Транзистор это простыми словами, принцип действия транзистора, устройство транзистора

Одним из важных достижений нашей эпохи считаются полупроводники. Без них невозможно создать компьютеры, телефоны, другую современную технику. Подробнее о том, что такое транзистор в схеме, и как устроен полупроводниковый прибор, будет рассказано в этой статье.

Содержание

1. Особенности устройства
2. Виды
3.  Полевой
4. Биполярный
5. Комбинированный
6. Принцип действия транзистора и схемы подключения
7. Полевой
8. Биполярный
9. Комбинированный

Особенности устройства

Полупроводниковые приборы – это группа элементов, которые имеют удельные сопротивления больше, нежели у проводников, но меньше, чем у диэлектриков. Их характерной особенностью является уменьшение этого параметра с увеличением температуры.

Полупроводник – это материал, из которого делают прибор. К нему присоединяются контакты из металла, похожие на ножки, которые присутствуют в корпусе устройства любого типа. Важно понять, из чего делают и как работает транзистор.

Простыми словами, транзистор – это уникальнейший радиоэлемент, с помощью которого можно усиливать, генерировать и преобразовывать электрические сигналы.

Транзистор на схеме выглядит как последовательное соединение элементов Н, П, Н типов. А чтобы полупроводниковое устройство пропускало через себя ток, на его базу постоянно должен подаваться сигнал.

Встречаются разные типы транзисторов – в зависимости от того, какое назначение они имеют:

• Для усиления силы тока. Если между коллектором и эмиттером течет сильный ток, так называемый ток коллектора, то он будет меняться в зависимости от маленького тока базы.

• В качестве электронного переключателя. Радиоприбор может включать и выключать ток. Если на входе он имеет маленькую величину, то на выходе эта величина увеличивается. В том случае, когда по проводникам течет ток большой величины, его можно плавно регулировать с помощью угла поворота рукоятки.

Подав управляющий сигнал на базу, можно включить полупроводниковый элемент, и через него потечет ток. Также его можно выключить. Работа транзистора в качестве электронного переключателя называется “ключевой режим”.

Транзистор имеет 3 вывода. Они называются по-разному, если виды транзисторов различаются. У биполярных электрических приборов существуют следующие слои:

• эмиттер – область, в которую входят отрицательно заряженные частицы;
• коллектор – выход электронов;
• база, которая расположена по центру и управляет током в проводнике.

Полевые радиоэлектронные приборы имеют другие названия “ножек”:

• затвор – это управляющий контакт;
• сток;
• исток.

Виды

Применение транзисторов позволяет классифицировать их в зависимости от принципа действия. А именно:

• полевые;
• биполярные;
• комбинированные.

 Полевой

Полевым прибор именуется потому, что внутренний конденсатор создает электрическое поле. Оно позволяет электронам свободно перетекать через пластину, которая в обычном состоянии не является проводником тока. Главным является то, до какого напряжения зарядится конденсатор.

Чем сильнее  поле, тем легче электронам будет пройти по нему. Если же оно чрезвычайно слабое, то электроны не смогут пролетать через полупроводник.

В этом заключается минус полевого прибора. Необходимое напряжение для его открытия практически в 10 раз больше, чем у биполярного транзистора.

Плюс устройства состоит в том, что на пути электронов нет никакого перехода, поэтому отсутствует падение напряжения.

Таким образом, можно добиться очень маленького сопротивления внутри транзистора. Это позволяет оперировать с более высокими показаниями мощностей при тех же габаритах устройства.

Биполярный

Биполярные электроэлементы имеют простое устройство транзистора, представляющее собой 3 контакта:

1. Коллектор. На него поступает высокий вольтаж, предназначенный для управления.
2. База. Сюда подается ток, чтобы открыть кран.
3. Эмиттер. Сквозь него протекает ток, выходящий из первых двух элементов.

Главной чертой биполярного радиоэлектронного преобразователя служит показатель усиления hfe.

Он говорит, во сколько раз пропускаемый через транзистор ток может быть больше, чем маленький ток, идущий через базу. Полупроводниковый элемент имеет максимально разрешенные напряжение и токи на контактах.

Превышение этих величин грозит чрезмерным нагревом и разрушением диэлетрического устройства. В схеме приборы с разной комбинацией слоев отличаются направлением стрелки.

Комбинированный

Комбинированный транзистор IGBT характеризуется комбинацией полевого и биполярного транзисторов. У него имеется эмиттер и коллектор. Управление происходит посредством сигнала, подаваемого на затвор. Он представляет собой биполярный полупроводниковый элемент с изолированным затвором.

Прибор вобрал в себя лучшие свойства биполярных и полевых устройств.

В области высоких напряжений у комбинированного транзистора будет достаточно низкое сопротивление в открытом состоянии.

Принцип действия транзистора и схемы подключения

Одной из повседневных задач полупроводникового элемента является включение и выключение определенного компонента схемы. К примеру, моторов высокой мощности или слишком ярких лампочек, потребляющих десятки ампер и выше.

Схема транзистора представляет собой включение узлов с большими нагрузками напрямую через слабомощную кнопку управления.

Вследствие этого она быстро выходит из строя от перегрузки. Но если использовать полупроводниковые компоненты, можно легко управлять любой нагрузкой.

Полевой

Управление полевым полупроводниковым устройством осуществляется напряжением на затворе, то есть – электрическим полем. Принцип работы транзистора состоит в том, что для удержания или открытия полевого транзистора достаточно подать импульс короткой длительности на затвор – исток прибора.

Чтобы транзистор открыть, нужен, как было сказано выше, только потенциал. Естественно, в момент открытия радиоэлектронного прибора будет затрачиваться ток, но он настолько мал, что и мощность, расходуемая на управление им, будет незначительной.

Биполярный

Основное отличие биполярных транзисторов в том, что для открытия и удержания их в открытом состоянии необходимо, чтобы через базу и эмиттер постоянно протекал ток.

Поэтому данный полупроводниковый прибор называется токовым. На управление биполярным элементом затрачивается большое количество мощности.

Исключительное свойство биполярных полупроводниковых элементов заключается в том, что при высоких напряжениях сопротивление преобразователя в открытом состоянии будет гораздо меньше, чем у полевого.

Комбинированный

Существуют еще комбинированные HGPT транзисторы. Это скомпонованный в общем корпусе маломощный полевой и мощный биполярный полупроводник.

Данный элемент задействован в основном в промышленных зданиях для производства с достаточно большими нагрузками. Там полупроводниковые элементы подключают для управления мощными компонентами.

в чём заключается функция, как работает, классификация и определение для чайников

Подробности Категория: Начинающим Опубликовано 29.11.2013 14:41 Автор: Admin

Транзисторы – это радиоэлектронные компоненты из полупроводникового материала, которые предназначены для преобразований, усилений и генерации электрических колебаний.

Но всё же, как работает транзистор? Говоря простым языком с помощью транзистора можно управлять током. Транзисторами называются любые устройства, которое способно имитировать главные его свойства, а именно – изменять сигнал между двумя разными типами состояний при изменениях сигнала на управляющем электроде.

Транзисторы бывают двух типов:

• полевые;
• биполярные.

Материалами изготовления служат германий и кремний, но при добавлении примесей способность проводить ток возрастает. Нужно рассмотреть оба типа транзисторов, для того чтобы понять как работает транзистор? На рисунке представлены три области p-n-p или n-p-n из которых состоит любой биполярный транзистор.

Как работает транзистор в цепи электрического тока?

Основной принцип работы транзистора заключается в управлении электрическим током с помощью незначительного тока являющегося своего рода управляющим током. В полевых транзисторах носители зарядов движутся к коллектору от эмиттера через базу. Существует канал, в легированном проводнике находясь в промежутке между нелегированной подложкой и затвором. В подложке отсутствует заряд, и она не проводит ток. Перед затвором есть область обеднения с отсутствием носителей заряда.

Таким образом, вся ширина канала ограничивается пространством между областью обеднения и пространством между подложкой. Напряжение, прикладываемое к затвору, уменьшает или увеличивает область обеднения, и тем самым ширину самого канала, контролируя при этом ток.

Многие начинающие радиолюбители не так представляют себе принцип работы транзистора. Они думают, что транзистор способен усилить мощность источника питания, но это далеко не так. Важно понимать, что транзистор управляет большим током коллектора с помощью маленького тока протекающего через базу. Здесь речь идет скорее всего об управлении чем об усилении.

