряжения коллектор-эмиттер.

1.1.3. Значения тока базы и тока коллектора , значение граничного напряжения указывают в нормативно-технической документации на транзисторы конкретных типов.

1.1.4. Допускается задавать токи базы и коллектора от генераторов тока. При этом выходное сопротивление генератора тока базы должно удовлетворять условию

,

а выходное сопротивление генератора тока коллектора должно удовлетворять условию

,

где и — максимальные значения напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер, которые могут быть измерены на данной установке;

и — минимальные значения токов коллектора и базы, которые могут быть установлены на данной установке.

1.2. Аппаратура

1.2.1. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер на постоянном токе следует измерять на установке, структурная схема которой приведена на черт.1.

, — измерители постоянных токов базы и коллектора; — измеритель постоянного напряжения;
и ; , — резисторы; — измеряемый транзистор; — переключатель

Черт.1

1.2.2. Основные элементы, входящие в схему, должны удовлетворять следующим требованиям.

1.2.2.1. Входное сопротивление измерителя постоянного напряжения должно удовлетворять соотношениям

;

.

1.2.2.2. Измеритель постоянного напряжения может быть компенсационного типа. В этом случае требования к входному сопротивлению не предъявляют.

1.2.2.3. Допускается использование общего источника питания для задания токов базы и коллектора. Регулировку токов в этом случае осуществляют подбором резисторов и .

1.2.2.4. Взамен резисторов и могут быть использованы внутренние сопротивления источников питания базы или коллектора.

Резисторы , и измерители и могут полностью или частично отсутствовать, если каким-либо способом обеспечивается точность установки режима.

1.2.2.5. Следует принимать меры к устранению погрешности измерения и за счет падения напряжения на соединительных проводах и контактах путем разделения контактов и соединительных проводов на токовые и потенциальные.

1.2.2.6. Значение наводок на измерителе напряжения должно быть не более 2% шкалы.

1.3. Подготовка и проведение измерения

1.3.1. При измерении напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер транзистор включают в схему измерения. По шкале следует установить значение тока базы, а по шкале — значение тока коллектора, указанные в нормативно-технической документации на транзисторы конкретных типов или рассчитанные по заданной степени насыщения.

В положении 1 переключателя измеритель измеряет напряжение насыщения .

В положении 2 переключателя измеритель измеряет напряжение насыщения .

1.3.2. Допускается одновременное измерение напряжений насыщения и двумя приборами (без переключателя ), если режим измерения этих параметров одинаков.

1.4. Показатели точности измерения

1.4.1. Основная погрешность измерительных установок, в которых используются стрелочные приборы, должна находиться в пределах ±5% конечного значения рабочей части шкалы.

1.4.2. Основная погрешность измерительных установок, в которых используются цифровые приборы, должна находиться в пределах ±5% измеряемого значения ±1 знак младшего разряда дискретного отсчета.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ КОЛЛЕКТОР-ЭМИТТЕР И БАЗА-ЭМИТТЕР НА ИМПУЛЬСНОМ ТОКЕ

2.1. Принцип и условия измерения

2.1.1. Измерение заключается в определении напряжения между выводами транзистора в режиме насыщения при заданных постоянном токе коллектора и импульсном токе базы.

2.1.2. Напряжение питания коллектора, значения тока базы и тока коллектора устанавливают в соответствии с требованиями пп. 1.1.2 и 1.1.3.

2.1.3. Измерение напряжения следует начинать с задержкой относительно начала базового импульса и закончить до окончания базового импульса (черт.2) по формулам

;

,

где — длительность импульса в цепи базы;

— максимальное значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером;

— максимальное значение коэффициента передачи тока в режиме малого сигнала;

— граничная частота коэффициента передачи тока.

— измеряемое напряжение

Черт.2

Значения статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером, коэффициента передачи тока в режиме малого сигнала и граничной частоты коэффициента передачи тока указывают в нормативно-технической документации на транзисторы конкретных типов. Для транзисторов, у которых значение не нормируется, используют значение предельной частоты коэффициента передачи тока или ,

где — частота, на которой измеряют модуль, коэффициента передачи тока на высокой частоте . Значение указывают в нормативно-технической документации на транзисторы конкретных типов.

