2. Три схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) − рис.5,а; с общим эмиттером (ОЭ) − рис.5,б; с общим коллектором − (ОК) рис.5,в. Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных типа усилительных каскадов: с ОБ, ОЭ и ОК. В схеме с ОБ входной сигнал подается на эмиттер транзистора, выходной сигнал снимается с коллектора, а база является общей для входного и выходного сигналов. В схеме с ОЭ входной сигнал подается на базу транзистора, выходной снимается с коллектора, а эмиттер является общим для входного и выходного сигналов. В схеме с ОК входной сигнал подается на базу транзистора, выходной снимается с эмиттера, а коллектор, через источник питания соединен с общим проводом, т.е. является общим для входного и выходного сигналов.

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают необходимые значения напряжений и начальных токов.

Входные сигналы переменного тока создаются источниками U_вх. Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рис.5,а,б) и тока эмиттера (рис.6,в) соответственно на резисторах R_к и R_э создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами U_вых. Параметры схем обычно выбирают так, чтобы U_вых было бы во много раз больше вызвавшего его приращения U_вх (рис.5,а,б) или близко к нему (рис.5,в).

Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора зависит от схемы включения. Для схемы включения с ОБ статические характеристики имеют вид, показанный на рис.6, для схемы с ОЭ – на рис.7. Статические характеристики для схемы с ОК аналогичны соответствующим характеристикам для схемы с ОЭ и, как правило, в справочной литературе не приводятся.

В цепях, где транзистор включен по схеме с ОЭ или ОК, удобно пользоваться не коэффициентом передачи эмиттерного тока , а “коэффициентом передачи базового тока”  (в справочной литературе он приведен в виде параметра h_21э). Это обусловлено тем, что в схемах с ОЭ обычно задается изменение тока базы. Связь между коэффициентами  и  определяется формулой

=(1). (3)

Т ак как =0.90.995, то 1. У транзисторов, выпускаемых промышленностью, 10200. Существуют транзисторы с h_21э1000.

Для транзисторов падение напряжения на открытом эмиттерном переходе составляет доли вольта (для германиевых порядка 0.3 В, кремниевых  0.6 В, арсенид-галиевых  1.0 В). На закрытом коллекторном переходе падение напряжения существенно больше и составляет единицы – десятки вольт.

3. Зонные диаграммы биполярного транзистора

3.1. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора в состоянии термодинамического равновесия

В биполярных транзисторах существует два механизма переноса носителей заряда через базу: диффузии и электрического дрейфа. В активном режиме работы в базе любого транзистора имеется градиент концентрации неосновных носителей заряда, поэтому все транзисторы являются диффузионными.

Встроенное в базу электрическое поле есть только у транзисторов с неравномерной концентрацией примесей в базе. Такие транзисторы называется дрейфовыми. Они, как правило, имеют большее быстродействие и лучшие частотные свойства за счет более быстрого пролета неосновных носителей через базу.

Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора

n—p—n — типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Она представляет собой два невырожденных несимметричных p—n — гомоперехода (все области имеют одинаковую ширину запрещенной зоны W, одинаковую энергию сродства к электрону Р_с и одинаковую диэлектрическую проницаемость ε). Области эмиттера, базы и коллектора различаются типом и концентрацией примесей. Типичные значения концентрации примесей составляют: в эмиттере донорных N_d~2·10¹⁷ [1/см³], в базе акцепторных N_a~10¹⁵[1/см³] и коллекторе N_d~10 ¹⁷ [1/см³]. Толщина р—n — перехода определяется по формуле , где φ – контактная разность потенциалов. С учетом существенной разницы концентрации примесей полагают, что практически вся обедненная носителями заряда область эмиттерного и коллекторного переходов располагается в низколегированной базе.

В состоянии термодинамического равновесия в эмиттерном и коллекторном переходах выполняется принцип детального равновесия: электронный и дырочный токи равны нулю и общий ток через каждый переход равен нулю.

4.1.3. Схемы включения транзисторов | Электротехника

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора (рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (U_эб) и коллекторе (U_кб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔU_кв > ΔU

зв), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_k ≈ ΔI_з) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (U_бэ) и коллекторе (U_кэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

I_б = I_э – I_к << I_к (I_k ≈ I_э),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б) и напряжения (ΔU_кэ > ΔU

эб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (U_бэ) и эмиттере (U_кэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_б << I_э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входной называется характеристика

I₁ = f(U₁)         при     U₂ = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходной называется характеристика

I₂ = f(U₂)         при     I₁ = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I₂ = f(I₁)           или     I₂ = f(U₁)         при     U₂ = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U₁ = f(U₂)        при I₁ = const

называются характеристиками обратной передачи.

В справочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и OБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ (рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

I_Э = f(U_эб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (U_кб).

При U_кб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения U_кб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U

ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_кб < 0 и U_эб = 0 существует небольшой ток эмиттера I_эо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

I_к = f(U_кб)

при заданных значениях параметра I_э (рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при I_э = 0 и обратном напряжении (U_кб< 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом I_к = I_кбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – ба
за».

При I_э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже при U_кб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток I_э, тем большее прямое напряжение U_кб требуется для получения I_к = 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где U_кб < 0 (обратное) и параметр I_э > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение U_эб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

I_к = αI_э + I_кбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_э.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_кб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_к = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_кб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ (рис. 4.5, а) представляет собой зависимости I_б = f(U_бэ), напряжение U_кэ является параметром. Напряжение U_бэ >0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этом U_кэ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

U_кб = U_эб > 0.

Поэтому входная характеристика при U_кэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_эб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_кб = U_эб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристики p-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_кэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (U_кэ < 0) и по модулю превышать напряжение U_бэ В этом случае

U_кб = U_кэ – U_бэ < 0.

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

I_б = (1 – α) I_э – I_кбо.

Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток I_кбо

При малом напряжении U_бэ инжекция носителей практически отсутствует (I_э = 0) и ток базы равен:  I_б = -I_кбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост I_э и величины (1 – α) I_э. Когда

(1 – α) I_э = I_кбо,

ток базы равен нулю:

I_б = 0.

При дальнейшем росте напряжения U_бэ величина

(1 – α) I_э> I_кбо

и ток базы (I_б) меняет направление, становится положительным (I_б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_кэ на I_б в НAP можно объяснить тем, что рост U_кэ означает рост |U_кб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляе

Транзистор PNP в качестве переключателя

Используя PNP-транзистор в качестве переключателя, небольшой компонент может переключать большую нагрузку за несколько секунд. миллиампер

Логические вентили и микроконтроллеры сами по себе могут управлять только небольшими нагрузками. Но иногда необходимо переключить нагрузку, для которой требуется больший ток, чем контролирующий компонент может поставить. В этом случае транзистор может использоваться в качестве переключателя для достижения требуемого усиления по току и напряжению. может быть достигнут.

При использовании PNP-транзистора микроконтроллер должен потреблять только базовый ток. В зависимости от состояния переключения путь эмиттер-коллектор PNP-транзистора становится высоким импедансом или проводящим и, таким образом, может действовать как переключатель для нагрузки.

Как транзистор заменяет переключатель и какие возможности он дает?

Если транзистор работает как переключатель, он находится в режиме ВКЛ-ВЫКЛ и может разорвать или замкнуть электрическую цепь. Как механический переключатель. Вместо что он управляется человеком, как механический переключатель, он управляется электрическим сигналом.

Путь переключения можно очень точно контролировать по времени и с высокой частотой. Вместо видимого глазом изменения сигнала могут генерироваться очень короткие импульсы. Также сигналы ШИМ и любой другой цифровой сигнал может генерироваться на нагрузке.

Рисунок 1: Механический переключатель и транзистор pnp в качестве переключателя В режиме переключения транзистор работает в конфигурации с фиксированным смещением. Поэтому нагрузка всегда подключена к коллектору. транзистора. А так как ток вытекает из коллектора PNP-транзистора, транзистор включается направление тока перед нагрузкой, а не за нагрузкой.

Таким образом, PNP-транзистор обеспечивает ток источника, а не стока, как у NPN-транзистора.

На рис. 2 показана правильная и неправильная установка транзистора PNP и для сравнения правильное подключение транзистора NPN в качестве переключателя.

Рисунок 2: Допустимые и нерабочие схемы транзисторов в качестве переключателя

Базовая схема PNP-транзистора в качестве переключателя

В конфигурации с фиксированным смещением PNP-транзистора в качестве переключателя, в дополнение к транзистор и нагрузка базовый резистор R _B нужен. Он определяет базовый ток.