Что такое транзистор

У многих возникает вопрос «в каком году был изобретен транзистор». Формально инновацию можно приписать Уильяму Шокли, который положил теоретическую базу первого 2-электродного триода, управлять которым должно внешнее электромагнитное поле. Однозначно сказать, кто изобрел первый транзистор нельзя, так как над ним трудилась целая команда людей: Шокли, Бардин, Браттейн. Благодаря их трудам, компания Bell Labs заявила патент в 1948 году.

Что такое транзистор сейчас? Так называют полупроводниковый элемент радиоэлектроники, состоящий из 3 электродов. Он предназначен для управления и изменения электрического тока в цепи.

Устройство

Простыми словами триоды можно описать так: это — конструкция из нескольких полупроводниковых слоев, впрессованных в керамо-металлический, металл-стеклянный или пластиковый корпус.

Рассматривая схематично, триод состоит из 2 полупроводника, разделенного диэлектрическим промежутком. В зависимости от полярности напряжения, бывают NPN и PNP транзисторы.

Вот так из можно изобразить на рисунке.

Характеристики

Чтобы правильно подобрать транзистор, нужно знать основные параметры. Для бипол.триодов – это:

1. Усиление по амперам с общей базы.
2. Аналогичное усиление с эмиттером.
3. Обратный коллекторный ток Iko.
4. Hfe транзистора. Показывает, насколько больший ток может протечь по каналу «collector-emitter» в сравнении с каналом «bese-emitter». Кстати, Hfe транзистора относится только к биполярным триодам.

Кстати, относительно бипол.триодов стоит знать, что бывают PNP и NPN транзисторы:

1. Транзистор NPN пускает ток от контакта «collector «к контакту «emitter».
2. Транзистор PNP работает наоборот.

Основные параметра транзистора полевого типа заключаются в:

1. Вольтаж отсечки – напряжение, которое нужно пустить на базу, чтобы закрыть p-n проход.
2. Максимальный ампераж стока.
3. Напряжение между выводами триода.

Способ работы

Объяснить, как работает полевой транзистор для чайников – непросто. Придется вообразить себе всю схему. Он состоит из 3 частей:

1. Коллектор — приемник. На открытый коллектор поступает большой ток, который и нужно изменить. От него он идет в эмиттер.
2. База – ключ. На этот вывод транзистора подаются малые токи. Они и открывают «большой».
3. Эмиттер — это выходной канал. На него поступает ток с коллектора.

Как понятно из описания, ток течет между коллектором и эмиттером. Но если база находится в состоянии покоя, транзистор работать не будет.

Может показаться, что работа транзистора похожа на сочетания резистора и выключателя. На самом деле, все хитрее. Если подавать на контакт базы аналоговые токи, то их амплитуда будет сохраняться и на эмиттере, даже если на коллекторе он подавался с другими характеристиками.

Получается, что триод функционирует в ключевом режиме или выполняет функцию изменения (усиления) выходного сигнала.

Чтобы понять принцип действия транзистора, можно посмотреть эту картинку:

Маркировка на схемах

Стандартизированным маркировкой транзистора является литера «Q». Также допускается «VT». Если в схеме больше 1 штуки, часто добавляют позиционное обозначение (например, VT1, VT2…, VTN).

Схема подключения рисуется линиями, с кольцом или без. Направление движения электричества показывается стрелочкой.

Интересное видео о принципе действия транзистора

• < Назад
• Вперёд >

Комментарии

игорь 06.11.2015 17:52 спасибо очень полезное видео и доходчиво.остал ось понять зависимость работы транзистора от напряжения и тока,по каким формулам это можно расщитать.

Цитировать

Дмитрий 11.02.2016 12:45 видео заблокированно

Цитировать

admin 11.02.2016 13:15 Спасибо,подправ им…

Цитировать

Прохожий 04.12.2016 08:57 «В полевых транзисторах носители зарядов движутся к коллектору от эмиттера через базу.» Что за охинея? Только запутываете новичков…

Цитировать

Сержант 13.02.2017 12:56 «Существует канал, в легированном проводнике находясь в промежутке между нелегированной подложкой и затвором. » Серьёзно? Думаете я понимаю что такое легированный/не легированный если читаю о том что такое транзистор?

Цитировать

Серега 25. 09.2017 21:02 может на пальцах кто объяснит, хочу вообщем сделать так: при срабатывание вибро на мобильнике чтоб включалось реле на 12в которое замыкает цепь в 220в. так вот, подключил я значит к коллектору +12в к эмиттеру управление реле, общий минус с телефоном и реле, касаюсь базой любого контакта «вибратора»))) и вуаля, транзистор срабатывает, а вибро не работает в этот момент. поскажите пожалуйста как правильно это все собрать, заранее спасибо. P.s.: уже начинаю психовать

Цитировать

тезка 08.12.2017 11:07 Ты на базу ток подай через резистор килоом так на 1 — 2. Еще и диод вставь для развязки. А то транзистор перегружает питание моторчика. Сопротивление надо подбирать методом научного тыка.

Цитировать

Kirill Zotov 30.05.2018 11:17 А разве так можно? В 2018м живемс…

Цитировать

Обновить список комментариев

Виды триодов

Полупроводниковые транзисторы делятся на 3 категории:

1. Полевой;
2. Биполярный;
3. Комбинированный.

По факту они выполняют схожую функцию, но вот их тип действия отличается. Поэтому многие из них невзаимозаменяемые.

Виды транзисторов стоит рассмотреть предметно и знать хотя бы поверхностно.

Полевые

Также прижилось название «однополярные» (униполярные), так как могут пропускать ток лишь в одном направлении. Стоит помнить, что есть разные виды полевых транзисторов. Всего их 3:

1. С управляем п-н переходом.
2. С закрытым затвором.
3. Имеющие структуру: металл – диэл – проводник.

Эти виды транзисторов состоят из: стока, истока и затвора.

Отличаются высокой чувствительностью к статическому напряжению, поэтому при работе с ними необходимо:

1. Заземление инструмента. Пинцет должен быть антистатическим, а паяльник заземленным. Если это обычный ЭПСН, то к болтику нужно привязать провод и направить в землю.
2. Нужна защита от пыли, которая хорошо накапливает статическое напряжение.

Потребляют минимум электроэнергии, поэтому их устанавливают в пульты ДУ и схожую технику.

Биполярные

Структура биполярного транзистора такова, что он может по одному каналу пропускать заряд с разным знаком (+ и -). Из особенность в том, что на выходе у них очень низкое сопротивление, поэтому они используются в качестве коммутационных устройств.

Комбинированные

Поняв принцип работы полевого транзистора или биполярного, с комбинированными трудностей не возникнет. По сути, это 2 и более триода, внедренные в один корпус. Составные транзисторы можно разделить так:

1. Биполярный триод с резистором.
2. Соединенные 2 транзистора в одном корпусе. Причем они могут быть одинаковыми, так и отличными.
3. Лямбда. Так называют 2 триода, комбинированные в одном корпусе. Они образуют место с минусовым сопротивлением.
4. Схема полевого транзистора с закрытым затвором, управляющий бипол.триодом.

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносимый, и resistor — сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением — полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, — потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциалом на базе или током базы.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Как работает биполярный триод

Рассматривать устройство биполярного транзистора лучше всего на примерах с небольшой теоретической базой.

Работа бипол.транзистора построена на комбинации разных полупроводников (ПП). Кремнвые, германиевые и другие ПП имеют одно свойство: добавляя к ним другие элементы, они меняют свои качества. Некоторые добавки увеличивают количество свободных электронов (они называются донорами), другие образуют «дыры» (акцепторы).

Это называется электронно-дырочной рекомбинацией. Свободные электроны на коллекторе стремятся рекомбинировать дыры в эмиттере. Осуществляется p-n канальный переход, между полупроводниками. А подаваемый небольшой ток с базы задает амплитуду.

Схемы включения

Схема биполярного транзистора выглядит так:

Из картинки видно, что включение делится на:

1. Схему включения транзистора с общей базой. Для нее характерно низкое сопротивление на входе, минимальное тепловыделение и большой вольтаж.
2. Схему включения транзистора с общим коллектором. Высокий вольтаж на входе и низкое на выходе, а также низкий К. вольтажа по усилению.
3. Схему включения транзистора с общим эмиттером. Большое усиление вольт и ампер, и малое по мощности. Также характерна инверсия входного электричества.