2.1.4. Допускается подавать напряжение коллектора в виде импульса, начинающегося не позднее базового импульса и заканчивающегося раньше базового импульса.

Время подключения пикового вольтметра к выводам в этом случае не ограничивают.

2.1.5. Допускается измерение напряжений насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер при постоянном токе базы и импульсном напряжении коллектора.

2.1.6. Допускается одновременная подача базового и коллекторного импульсов, если пиковый вольтметр подключается на позднее начала базового импульса.

2.1.7. Допускается задавать токи базы и коллектор от импульсных генераторов тока. При этом выходные сопротивления генераторов тока базы и тока коллектора должны соответствовать требованиям п.1.1.4.

2.2. Аппаратура

2.2.1. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер на импульсном токе следует измерять на установке, структурная схема которой приведена на черт. 3.

, , — пиковые вольтметры; — генератор однополярных импульсов; , — резисторы;
, — калибровочные резисторы; — переключатель; — конденсатор;
— измеряемый транзистор

Черт.3

2.2.2. Основные элементы, входящие в схему, должны удовлетворять следующим требованиям.

2.2.2.1. Пиковый вольтметр должен измерять ток базы по падению напряжения на резисторе . Его входное сопротивление должно быть больше или равно 100.

2.2.2.2. Пиковый вольтметр должен измерять мгновенные значения напряжений. Требования к его входному сопротивлению должны соответствовать требованиям п.1.2.2.1.

2.2.2.3. Пиковый вольтметр должен измерять ток коллектора по падению напряжения на резисторе . Его входное сопротивление должно быть больше или равно 100.

2.2.2.4. Взамен резистора может быть использовано внутреннее сопротивление генератора , а резистора — внутреннее сопротивление источника питания коллектора.

Резисторы и могут отсутствовать, если токи базы и коллектора задают от импульсных генераторов тока.

2.2.2.5. Резисторы и должны обеспечивать измерение токов и на рабочих участках шкал приборов и . Номинальные сопротивления резисторов выбирают с допускаемым отклонением от номинального в пределах ±1%.

2.2.2.6. Резисторы , и пиковые вольтметры , могут отсутствовать, если каким-либо способом обеспечивается точность установки режима.

2.2.2.7. Частоту следования импульсов генератора следует выбирать такой, чтобы скважность импульсов была более 10.

2.2.2.8. Емкость конденсатора следует выбирать из соотношения

,

если источник питания коллектора рассчитан на ток ,

где — скважность импульсов базы.

Значение емкости конденсатора может быть уменьшено или конденсатор может быть отключен, если источник питания коллектора рассчитан на ток и при импульсном напряжении питания коллектора.

2.3. Подготовка и проведение измерения

2.3.1. Подготовка и проведение измерения — в соответствии с п. 1.3.

2.4. Показатели точности измерения

2.4.1. Основная погрешность измерительных установок, в которых используются стрелочные приборы, должна находиться в пределах ±5% конечного значения рабочей части шкалы.

2.4.2. Основная погрешность измерительных установок, в которых используются цифровые приборы, должна находиться в пределах ±5% измеряемого значения ±1 знак младшего разряда дискретного отсчета.

2.4.1, 2.4.2. (Измененная редакция, Изм. N 1).

Что такое транзистор? — Эмиттер, база и коллектор

Определение: Слово «транзистор» состоит из двух слов: « Trans fer» и «Var istor ». Это означает, что устройство, которое передает сопротивление с одного канала цепи на другой, называется транзистором. Это трехконтактное устройство с управлением по току , которое может работать либо как переключатель , либо как усилитель , обеспечивая небольшое напряжение сигнала. Это один из значимых типов активных устройств.

Значение и история транзистора

Вы, должно быть, думаете, зачем нужен транзистор???

Позвольте мне объяснить это с помощью истории. В начале 20 ^-го века, когда был изобретен вакуумный триод, это считалось значительным достижением в области электроники. Это потому, что такие устройства, как компьютеры, были полностью основаны на них.