Рисунок 3: Принципиальная схема транзистора pnp в качестве переключателя

База должна иметь более низкий потенциал напряжения, чем эмиттер. Схема работает в соответствии со следующей простой таблицей состояний, в зависимости от входа V: _SW :

V SW = V cc = High:	Транзистор high-Z
В SW = GND = Low:	Транзистор в проводящем состоянии

Таблица 1: Таблица состояний PNP-транзистор в качестве переключателя

Базовая схема с параметрами

9 0046 R _L :

Нагрузочный резистор
R B :	Базовый резистор
В EC :	Напряжение эмиттер-коллектор
В EB :	Базовое напряжение диода
В RB :	Напряжение базового резистора
В ПО :	Напряжение управления
В см3 :	Напряжение питания
Земля:	Земля
I L :	Ток нагрузки
I B :	Базовый ток

9 0002 Таблица 2: параметр Schaltungs

Рисунок 4: Базовая схема с обозначением всех соответствующих параметров

Расчеты

Расчет значений компонентов и напряжений не представляет большой сложности. Но вам нужно из техпаспорта транзистора следующие параметры:

В CEsat	Напряжение насыщения
I C макс.	Максимальный ток коллектора 9005 1
h FE	Коэффициент усиления по току

Таблица 3: Benötigte Параметр aus дем Датенблатт

Расчет напряжения В

_RL

Сначала вычисляется напряжение V _RL , которое падает на R _L , когда транзистор находится в проводящем состоянии. Для этого нужно вычесть напряжение насыщения V _ECSat , падающее на транзистор, от напряжения питания V _cc .

Рисунок 5: Формула для расчета напряжения V _L на нагрузке

Ток нагрузки I

_л

Затем вычисляется коллекторный ток, протекающий через R _L при включении транзистора. Для этого разделите V _RL на сопротивление нагрузки R _L для получения I _L .

Выдержит ли транзистор ток?

Теперь проверьте, выдержит ли транзистор ток нагрузки. I _L должен быть меньше чем я _C max и I _E max из техпаспорта. Если транзистор не выдерживает ток, следует заменить другой транзистор. должен быть выбран.

Рисунок 6: Формула для расчета тока нагрузки I _L

Базовый резистор R

_B

Для определения базового сопротивления R _B сначала рассчитайте необходимое базовый ток I _B . Поскольку транзистор в режиме постоянного тока является усилитель тока с фиксированным коэффициентом усиления h _ФЭ требуется базовый ток, который больше, чем I _L , деленное на h _FE . Чтобы заставить транзистор перейти в сильное насыщение и достичь быстрое время переключения, базовый ток должен быть в 4-10 раз выше, чем I _FE .

Рисунок 7: Формула для расчета тока базы I _B

Напряжение на базовом резисторе проводящего PNP-транзистора V _EB меньше напряжения питания В _{куб. см} . С этим значением и базового тока можно рассчитать требуемый базовый резистор.

Рисунок 8: Формула для расчета базового резистора R _B

Цепь PNP в выключенном состоянии

Im sperrenden Zustand wird V _in auf V _cc geschaltet. Так канн kein Strom aus der Basis hinausfliessen, der Transistor sperrt und der Laststrom I _л коммт цум эрлиген В состоянии блокировки V _в подтягивается к V _cc . Таким образом, нет тока может вытекать из базы, блоков транзисторов и тока нагрузки I _L получает ноль.

Потери во включенном состоянии и в выключенном состоянии

На практике минимальные токи утечки всегда втекают и выходят из транзистора в заблокированном состоянии. Насколько они велики, можно посмотреть в техпаспорте. паспорт транзистора. А поскольку транзистор остается низкоомным в проводящем состоянии небольшое напряжение насыщения В _ECsat всегда остается между эмиттером и коллектором. Несмотря на эти потери, биполярный транзистор является хорошим переключателем, который можно использовать для большинства приложений полупроводниковой коммутации.

Транзистор в качестве переключателя. Принципиальная схема, работа и применение

В основном транзистор представляет собой тип полупроводникового устройства. Эти устройства состоят из трех рядов клемм. Взаимодействие между двумя терминалами будет происходить таким образом, что в нем образуются два перехода. Эти переходы и клеммы в целом отвечают за генерацию тока, либо разработаны устройства, управляемые током, либо соответствующие устройства, управляемые напряжением. В этой статье ниже обсуждается транзистор как коммутатор, а также его работа и приложения.

Основное приложение, которое часто используется, это устройство, работающее как коммутатор. Основная концепция его функционирования зависит от режимов его работы. Устройство, которое предпочитает низкое значение напряжения постоянного тока, может быть включено или выключено с помощью транзисторов.

В основном, по мере того, как поколения электронных схем претерпевают революцию и улучшаются для лучшей и комфортной жизни, транзисторы играют заметную роль, заменяя себя электронными лампами.