Принцип действия для чайников

Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

Originally posted 2018-04-18 12:29:48.

Поймем вместе принципы работы транзистора :: SYL.ru

Транзисторы являются активными компонентами и используются повсеместно в электронных цепях в качестве усилителей и коммутационных устройств (транзисторных ключей). Как усилительные приборы они применяются в приборах высокой и низкой частоты, генераторах сигналов, модуляторах, детекторах и многих других цепях. В цифровых схемах, в импульсных блоках питания и управляемых электроприводах они служат в качестве ключей.

Биполярные транзисторы

Так называется наиболее распространенный тип транзистора. Они делятся на npn и pnp типы. Материалом для них наиболее часто является кремний или германий. Поначалу транзисторы делались из германия, но они были очень чувствительны к температуре. Кремниевые приборы гораздо более стойки к ее колебаниям и дешевле в производстве.

Различные биполярные транзисторы показаны на фото ниже.

Маломощные приборы расположены в небольших пластиковых прямоугольных или металлический цилиндрических корпусах. Они имеют три вывода: для базы (Б), эмиттер (Э) и коллектор (К). Каждый из них подключен к одному из трех слоев кремния с проводимостью либо n- (ток образуют свободные электроны), либо p-типа (ток образуют так называемые положительно заряженные «дырки»), из которых и состоит структура транзистора.

Принципы работы транзистора нужно изучать, начиная с его устройства. Рассмотрим структуру npn-транзистора, которая изображена на рис.ниже.

Как видим, он содержит три слоя: два с проводимостью n-типа и один – p-типа. Тип проводимости слоев определяется степенью легирования специальными примесями различных частей кремниевого кристалла. Эмиттер n-типа очень сильно легирован, чтобы получить множество свободных электронов как основных носителей тока. Очень тонкая база p-типа слегка легирована примесями и имеет высокое сопротивление, а коллектор n- типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое сопротивление.

Принципы работы транзистора

Лучшим способом познакомиться с ними является экспериментальный путь. Ниже приведена схема простой цепи.

Она использует силовой транзистор для управления свечением лампочки. Вам также понадобится батарейка, небольшаю лампочка от фонарика примерно 4,5 В/0,3 А, потенциометр в виде переменного резистора (5К) и резистор 470 Ом. Эти компоненты должны быть соединены, как показано на рисунке справа от схемы.

Поверните движок потенциометра в крайнее нижнее положение. Это понизит напряжение на базе (между базой и землёй) до нуля вольт (U_BE = 0). Лампа не светится, что означает отсутствие тока через транзистор.

Если теперь поворачивать рукоятку от ее нижней позиции, то U_BE постепенно увеличивается. Когда оно достигает 0,6 В, ток начинает втекать в базу транзистора, и лампа начинает светиться. Когда рукоятка сдвигается дальше, напряжение U_BE остается на уровне 0,6 В, но ток базы увеличивается и это увеличивает ток через цепь коллектор-эмиттер. Если рукоятка сдвинута в верхнее положение, напряжение на базе будет немного увеличено до 0,75 В, но ток значительно возрастет и лампа будет светиться ярко.

А если измерить токи транзистора?

Если мы включим амперметр между коллектором (C) и лампой (для измерения I_C), другой амперметр между базой (B) и потенциометром (для измерения I_B), а также вольтметр между общим проводом и базой и повторим весь эксперимент, мы сможем получить некоторые интересные данные. Когда рукоятка потенциометра находится в его низшей позиции, U_BE равно 0 В, также как и токи I_C и I_B. Когда рукоятку сдвигают, эти значения растут до тех пор, пока лампочка не начинает светиться, когда они равны: U_BE = 0. 6 В, I_B = 0,8 мА и I_C = 36 мА.

В итоге мы получаем от этого эксперимента следующие принципы работы транзистора: при отсутствии положительного (для npn-типа) напряжения смещения на базе токи через его выводы равны нулю, а при наличии напряжения и тока базы их изменения влияют на ток в цепи коллектор — эмиттер.

Что происходит при включении питания транзистора

Во время нормальной работы, напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер, распределяется так, что потенциал базы (p-типа) приблизительно на 0,6 В выше, чем у эмиттера (n-типа). При этом к данному переходу приложено прямое напряжение, он смещен в прямом направлении и открыт для протекания тока из базы в эмиттер.

Гораздо более высокое напряжение приложено к переходу база-коллектор, причем потенциал коллектора (n-типа) оказывается более высоким, чем у базы (p-типа). Так что к переходу приложено обратное напряжение и он смещен в обратном направлении. Это приводит к образованию довольно толстого обедненного электронами слоя в коллекторе вблизи базы, когда к транзистору прикладывается напряжение питания. В результате ток через цепь коллектор-эмиттер не проходит. Распределение зарядов в зонах переходов npn-транзистора показан на рисунке ниже.

Какова роль тока базы?

Как же заставить работать наш электронный прибор? Принцип действия транзистора заключается во влиянии тока базы на состояние закрытого перехода база-коллектор. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, небольшой ток будет поступать в базу. Здесь его носителями являются положительно заряженные дырки. Они комбинируются с электронами, поступающими из эмиттера, обеспечивая ток I_BE. Однако вследствие того, что эмиттер очень сильно легирован, гораздо больше электронов поступает из него в базу, чем способно соединиться с дырками. Это означает, что возникает большая концентрация электронов в базе, и большинство из них пересекает ее и попадает в обедненный электронами слой коллектора. Здесь они попадают под влияние сильного электрического поля, приложенного к переходу база-коллектор, проходят через обедненный электронами слой и основной объем коллектора к его выводу.

Изменения тока, втекающего в базу, влияют на количество привлеченных от эмиттера электронов. Таким образом, принципы работы транзистора могут быть дополнены следующим утверждением: очень небольшие изменения в базовом токе вызывают очень большие изменения в токе, протекающем от эмиттера к коллектору, т.е. происходит усиление тока.

Типы полевых транзисторов

По английски они обозначаются FETs — Field Effect Transistors, что можно перевести как «транзисторы с полевым эффектом». Хотя есть много путаницы в названиях для них, но встречаются в основном два основных их типа:

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

Устройство полевого транзистора

Все полевые транзисторы могут быть названы УНИПОЛЯРНЫМИ приборами, потому что носители заряда, которые образуют ток через них, относятся к единственному для данного транзистора типу – либо электроны, либо «дырки», но не оба одновременно. Это отличает принцип работы транзистора полевого от биполярного, в котором ток образуется одновременно обоими этими типами носителей.

Носители тока протекают в полевых транзисторах с управляющим pn-переходом по слою кремния без pn-переходов, называемому каналом, с проводимостью либо n-, либо p-типа между двумя выводами, именуемыми «истоком» и «стоком» – аналогами эмиттера и коллектора или, точнее ,катода и анода вакуумного триода. Третий вывод – затвор (аналог сетки триода) – присоединен к слою кремния с другим типом проводимости, чем у канала исток-сток. Структура такого прибора показана на рисунке ниже.

Как же работает полевой транзистор? Принцип работы его заключается в управлении поперечным сечением канала путем приложения напряжения к переходу затвор-канал. Его всегда смещают в обратном направлении, поэтому транзистор практически не потребляет тока по цепи затвора, тогда как биполярному прибору для работы нужен определенный ток базы. При изменении входного напряжения область затвора может расширяться, перекрывая канал исток-сток вплоть до полного его закрытия, управляя таким образом током стока.

Основы транзисторов — типы, принцип работы и применение

Транзисторы также относятся к категории полупроводников. Они ответственны за революционные изменения в области электроники. Первый практический транзистор был представлен в 1927 году и известен как транзистор с точечным контактом Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Уменьшение размеров электронных устройств произошло только из-за изобретения транзисторов. Слово транзистор можно разделить на два основных слова. Самый первый «транс» называется передачей сигналов. Вторая часть слова «истор» относится к свойству сопротивления, которое предлагается на соответствующих соединениях.

Обладает характеристиками переключателя. Он имеет возможность участвовать в процессе усиления, а также выпрямления сигналов, будь то сигналы напряжения или токовые сигналы.

Что такое транзистор?

Цепь с низким сопротивлением участвует в передаче слабых сигналов в цепь с большим сопротивлением. Этот тип схемы определяется как транзистор.