Но проблема началась с их размера, который может захватить всю комнату. Теперь вы можете представить, что будет, если все помещение будет состоять из единой системы обработки. Очевидно, что работать с ним — трудоемкий процесс.

К счастью, в современном мире у нас есть компактные системы обработки данных. Но все это стало возможным с изобретением транзистора. В году 1947 , Джон Бардин вместе с Уильямом Шокли и Браттейном изобрели транзистор. Последствия вполне очевидны. Теперь все вычислительные устройства доступны в небольшом размере, который мы можем легко носить с собой куда угодно.

Конструкция

Давайте обсудим конструктивные особенности транзистора, как формируется это 3-контактное устройство. Диод представляет собой двухконтактное устройство, поэтому, если мы объединим два диода при условии, что один вывод является общим, в результате получится устройство, состоящее из трех выводов.

Так устроен транзистор. Мы можем использовать либо слой полупроводника P-типа, зажатый между двумя полупроводниками N-типа, либо слой N-типа, зажатый между двумя образцами полупроводника P-типа. Транзистор, образованный в первом случае, будет NPN-транзистор , а во втором случае будет PNP-транзистор.

Три терминала имеют определенные названия, которые выглядят следующим образом:

1. Излучатель
2. Основание
3. Коллектор

Мы обсудим функции этих трех выводов в работе транзистора.

Транзистор является полупроводниковым устройством, поэтому полупроводниковым материалом, используемым в его конструкции, может быть германий

или кремний , но кремний предпочтительнее германия, потому что он обладает в меньшим током отсечки.

Работа транзистора

Транзистор, как следует из его названия, передает сопротивление с одного канала на другие каналы. Таким образом, как есть три вывода транзистора, т.е. база, эмиттер и коллектор. Таким образом, есть два перехода транзисторов. Один переход эмиттер-база, второй переход коллектор-база. Я намерен объяснить работу транзистора с помощью этих первостепенных параметров.

Прежде чем я углублюсь в рабочие детали транзистора, давайте разберемся с этими тремя важными выводами транзистора и их характеристиками.

1. Эмиттер: Терминал эмиттера представляет собой сильно легированную область по сравнению с двумя базой и коллектором. Это связано с тем, что работа эмиттера заключается в подаче носителей заряда к коллектору через базу. Размер эмиттера больше базы, но меньше коллектора.
2. База: Размер базовой области чрезвычайно мал, она меньше как эмиттера, так и коллектора. Размер базы всегда поддерживается небольшим, чтобы носители заряда, идущие от эмиттера и попадающие в базу, не рекомбинировали в области базы, а направлялись в область коллектора. Интенсивность легирования базы также меньше, чем у эмиттера и коллектора по той же причине, упомянутой выше.
3. Коллектор: Вывод коллектора умеренно легирован, а размер области коллектора немного больше области эмиттера, поскольку все носители заряда, поступающие от эмиттера, рекомбинируют на базе, и при этом выделяется тепло. Таким образом, вывод коллектора должен быть достаточно большим, чтобы он мог рассеивать тепло и устройство не могло сгореть.

Несмещенный транзистор

Рассмотрим несмещенный NPN-транзистор. Беспристрастный означает, что на него не подается какой-либо внешний источник напряжения. В этом состоянии большинство носителей заряда в эмиттерной области будут двигаться в сторону базовой области.

Из-за умеренного легирования и небольшого размера базовой клеммы только 5-10% носителей заряда, попадающих в базу, будут рекомбинировать. Обратите внимание, что мы рассмотрели транзистор NPN, поэтому основными носителями заряда в эмиттере будут электроны.

Таким образом, только несколько электронов рекомбинируют на базе, а остальные начнут двигаться к коллектору. Таким образом, 90-95% эмитированных эмиттером электронов будут рекомбинировать с дырками в области коллектора. Это движение электрона и дырок в цепи приводит к генерации тока.

В основном транзисторы работают в трех областях:

1. Активная область: Эта область используется для работы усилителя.
2. Область насыщения: В этой области транзистор работает, когда нам требуется операция переключения. В этой области транзистор действует как выключатель.
3. Cut Off Region: В этом транзисторе работает как замкнутый переключатель.