Это приводит к повышению эффективности и уменьшению размера. Основные функциональные возможности транзистора можно наблюдать либо за счет его использования для усиления, либо для основного применения в цифровых схемах переключения.

Основная причина использования этого транзистора в качестве переключателя заключается в том, что ток на базе напрямую контролирует ток на коллекторе. Если ток на базе превышает минимальное пороговое значение напряжения, то поведение транзистора похоже на замкнутый переключатель, в противном случае он останется в состоянии открытого ключа.

Транзистор в качестве переключателя

При подаче смещения на базу транзистора оба типа биполярных переходных транзисторов могут использоваться в качестве переключателей. Области, в которых работа переключателя предпочтительна, — это либо он должен полностью находиться в области, называемой насыщением, либо в рабочей области отсечки. Основная идея использования этих регионов заключается в том, что режим переключения должен быть полностью включен или выключен.

Как работают транзисторы?

Работа транзистора основана на рабочих областях. В области отсечки базовый ток будет равен нулю. Поскольку вход равен нулю, ток коллектора также будет равен нулю за счет поддержания максимального напряжения на коллекторе.

Это для транзистора N-P-N, тогда как для транзистора P-N-P значение напряжения на эмиттере должно быть отрицательным. Поскольку в этом состоянии нет потока носителей, ширина области, называемой истощением, увеличивается, что свидетельствует о том, что в этом состоянии не наблюдается никакого потока. Этот тип области называется областью отсечки.

Следующим условием, при котором работает переключатель, является насыщение. Здесь токи на базе и коллекторе максимальны, а напряжение на коллекторе поддерживается минимальным. Это рабочее состояние заставляет транзистор работать в полностью открытом режиме. Это для транзистора N-P-N, тогда как для P-N-P значение напряжения эмиттера должно оставаться положительным по отношению к напряжению базы.

Эта работа транзистора известна как однополюсный одноходовой (SPST). Это указывает на то, что при подаче нуля сигнала на базу транзистор будет включен, в противном случае он будет выключен.

Транзистор N-P-N в качестве переключателя

После подачи напряжения на область основания, на его основе, выполняется операция переключения. Как и в случае с диодом, существует напряжение включения. Между областью эмиттера и базы приложенное напряжение должно достигать напряжения включения. Если он пересекает его, говорят, что транзистор включен, в противном случае — выключен.

Когда транзистор находится в состоянии ON, генерируемый ток имеет тенденцию течь от источника к нагрузке. Нагрузкой может быть либо светодиод, либо резистор, нагрузка зависит от требований.

Транзистор P-N-P в качестве переключателя

Условия работы транзисторов P-N-P и N-P-N различаются в зависимости от приложения положительного или отрицательного напряжения. Но критерии операции остаются прежними. Если он находится во включенном состоянии, наблюдается протекание тока, в противном случае он выключен.

Здесь нагрузка подключается к соответствующему заземлению транзистора, а затем транзистор P-N-P переключает питание. В этом случае клеммная база соединена с землей

Выше приведено основное применение транзистора в качестве переключателя для транзисторов с биполярным переходом P-N-P и N-P-N.

Применение

Применение транзистора в качестве переключателя:

1. Наиболее часто используемое практическое применение, которое используется для транзистора в качестве переключателя, — это работа светодиода.
2. Работой реле можно управлять, внося необходимые изменения в схему, чтобы любое внешнее устройство подключалось по отношению к реле и управлялось.
3. Двигатели постоянного тока можно контролировать и контролировать с помощью этой концепции транзисторов. Это приложение используется для включения и выключения двигателя. Изменяя значения частот транзистора, можно изменять скорость двигателя.
4. Одним из примеров таких выключателей является лампочка. Это облегчает включение света при ярком освещении и отключение при наступлении темноты. Это делается с помощью светозависимого резистора (LDR).
5. С помощью этого метода переключения можно контролировать компонент, называемый термистором, который измеряет температуру окружающей среды. Термистор называется резистором. Это сопротивление имеет тенденцию увеличиваться, когда измеряемая температура низкая, и наблюдается уменьшение сопротивления, когда измеряемая температура высокая.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о MCQ для транзисторов и MCQ для смещения транзисторов.

В практическом мире существует множество применений реле, двигателей и т. д. В каждом практическом занятии важную роль играет переключение устройств. Это может быть либо переменная подача, либо постоянная подача. В настоящее время в вопросе обеспечения комфортного и безопасного проживания при проектировании систем автоматизации или систем обнаружения пожара этот способ коммутации устройств играет главенствующую роль.