Конструкция транзистора

Транзистор состоит из двух диодов с p-n переходом, которые можно соединить таким образом, чтобы оба конца соединились вместе. В середине связанная область очень тонкая, называется основанием.

Одна сторона называется эмиттером, а другая — коллектором. Так устроены транзисторы. Эмиттер присутствует справа от транзистора, тогда как наличие коллектора можно наблюдать слева.

Типы транзисторов

Основные транзисторы можно разделить на два типа в зависимости от типа их конструкции. Один называется p-n-p, а другой — n-p-n. Конструкция этих p-n-p и n-p-n очень проста.

Транзистор с центром как n-типа, так и обоих p-типов приводит к образованию p-n-p. Транзистор, сформированный с центром p-типа и обоими n-типами с обеих сторон, приводит к образованию n-p-n.

Существуют обозначения, представленные стрелками, которые показывают обычное течение тока в этом конкретном направлении. Это можно назвать единственным различием между транзисторами n-p-n и p-n-p. Каждый транзистор имеет три основных вывода.

Эти три терминала называются

1. Базовый
2. Излучатель
3. Коллектор

Основные символы транзистора вместе с его выводами

(1) База

Находится в центре транзистора. Он взаимодействует с двумя цепями, одна из которых называется входной схемой, а другая — выходной. Входной формируется за счет взаимодействия эмиттера и базы, а выходной – за счет коллектора и базы.

Меньшее сопротивление видно на входной цепи со стороны помех базы эмиттера. Более высокое сопротивление предлагается на выходной цепи базы и коллектора. Концентрация легирования в основе мала. Размер основания тонкий.

(2) Эмиттер

Для того, чтобы всегда питать большинство носителей заряда, соответствующий переход базы эмиттера должен питаться прямым смещением. Он имеет тяжелую легированную консистенцию, так что большинство носителей можно ввести в основу. Размер излучателя будет умеренным.

(3) Коллектор

Как следует из названия, действует как коллектор большинства перевозчиков. Следовательно, это считается для сбора выходов, по этой причине взаимодействующая часть коллектора и базы остается в обратном смещении.

Консистенция легирования коллектора умеренная, но его размер велик по сравнению с базой и эмиттером. Выше показаны клеммы базового транзистора.

Принцип работы транзистора

Элемент, названный кремнием, обычно предпочтительнее для конструкции транзистора. Кремний менее чувствителен к температуре. Он способен выдерживать высокие значения напряжения и большие диапазоны токов.

Как известно, эмиттерно-базовый переход должен находиться в прямом смещении, а коллекторно-базовый переход должен оставаться в обратном смещении. Из-за условия прямого смещения на эмиттерно-базовом переходе большинство носителей проникает в базу.

Это является причиной образования базового тока, который имеет тенденцию течь через область базы. Этот ток стремится течь к коллектору, и в ответ на это наблюдается движение электронов в области коллектора от базы.

Ток базы также отвечает за образование вакансии на коллекторе. Но имеет малую величину. Как мы уже знаем, база, присутствующая в транзисторе, всегда слегка легирована.

Это причина того, что будет меньшее количество носителей заряда, например, электронов меньше по сравнению с количеством эмиттера. Это небольшое количество электронов взаимодействует с отверстиями в основании, тогда как оставшееся количество электронов можно увидеть движущимся к коллектору.

Это проложило путь к генерации коллекторного тока. Следовательно, колебания на базе могут составлять большую величину тока на коллекторе.

Режимы работы транзистора

Условия, которые приводят к различным режимам работы, определяются соединениями, образованными на базе эмиттера и базе коллектора. Эмиттерно-базовый переход смещен в прямом направлении, а коллекторно-базовый переход смещен в обратном направлении, что приводит к активной области этого конкретного транзистора, таким образом, на основе дополнительных условий смещения в переходе можно анализировать различные режимы работы.

(1) FR

При рассмотрении случаев эмиттерно-базового перехода в этом случае эмиттерно-базовый переход смещен в прямом направлении, тогда как коллекторно-базовый переход смещен в обратном направлении. Следовательно, эти условия приводят к тому, что транзистор работает в активной области. Когда он находится в активной области, токи на коллекторе зависят от тока на эмиттере.

(2) FF

В этом случае соединение базы эмиттера и базы коллектора находится под прямым смещением. Этот тип условий приводит к тому, что транзистор находится в области насыщения. Эта область отвечает за то, чтобы ток на коллекторе не зависел от тока, генерируемого на эмиттере.

(3) RR

Следовательно, этот случай имеет дело с состоянием, когда оба перехода транзистора работают при обратном смещении. Если рассматривать при обратном смещении, то в схеме не наблюдается проводимости. Этот тип области известен как область отсечки.

Эмиттер на данном этапе не может поставлять большинство носителей заряда, и сбор этих носителей не может быть очевиден на коллекторе. Ситуация такого типа приводит к тому, что транзистор действует как замкнутый переключатель.

(4) RF

Эмиттерно-базовый переход транзистора смещен в обратном направлении, тогда как коллекторно-базовый переход в этом состоянии смещен в прямом направлении. Поскольку коллектор легирован легкой консистенцией, он не способен подавать основные носители заряда на соответствующую базу этого транзистора. Следовательно, действие транзистора в этом случае плохое.

Таким образом, в зависимости от типа смещения на переходе определяются различные типы рабочих областей. Смещение транзистора основано на принципе необходимости.

Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о MCQ на транзисторах

Применение и использование транзисторов

В современном мире электроники все так или иначе зависит от электроники. Либо это может быть схема усиления, либо схема переключения. Существуют различные типы транзисторов, которые можно использовать для различных целей.

(1) Транзистор в основном используется в качестве усилителя в различных типах генераторов, модуляторов и т. д., кроме того, в области цифровых схем эти транзисторы могут использоваться для механизма переключения.

(2) В случае транзистора, когда на него падает количество света, наблюдается генерация тока, они относятся к категории фототранзисторов.

(3) В соответствии с требованием, когда требуется протекание большого количества тока от эмиттера к коллектору при поддержании тока базы на минимальном уровне, требуется транзистор с именем BJT.

(4) В устройствах, где требуется контроль напряжения, используются полевые транзисторы (FET). Это связано с тем, что он состоит из входного импеданса с более высоким значением, что приводит к минимизации текущего значения.

(5) В тех случаях, когда коэффициент усиления по току должен быть высоким, используются транзисторы специального типа, называемые парой транзисторов Дарлингтона. Основное его применение — уведомления при создании чувствительных сенсорных кнопок, потому что они способны выбирать значение токов на коже человека.

(6) В некоторых случаях необходимо отводить высокие входные токи, чтобы предотвратить попадание транзистора в область насыщения.

(7) Если предположить, что более высокие значения тока необходимо коммутировать за меньшее время, то для этой цели полезны лавинные транзисторы.

Выше приведены некоторые области применения транзисторов. Таким образом обсуждаются основы транзисторов. Все ли транзисторы имеют три вывода?

Основы транзисторов — Подвал схем

В наши дни и в эпоху высокоинтегрированных микросхем, какова актуальность одиночного дискретного транзистора? Это правда, что большинство потребностей при проектировании встраиваемых систем можно удовлетворить с помощью решений на уровне микросхем.

Но поставщики электронных компонентов по-прежнему производят и продают отдельные транзисторы, потому что для них все еще существует рынок. В этой статье Стюарт делает обзор некоторых важных основ транзисторов и того, как их можно использовать при разработке встраиваемых систем.

Что хорошего в транзисторе? Конечно, интегральные схемы (ИС) состоят из тысяч транзисторов. До революции интегральных схем и микропроцессоров произошла революция транзисторов, когда телевизоры, радиоприемники и компьютеры были построены с использованием новых твердотельных устройств. Транзистор был отцом ИС. Но не устарел ли сегодня отдельный транзистор как элемент схемы? Какая польза от скромного транзистора в мире, где нынешние микропроцессоры Intel имеют более миллиарда транзисторов каждый?

Это правда, что почти все, что мы раньше делали с транзисторами, можно сделать дешевле, лучше и эффективнее с помощью ИС, и мы можем делать с ИС то, что невозможно с дискретными транзисторами. Было бы невозможно построить современный микропроцессор с дискретными транзисторами — одни только длины выводов сделали бы скорости невозможными. Но верно и обратное. Дискретный транзистор может быть простым способом решения некоторых проблем. Транзисторы, например, обычно имеют гораздо более высокие пределы рабочего напряжения и мощности в простых схемах, чем у сопоставимых ИС. Производители и дистрибьюторы электроники по-прежнему изготавливают и продают отдельные транзисторы, потому что их детали все еще используются. В этой статье я хочу рассказать о некоторых основных вещах о транзисторах, о том, как они используются и как вы можете включить их в свои приложения.