Преимущества использования транзисторов

1. Компактный размер: Эти малогабаритные транзисторы позволили разработать компактные процессоры. Нам больше не нужно работать с такими большими компьютерами на электронных лампах. Все благодаря изобретателям транзисторов.
2. Легкий вес: Вся конструкция транзистора упакована в единый корпус с радиатором и тремя выводами. Весь этот корпус чрезвычайно легкий, что увеличивает преимущество транзистора и делает его портативным устройством.
3. Высокая эффективность работы: Транзисторы обладают высокой эффективностью работы независимо от того, используем ли мы их в качестве усилителя, генератора или переключателя.
4. Долгий срок службы: Он также обладает длительным сроком службы, что делает его надежным для различных применений, поскольку он сводит к минимуму эффекты старения.

Недостатки использования транзисторов

1. Низкая рабочая частота: Обладает рабочей частотой только до определенных МГц. Это делает его вне лиги, когда речь идет о высокочастотных приложениях.
2. Низкая рабочая температура: Существует пороговое значение температуры, при превышении которого транзистор может выйти из строя. Пороговый предел составляет 75ᵒC. Таким образом, мы не можем эксплуатировать его выше этого диапазона температур.

У всего есть плюсы и минусы. Вы, должно быть, слышали это. Каждое преимущество, которым обладает устройство, должно иметь определенные недостатки, хотя первые перевешивают вторые. Транзисторы тоже имеют определенные недостатки.

Транзисторные клеммы (эмиттер, коллектор и база)

Как уже упоминалось, транзистор представляет собой монокристалл, в котором есть два перехода P-N, как показано на рис. 10.1. Идея состоит в том, чтобы иметь первую секцию для подачи зарядов (либо дырок, либо электронов), которые будут собираться третьей секцией через среднюю секцию. Одна боковая секция, подающая свободные заряды, называется эмиттером, другая боковая секция, собирающая эти заряды, называется коллектором, а средняя секция, образованная между эмиттером и коллектором, называется базой. Терминалы с тремя транзисторами обсуждаются ниже

1. Эмиттер — это левая часть (или область) транзистора, и его основная функция заключается в подаче основных носителей заряда (электронов в случае транзисторов NPN и дырок в случае транзисторов P-N-P) к базе. Эмиттер всегда смещен в прямом направлении w.r.t. базу так, чтобы она могла поставлять на базу большинство носителей заряда. Эмиттер сильно легирован, так что он может инжектировать большое количество носителей заряда. Он имеет умеренный размер, чтобы поддерживать сильное легирование без его разбавления или образования в нем сетки.

2. Коллектор – это правая часть транзистора, основная функция которой заключается в сборе большинства носителей заряда. Коллектор всегда смещен в обратном направлении, чтобы отодвинуть носители заряда от его соединения с базой. Он умеренно легирован, чтобы избежать возможности образования сетки даже после удаления носителей из эмиттера. Большой размер, чтобы выдерживать температуру, создаваемую коллектором.

3. База — это средняя часть транзистора, очень слабо легированная, чтобы уменьшить рекомбинацию в базе, чтобы увеличить ток коллектора, и очень тонкая (порядка мкм) по сравнению с любым из эмиттеров. или коллектор, чтобы он мог пропускать большую часть инжектированных носителей заряда к коллектору.

База образует два перехода, то есть эмиттерный и коллекторный, каждый из которых имеет собственное барьерное напряжение. Переход эмиттер-база с прямым смещением обеспечивает низкое сопротивление току эмиттера, тогда как переход коллектор-база с обратным смещением обеспечивает высокое сопротивление току коллектора. Поскольку сопротивление перехода эмиттер-база очень мало по сравнению с сопротивлением перехода коллектор-база, поэтому прямое смещение, приложенное к переходу эмиттер-база, обычно очень мало, тогда как обратное смещение на переходе коллектор-база намного больше. .

В большинстве транзисторных выводов область коллектора физически больше, чем область эмиттера, поскольку коллектор должен рассеивать большую мощность.