ОБЗОР
BJT (транзистор с биполярным переходом) был первым общедоступным транзистором, и он способствовал переходу от электронных ламп. BJT бывают двух видов: NPN и PNP. Оба (обычно) кремниевые устройства. Кремний модифицируют (легируют) примесями для получения материала N-типа или P-типа. Транзистор NPN имеет слой P-типа, зажатый между двумя слоями N-типа, а PNP — наоборот.

На рис. 1 показан схематический символ NPN BJT, простая схема структуры и модель диода. Структура N-P-N является просто репрезентативной. В реальном транзисторе область коллектора обычно больше области эмиттера, и ни одна из них не является квадратной, как показано на диаграмме. Представление транзистора диодом указывает, как протекает ток, а не как устроена фактическая часть. Вы не можете построить транзистор из двух диодов, но использование двух диодов помогает объяснить, как работает смещение транзистора.

РИСУНОК 1 – Схематическое обозначение, физическое представление и диодная модель транзистора NPN

Работа транзистора NPN концептуально проста для понимания. Что касается диодной модели, если вы подключите коллектор к положительному напряжению, скажем, 5 В, а эмиттер к земле, вы получите два диода, соединенных спиной к спине, с их анодами, соединенными вместе. Соединение двух анодов представляет собой базу транзистора. Если вы приложите к базе положительное напряжение больше 0,7 В, эмиттерный диод будет смещен в прямом направлении, и ток будет течь от базы через эмиттер к земле.

Коллекторный диод будет смещен в обратном направлении, и через него не будет протекать ток.

РЕАЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНЗИСТОРА
Теперь отбросьте модель диода и посмотрите на настоящий транзистор. Если коллектор подключен к +5 В, а эмиттер к земле, а напряжение на базе достаточно высокое (0,7 В) для прямого смещения перехода база-эмиттер, ток будет течь от базы к эмиттеру и . от коллектора к эмиттеру. Если напряжение база-эмиттер ниже 0,7 В, транзистор находится в состоянии «отсечки», и ток через эмиттер или коллектор не течет. Вот и все. Вот как работает BJT.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Протекание тока коллектор-эмиттер заложено в конструкции транзистора. Вот почему фактический транзистор отличается от модели диода, и именно поэтому вы не можете собрать транзистор из двух диодов. Если коллектор находится на +5 В, а эмиттер на земле, доведение базы примерно до 0,7 В приведет к протеканию тока от источника питания 5 В через коллектор к эмиттеру и земле.

Если эмиттер находится на +2 В, то вы должны довести базу примерно до 2,7 В, чтобы ток протекал от коллектора к эмиттеру.

Волшебство транзистора заключается в том, чтобы определить, как добиться нужной величины тока, протекающего через коллектор. Если вы просто подключите транзистор, как я описал, без каких-либо ограничений тока, ваш транзистор быстро превратится в дымящийся расплавленный кусок пластика.

Обычно, если транзистор работает в пределах номинальных значений тока, мощности и напряжения, ток в эмиттере будет представлять собой ток, протекающий в базу, плюс ток, протекающий от коллектора к эмиттеру. Очень маленький ток базы контролирует гораздо больший ток коллектора, поэтому ток коллектора примерно равен току эмиттера. Когда ток в коллекторе отсутствует, транзистор находится в «отсечке», как упоминалось ранее. Если протекающий ток достаточен для того, чтобы напряжение коллектор-эмиттер было настолько низким, насколько это возможно (обычно около 0,3 В для транзистора с малым сигналом), транзистор считается «насыщенным». В этом состоянии изменения тока базы больше не влияют на ток коллектора.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Как мы можем использовать этот транзистор? На рис. 2 показана простая схема. В этой схеме мы подключаем коллектор к +5 В, эмиттер к земле через резистор 220 Ом и базу к фиксированному значению 1 В. Прямое напряжение 2N3904 составляет от 0,65 В до 0,85 В при токе коллектора 10 мА. . Условно для расчетов используется 0,7 В. Итак, напряжение на эмиттере (VE) будет 1 В – 0,7 В или 0,3 В. Вот где происходит волшебство: напряжение на эмиттере фиксировано, поэтому ток через резистор 220 Ом составляет 0,3 В/220 Ом, или 1,36 мА. Ток коллектора одинаков. Следовательно, управляя базовым напряжением, мы управляем током эмиттера и, тем самым, током коллектора.

РИСУНОК 2. Простая схема показывает соотношение между напряжением и током база-эмиттер Эта схема идентична схеме на рис. 2, за исключением того, что теперь мы добавили резистор 1,5 кОм, R2, между коллектором и источником питания 5 В. Поскольку ток в эмиттере зафиксирован на уровне 1,36 мА, ток в коллекторе также составляет 1,36 мА. Этот ток протекает через R2, создавая напряжение на R2, равное 1,36 мА x 1,5 кОм, или 2,04 В. Таким образом, напряжение на коллекторе, VC, равно 5 В питания минус напряжение на R2, или 2,9 В.5 В.

РИСУНОК 3. Транзистор, включенный в качестве усилителя путем добавления резистора в коллектор

Что произойдет, если напряжение на базе поднять до 1,1 В? Когда это происходит, напряжение на эмиттере теперь составляет 0,4 В (1,1–0,7 В), в результате чего ток эмиттера составляет 1,8 мА. Ток коллектора также составляет 1,8 мА, поэтому напряжение на R2 теперь составляет 1,8 мА x 1,5 кОм, или 2,7 В. VC теперь составляет 5–2,73 В, или 2,27 В. Таким образом, изменение базового напряжения на 0,1 В вызвало напряжение на коллекторе упало с 2,95 В до 2,27 В, изменение на -0,68 В. Напряжение на коллекторе упало на 6,8 x 0,1 В (изменение входного напряжения).

Вот что интересно: изменение напряжения коллектора равно отрицательному значению изменения входного напряжения, умноженному на отношение резистора коллектора R2 к резистору эмиттера R1, или 1,5 кОм / 220 = 6,8. Если вы работаете с математикой, это имеет смысл, потому что ток коллектора такой же, как ток эмиттера. Но поскольку резистор коллектора R2 в 6,8 раза больше резистора эмиттера, любое изменение тока в резисторе эмиттера приведет к изменению напряжения на коллекторе в 6,8 раз больше.

Если вы проделаете тот же расчет после снижения базового напряжения с 1 В до 0,9 В, вы увидите, что напряжение коллектора возрастет на 0,68 В. Эта схема представляет собой инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -6,8. Положительное изменение напряжения на входе вызывает отрицательное изменение напряжения на выходе и наоборот.

Эта схема имеет некоторые ограничения. Если вы поместите 1,32 В на базу, вы обнаружите, что напряжение на эмиттере составляет 0,62 В, а напряжение на коллекторе почти равно напряжению на эмиттере. Транзистор не может привести коллектор к напряжению эмиттера, поэтому он насыщается. Таким образом, ограничением этой конкретной схемы является максимальное входное напряжение около 1,3 В. С другой стороны, любое напряжение менее 0,7 В приводит к тому, что транзистор переходит в режим отсечки. Таким образом, полезный диапазон входного напряжения этой схемы составляет от 0,7 В до примерно 1,3 В. Тем не менее, этого будет достаточно для усиления низкоуровневого аудиосигнала до уровня, который можно дополнительно усилить.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Говоря об аудио, как бы вы подключили аудиосигналы к цепи? Аудиосигналы обычно колеблются между отрицательным и положительным напряжением. Если вы поместите это в базу, транзистор большую часть времени будет в отсечке — все время, если положительные пики сигнала никогда не достигают 0,7 В.

Это приводит нас к смещению. Рисунок 4  представляет собой модификацию рисунка 3 с добавлением к основанию нескольких резисторов смещения. Резисторы R3 и R4 образуют делитель напряжения, который доводит базовое напряжение примерно до 1 В. Это находится посередине между нижним и верхним пределами схемы 0,7 В и 1,3 В. Теперь скажем, что мы подаем на вход сигнал, который колеблется между -0,1 В и +0,1 В. Из-за разделительного конденсатора постоянного тока C1 это станет 0,9V до 1,1 В на базе, а в цепи будет усиливаться на -6,8 В.

РИСУНОК 4. Резисторы смещения позволяют транзистору работать со входами, связанными по переменному току, такими как аудиосигналы.

Существуют и другие способы смещения базы транзистора. Диод опорного напряжения, как показано на рис. 5 , фиксирует базу при известном напряжении. В этой схеме напряжение эмиттера VE будет около 1,3 В, поэтому ток эмиттера и коллектора будет 5,9 мА. Дело не в том, чтобы показать все возможные способы смещения транзистора, просто в том, что есть и другие способы сделать это.

РИСУНОК 5. Зенеровский или опорный диод можно использовать для создания фиксированного смещения.

ОГРАНИЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА
Как и все вещи в физическом мире, транзисторы имеют некоторые ограничения. Мы уже рассмотрели один — значения резисторов базы и эмиттера в схеме усилителя должны быть выбраны таким образом, чтобы транзистор не перешел в режим отсечки или насыщения при любом входном сигнале, который вы пытаетесь усилить.

Транзисторы имеют другие характеристики. Например, 2Н39.04, используемый в этих примерах, имеет максимальное напряжение коллектор-эмиттер 40 В. Если больше, транзистор перегорит. Обратное напряжение база-эмиттер, где база считается отрицательной по отношению к эмиттеру, имеет максимальное значение 6 В. Кроме того, переход эмиттер-база выходит из строя.

Коллектор выдерживает максимальный непрерывный ток 200 мА. Устройство имеет максимальную рассеиваемую мощность около 600 мВт. Так что хотя коллектор-эмиттер выдерживает 40 В и ток коллектора может достигать 200 мА, если вы попытаетесь пропустить через него 200 мА при 40 В, он выйдет из строя. 40 В при 200 мА составляет 8 Вт, что значительно превышает возможности устройства по мощности.

Суть всего этого в том, что, как и любое полупроводниковое устройство, ваша конструкция должна соответствовать всем максимальным параметрам: мощность, напряжение коллектор-эмиттер, ток коллектора, обратное напряжение пробоя эмиттер-база и так далее.

Одной из ключевых характеристик транзистора является коэффициент усиления по току. Это число описывает, насколько изменяется ток эмиттера при заданном изменении тока базы. Коэффициент усиления по току зависит от величины тока, протекающего в коллекторе. Для 2Н3904 минимальный коэффициент усиления по току при токе коллектора 0,1 мА равен 40. При 10 мА минимальный коэффициент усиления равен 50. Максимальный коэффициент усиления по даташиту равен 300. Непосредственно перед написанием этого абзаца я измерил несколько 2N3904. Все они имели коэффициент усиления. превышает 300.

Практическое значение коэффициента усиления заключается в том, чтобы повлиять на то, как эмиттер взаимодействует с базой. Если бы коэффициент усиления транзистора в схеме усилителя на рис. 3 составлял всего 10, резистор 220 Ом в эмиттере выглядел бы примерно как 2 кОм на базе, что повлияло бы на смещение и нагрузку, подаваемую на схему возбуждения. В этом случае вы хотели бы, чтобы резисторы смещения имели достаточно низкое значение, чтобы эффект нагрузки эмиттерного резистора изменил напряжение смещения менее чем на 10% или около того. Но если вам приходится использовать резисторы с меньшим номиналом в вашей цепи смещения, это, в свою очередь, увеличивает нагрузку на то, что ею управляет. В случае с усилителем это снижает общее сквозное усиление.

К счастью, для большинства приложений со слабыми сигналами не так уж сложно найти транзистор с достаточно высоким минимальным коэффициентом усиления, чтобы сделать эту проблему незначительной. Трудности возникают, когда вам нужно очень низкое значение сопротивления эмиттера. Даже при коэффициенте усиления 300 эмиттерный резистор сопротивлением около 10 Ом может оказывать значительное влияние на нагрузку базы, что необходимо учитывать при расчетах. Поскольку транзистор имеет конечный коэффициент усиления, вы не можете использовать очень большие резисторы, например, в мегаомном диапазоне, для смещения базы. Если вы это сделаете, эмиттер понизит напряжение.

Одним из распространенных дополнений к аудиоусилителям является шунтирование эмиттерного резистора с помощью электролитического конденсатора. Конденсатор имеет очень высокий импеданс (почти бесконечный) на постоянном токе, но импеданс уменьшается с увеличением частоты. Это позволяет работать смещению постоянного тока, но увеличивает усиление для аудиосигналов, делая импеданс эмиттера (сопротивление, параллельное импедансу конденсатора) очень низким значением на звуковых частотах. Это делает отношение сопротивления коллектора к сопротивлению эмиттера намного выше на аудио, чем на постоянном токе, что увеличивает коэффициент усиления. (Помните: коэффициент усиления равен резистору коллектора, деленному на импеданс эмиттера.) Однако это также приводит к значительному снижению входного импеданса схемы на этих звуковых частотах. Другие характеристики транзисторов, влияющие на использование в радиочастотных схемах, например в быстродействующих переключающих схемах, выходят за рамки этой статьи и не будут здесь обсуждаться.

ПРИМЕНЕНИЕ
Вы можете создавать усилители на транзисторах, и многие люди так и делают. Но также легко построить усилитель с операционным усилителем или другой ИС, и здесь я хочу сосредоточиться на приложениях, в которых полезны уникальные характеристики транзистора.

Как вы могли бы использовать транзистор, учитывая то, что мы уже сделали? В Рис. 6 я изменил Рис. 5, установив опорное напряжение 2,5 В, сопротивление R1 120 Ом и добавив светодиод в цепь коллектора. Поскольку опорный диод фиксирует напряжение на базе на уровне 2,5 В, напряжение эмиттера составляет 1,8 В, а ток эмиттера составляет 15 мА. Это справедливо до тех пор, пока напряжение питания V+ достаточно велико, чтобы опорный диод и светодиод оставались включенными. Таким образом, светодиод будет иметь ток 15 мА независимо от напряжения питания 5 В или 20 В.

РИСУНОК 6 – 2N3904, подключенный в качестве драйвера светодиодов постоянного тока дым. Я показал схему смещения, запитанную от 5 В. Если бы вы также питали ее от переменного V+, вам также нужно было бы учитывать ограничения R3 и D1. Но если вам нужен постоянный ток через светодиод независимо от напряжения питания (в разумных пределах), эта схема подойдет. Вы можете сделать это, если хотите, чтобы светодиод имел постоянную яркость независимо от приложенного напряжения, или просто чтобы более высокие напряжения не превышали максимальный ток светодиода.

На рис. 7 показан 2N3904, используемый для преобразования логического уровня между двумя разными схемами, работающими при разных напряжениях. Вы можете использовать это для преобразования между выходом 3,3 В микроконтроллера (MCU) и входом схемы, которой требуется 5 В. V + на схеме будет подключен к напряжению питания целевой системы. Что бы ни управляло входом, оно должно иметь достаточный выходной ток, чтобы управлять резистором 2,2 кОм. Эта схема инвертирует сигнал — высокий уровень на входе дает низкий уровень на выходе. В этой схеме транзистор всегда находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения.

— РЕКЛАМА—

—Реклама—

РИСУНОК 7 — 2N3904, используемый в качестве преобразователя логического уровня

Существует множество ИС, которые могут это делать, например буферы с открытым коллектором, так зачем использовать транзистор? Транзистор может работать с более высокими напряжениями, чем большинство схем транслятора логического уровня. Например, транзистор может переводить цепь 3,3 В в цепь 12 В.

Для многих схем преобразования напряжения необходимо знать напряжение питания и, следовательно, управляющее напряжение на входе. Но однажды у меня была ситуация, когда вход мог поступать из разных источников, в диапазоне от менее 2,5 В до 5 В. Транзисторное решение работает для всех логических напряжений, потому что транзистор включается при любом управляющем напряжении выше 0,7 В. Он может даже можно использовать для преобразования входного напряжения 12 В или 24 В в выходное напряжение 3,3 В или 5 В, если входной резистор R2 достаточно большой, чтобы предотвратить чрезмерный ток.

Окончательное приложение NPN показано на рис. 8 . На рисунке 8а 2N3904 управляет реле. Диод D1 защищает транзистор от перенапряжения. Когда реле выключается путем выключения транзистора, создается «обратное» напряжение, поскольку энергия в катушке реле рассеивается. Это напряжение может достигать уровней, достаточных для разрушения транзистора из-за чрезмерного напряжения коллектор-эмиттер — помните раздел о характеристиках транзистора. Диод D1 ограничивает напряжение на 0,7 В выше V+ для защиты транзистора. Но это имеет побочный эффект замедления открытия реле.

РИСУНОК 8 – Управление реле с помощью 2N3904. Базовый диодный зажим (а) и зажим Зенера с более высоким напряжением (б) для более быстрой работы.

На рис. 8b показана та же схема, но со стабилитроном D2 на 12 В, включенным последовательно с D1. Это позволяет напряжению обратного хода достигать 12,7 В выше V+, что позволяет гораздо быстрее рассеивать энергию катушки, ускоряя работу реле. Но с реле на 12 В напряжение коллектора превысит 24 В в период обратного хода. Эта схема использует высокое напряжение пробоя коллектор-эмиттер для повышения скорости. Есть несколько драйверов реле, которые могут это сделать, но они не имеют большого преимущества перед транзистором. Обратите внимание, однако, что базовый резистор R1 должен иметь такой размер, чтобы обеспечить достаточный ток для транзистора, чтобы управлять реле. Для большого сильноточного реле может потребоваться предварительный драйвер и силовой транзистор. В этот момент IC может быть лучшим решением.

ТРАНЗИСТОРЫ PNP
До сих пор я сосредоточился на транзисторах NPN. Функционально PNP является противоположностью NPN. Напряжение коллектора PNP (при нормальном смещении) меньше эмиттерного, а база ниже эмиттерного на 0,7 В для включения транзистора. Нет необходимости использовать отрицательное напряжение. Как и в случае с NPN, важно напряжение относительно эмиттера. Транзистор PNP может быть соединен с NPN в простых аудиоусилителях для создания усилителя для наушников или динамика. Дополнение ПНП к 2Н3904 это 2N3906.

На рис. 9 показано, как можно использовать 2N3906 для создания отрицательного напряжения смещения в системе только с положительным питанием. Вам может понадобиться отрицательное смещение для смещения входного сигнала или для питания операционного усилителя, которому по какой-то причине нужен отрицательный источник питания.

РИСУНОК 9 – Генератор отрицательного напряжения с использованием PNP 2N3906

Вход управляется прямоугольным сигналом, который может поступать с выхода таймера микроконтроллера или двухтранзисторного мультивибратора (погуглите). Я произвольно выбрал значения для компонентов в этом примере. Вы хотели бы использовать значения компонентов, соответствующие входной частоте, выходному току и напряжению, а также другим требованиям вашего приложения. Обратите внимание, что входной сигнал должен колебаться близко к положительной шине питания (5 В в показанной схеме), чтобы полностью закрыть Q1, иначе транзистор никогда не выключится и нагреется. Если вы управляли схемой с выходом логического уровня, вам может понадобиться подтягивающий резистор, чтобы убедиться, что вход полностью качается до положительной шины. Вы также можете использовать эту схему в системе 3,3 В.

Я включил этот пример, чтобы показать, как можно использовать PNP-транзистор. Это не значит, что нет IC, которые могут это сделать. Например, DC/DC-преобразователь TPS6735 производства Texas Instruments может выдавать -5 В на выходе при 200 мА, хотя он не будет работать при 3,3 В. но есть еще один класс транзисторов, называемых полевыми МОП-транзисторами (полевые транзисторы с металлическим оксидом и полупроводником). Там, где у BJT есть база, эмиттер и коллектор, эквивалентными выводами MOSFET являются затвор, исток и сток. Работа MOSFET аналогична BJT, но есть некоторые важные отличия.

MOSFET ранее иногда назывался IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). Я не видел, чтобы этот термин использовался много лет, но он носит описательный характер. Затвор MOSFET электрически изолирован от остальной части, а ток от стока к истоку управляется электрическим полем, создаваемым приложением напряжения к затвору. Изолированный затвор означает, что полевой МОП-транзистор имеет очень высокий входной импеданс, поэтому ток не должен протекать через затвор для управления током сток-исток. На самом деле, если в затвор течет ток, это, вероятно, означает, что какой-то предел был превышен и транзистор вышел из строя.

BJT можно рассматривать как токоуправляемое устройство, в котором небольшое изменение тока базы вызывает большое изменение тока коллектора. МОП-транзистор — это токовый прибор, управляемый напряжением, в котором изменение напряжения на затворе вызывает большое изменение тока стока. На рис. 10 показан полевой МОП-транзистор 2N7000, подключенный в качестве преобразователя логического уровня, аналогично тому, как был подключен биполярный транзистор на рис. 7. Он будет работать так же, как и схема 2N3904, со следующими отличиями:

РИСУНОК 10 – МОП-транзистор 2N7000 в качестве инвертирующего преобразователя логических уровней

1. Высокий импеданс означает, что для ограничения тока в затворе не требуется последовательного резистора. Это также означает, что транзисторный вход не будет нагружать любой выход, который им управляет.
2. Биполярному транзистору требуется 0,7 В и небольшой ток для включения транзистора. МОП-транзистору требуется, чтобы затвор был положительным по отношению к истоку. В случае 2N7000 напряжение включения, Vgs, может находиться в диапазоне от 0,8 В до 3 В. Это означает, что использование 2N7000 для преобразования входного напряжения 2,5 В или 3,3 В в более высокое выходное напряжение может быть проблематичным, и транзистор может не открыться. Однако при переходе от входного сигнала системы 5 В или выше к выходному напряжению 3,3 В или 2,5 В будет работать так же, как и с биполярной схемой.
3. Насыщенный МОП-транзистор не имеет напряжения насыщения — у него есть сопротивление между истоком и стоком. Для 2N7000 это может быть примерно до 6 Ом, когда V+ составляет 5 В для версии компонента On Semiconductor. Для большинства приложений это значение достаточно мало, чтобы не иметь значения, но об этом следует помнить, особенно при переключении значительных токов.

2N7000 обычно используется в качестве коммутатора. Вы можете смещать его как усилитель, но различное пороговое значение Vgs делает это немного сложнее, чем для биполярного транзистора. Подобно дополнению PNP к транзистору NPN, N-канальные полевые МОП-транзисторы имеют дополнение, которым является P-канальный полевой МОП-транзистор. BS250 от Vishay является приблизительным P-канальным эквивалентом 2N7000. Вы можете использовать такой транзистор вместо PNP для реализации генератора отрицательного напряжения, упомянутого ранее, хотя, конечно, вы должны быть уверены, что управляющее напряжение превышает пороговое напряжение затвора.

ДРУГИЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Я сосредоточился на транзисторах со слабым сигналом, чтобы продемонстрировать основные принципы. Как в биполярных, так и в МОП-транзисторах есть устройства, предназначенные для работы с большими токами и высокими напряжениями, детали, разработанные специально для радиочастотных приложений, и другие варианты. Но основные принципы те же.

Я надеюсь, что мое объяснение того, как работают транзисторы, помогло вам лучше понять их, и что приведенных примеров достаточно, чтобы вы могли поэкспериментировать с транзисторами в своих приложениях. Иногда транзисторы полезны, даже если они существуют уже давно. И даже в схемах, которые вы можете построить с помощью ИС, транзисторы представляют собой интересные устройства для работы, потому что вы можете перейти на уровень базовых компонентов.

РЕСУРСЫ
Спецификацию On Semiconductor для 2N3904, используемого в качестве примера в этой статье, можно найти по адресу https://www. onsemi.com/pub/Collateral/2N3903-D.PDF

Спецификацию On Semiconductor для 2N3906, дополняющий 2N3904, можно найти по адресу: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/2N3906-D.PDF

Спецификация On Semiconductor для 2N7000 находится по адресу: https://www.onsemi .com/pub/Collateral/2N7000-D.PDF

О полупроводниках | www.onsemi.com
Техасские инструменты | www.ti.com
Вишай | www.vishay.com

ПУБЛИКУЕТСЯ В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR MAGAZINE • МАЙ 2019 № 346 – Получите номер в формате PDF

Будьте в курсе наших БЕСПЛАТНЫХ еженедельных информационных бюллетеней!	Не пропустите предстоящие выпуски Circuit Cellar. Подписаться на журнал Circuit Cellar Примечание. Мы сделали выпуск Circuit Cellar за май 2020 г. бесплатным образцом. В нем вы найдете большое разнообразие статей и информации, иллюстрирующих типичный номер текущего журнала.
Хотите написать для Circuit Cellar ? Мы всегда принимаем статьи/сообщения от технического сообщества. Свяжитесь с нами и давайте обсудим ваши идеи.

Спонсор этой статьи

Стюарт Болл

+ сообщения

Стюарт Болл недавно ушел на пенсию после более чем 40-летней карьеры инженера-электрика и инженера-менеджера. Его последней должностью была должность главного инженера в Seagate Technologies.

Транзистор | Принцип работы | Свойства

Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.

Работа транзистора подобна закрытому устройству для электрического тока. Если ворота открыты, поток есть, а если ворота закрыты, потока нет. Роль входного сигнала транзистора заключается в открытии и закрытии затвора по желанию. Выход, таким образом, контролируется входом.

Когда ворота открыты, энергия подается на выход (например, на нагрузку). С точки зрения мощности важным фактом в работе транзистора является то, что входная мощность намного меньше, чем выходная мощность.

На рисунке 1 показана транзисторная схема. Коллектор подключен к положительной стороне батареи 12 В через резистор R ₂ , а эмиттер к отрицательной стороне.

При этом между базой и эмиттером через резистор R ₁ и переключатель подключается меньшая (1,5 В) батарея. Полярность этой батареи такова, что переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, то есть плюсовой стороной к базе.

  В этом смысле для электрического потока образуются два контура: один между коллектором и эмиттером, а другой между эмиттером и базой (эмиттер — общий вывод).

Рисунок 1  Подключение транзистора к источнику питания.

Пока петля коллектор-эмиттер замкнута (и нет переключателя), ток от коллектора (положительная сторона) к эмиттеру не течет. Также в цепи база-эмиттер ток отсутствует при разомкнутом ключе.

Теперь, если переключатель замкнут, через R ₁  от базы к эмиттер. Этот ток от базы к эмиттеру может вызвать проводимость в транзисторе между коллектором и эмиттером (второй контур). Его функция аналогична открытию затвора, в результате чего от коллектора к эмиттеру течет ток около 240 мА (т. е. 12 В/50 Ом). Другими словами, замыкание переключателя в первом контуре вызывает ток во втором контуре.

Теперь рассмотрим мощность в двух контурах, умножив ток контура на его напряжение. Видно, что мощность во втором контуре (12 В × 0,240 А = 2,88 Вт) значительно больше, чем в первом контуре (1,5 В × 0,0008 А = 0,00120 Вт).

Приведенное выше объяснение показывает, как работает транзистор. Другими словами, работа транзистора основана на токах в двух контурах, а не на напряжениях. Это означает, что  транзистор – это устройство, управляемое током .

Обратите внимание, что в этом простом анализе мы не учитывали внутренние сопротивления в переходах между тремя элементами (базой, коллектором и эмиттером) транзистора.

На самом деле между этими элементами всегда есть некоторое сопротивление. Также необходимо отметить, что транзистор сам по себе не генерирует мощность. Вся мощность, необходимая для усиления, поступает от аккумулятора (блока питания).

Когда ток между базой и эмиттером в транзисторе отсутствует, транзистор закрыт. Когда ток течет между базой и эмиттером, ток также течет между коллектором и эмиттером.

Рисунок 2  Определение напряжения и тока в транзисторе.

На рис. 2 показаны определения различных напряжений и токов в транзисторе.

• Напряжение между базой и эмиттером обозначается В _BE .
• Напряжение между коллектором и эмиттером обозначается В _CE, и аналогично, напряжение между коллектором и базой обозначается В _СВ .
• Аналогично, токи, протекающие через базу, коллектор и эмиттер, соответственно представлены I _B , I _C и I _E .
• Более того, как указано на Рисунок 2 , общее напряжение, подающее мощность на коллектор, обозначается как В _CC , а соответствующее базе обозначается как В _BB .
• Точно так же в других конфигурациях транзисторов для эмиттера может использоваться напряжение питания. В таком случае это напряжение представлено как В _EE .

Если В _ВЕ , меньше 0,7 В (при условии кремниевого транзистора), независимо от того, насколько велико напряжение между коллектором и эмиттером (при условии, что оно находится в пределах номинала транзистора и не превышает вызвать пробой), ток от коллектора к эмиттеру не течет. В таком случае говорят, что транзистор находится в отсечка  состояние .

Отсечка: Состояние транзистора, когда он не работает из-за очень низкого (незначительного) тока.

Как только V _BE становится больше 0,7 В, ток ( I _B ) течет от B к E. Это ток через базу. Этот ток включает транзистор и вызывает проводимость между коллектором и эмиттером. Таким образом, ток I _C  течет через коллектор к эмиттеру. Ток в эмиттере I _E представляет собой сумму I _B и I _C .

Ток в эмиттере представляет собой сумму тока в базе и тока в коллекторе.

Важно понимать рабочие характеристики транзистора. В дополнение к тому факту, что он ведет себя как закрытое устройство, мы также должны знать, что транзистор ведет себя как переменный резистор . Это касается напряжения В _CE и тока от коллектора к эмиттеру ( I _C ).

Когда транзистор находится в состоянии проводимости, основной интерес представляет ток, протекающий от коллектора к эмиттеру. Это выходной ток . Когда этот ток существует, между коллектором и эмиттером возникает падение напряжения.

Тем не менее , это падение напряжения невозможно определить, исходя из предположения, что между клеммами коллектора и эмиттера внутри транзистора имеется постоянное сопротивление. Величина такого сопротивления непостоянна.

Транзистор ведет себя как переменный резистор в отношении соотношения между напряжением коллектор-эмиттер и током коллектора.

Как показано на Рис. 1 , заметной характеристикой транзистора является то, что I _C намного больше, чем I _B (может быть в 100 или 200 раз больше).

При этом отношение I _C / I _B , которое почти постоянно для транзистора в данной схеме, обозначается греческой буквой β (бета) и может быть использовано для расчета I _C , когда известно I _B , или наоборот.

β зависит от особенностей схемы, свойств транзистора и температуры (под особенностями схемы мы понимаем компоненты, их номиналы и схему).

Минимальные и максимальные значения параметров транзистора обычно указываются в его паспорте.

$\begin{matrix}   {{I}_{C}}=\beta {{I}_{B}} & {} & \left( 1 \right)  \\\end{matrix}$

Более того, поскольку β обычно велико (обычно 50 < β < 300), то

$\begin{matrix}   {{I}_{E}}={{I}_{B}}+{{I} _{C}}=\beta {{I}_{B}}+{{I}_{B}}=\left( \beta +1 \right){{I}_{B}}\приблизительно \ бета {{I}_{B}}={{I}_{C}} & {} & \left( 2 \right)  \\\end{matrix}$

Уравнение 2  подразумевает, что для упрощения во многих расчетах I _B  задается равным I _C .

Обратите внимание, что электрические параметры должны соответствовать действительности; на практике всегда существуют максимальные значения тока и мощности, с которыми может работать устройство, в зависимости от его внутренней структуры и номинальных характеристик.

Другими словами, нельзя полагаться только на математические соотношения для устройства, которое ограничено своими физическими свойствами, таким образом демонстрируя предельные значения тока, напряжения и мощности, с которыми оно может работать.

Транзистор Пример 1

Рассмотрим транзистор в схеме  Рисунок 1 . Если значение β для этого транзистора равно 100 и R _C = 50 Ом, каково напряжение V _CE ?

Решение

Ток базы равен

${{I}_{B}}=\left( 1,5-0,7 \right)\div 1000=0,0008A$

Ток коллектора равен β раз (100 ×) ток базы

${{I}_{C}}=100*0,0008=0,08А=80мА$

и падение напряжения в R _C равно

${{V}_{RC}}=50*0.080=4V$

V _CE это разница между напряжением питания и падение напряжения в R _C

${{V}_{CE}}=12-4=8V$

Транзистор Пример 2

Для транзистора в

Пример 1 90 равно внутреннему сопротивлению между коллектором и эмиттером при данных условиях?

Решение

Исходя из напряжения В _CE  = 8 В и тока I _C  = 0,08 А, внутреннее сопротивление между коллектором и эмиттером равно 890\9002 0,080=100\Омега $

Обратите внимание, что это значение сопротивления не является постоянным и меняется в зависимости от других условий эксплуатации.