Транзистор как работает npn: простым языком для чайников, схемы — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Транзистор NPN: 11 фактов, которые вы должны знать!

Что такое транзистор NPN?

Биполярный транзистор или биполярный транзистор имеет два основных типа. NP-N — одна из классификаций BJT. Это трехконтактное устройство, используемое для усиления и переключения.

Этот транзистор также состоит из трех секций, они

B-база
C- Коллекционер
Эмиттер

Эмиттер NPN используется для подачи носителей заряда в коллектор через базу.
Область коллектора собирает носители заряда из области эмиттера.
База транзистора выполняет работу по срабатыванию триггера и работает как контроллер, ограничивая величину тока, который может проходить через эту область.

Примечание:

В отличие от полевого МОП-транзистора, в котором присутствует только один носитель, BJT имеет два типа носителей заряда — большинство и меньшинство. В случае транзистора NPN электроны являются основным носителем заряда.

И наоборот, в полупроводниках P-типа электронов не так много, и дырка действует как основной носитель заряда, и ток будет проходить через них.

конструкция транзистора npn:

Схематические изображения npn-транзисторов приведены ниже.

NPN-транзистор как соединение диодаNPN транзистор

Эквивалентная схема NPN-транзистора.

Можно сказать, что работа транзистора npn аналогична работе диодов с 2 pn переходом, подключенных друг за другом. Эти диоды с PN-переходом называются CB-переходом коллектор-база и BE-переходом база-эмиттер.

Рассмотрение в соответствии с допингом:

Эмиттерная секция — сильно легированная секция. Общее правило — поддерживать минимальную ширину основания среди всех трех выводов. Поскольку эмиттер сильно легирован, он может выбрасывать носители заряда в области базы.
Как упоминалось ранее, основание имеет минимальную ширину и минимальное количество легирования. База передает многочисленные носители заряда к коллектору, который уносится от эмиттера.
Для сравнения, коллекторные области умеренно легированы и используются для сбора зарядов из базовой области.

Символ транзистора NPNСимвол транзистора NPN

Распиновка NPN транзистора

Как упоминалось ранее, транзистор имеет три вывода. Они — База, коллектор и эмиттер.

Как определить пин NPN?

В большинстве конфигураций центральная часть предназначена для базового терминала.
Штифт, который находится под ним, является коллектором, а остальная часть — штырем эмиттера.
Если точка не отмечена, все клеммы должны быть идентифицированы с учетом их ориентации или неравномерного промежутка между контактами. Здесь центральный штифт — это основание. Ближайший вывод — это эмиттер, а оставшийся вывод — вывод коллектора.

Применение транзисторов NPN:

Обычно NPN-транзистор используется как биполярный транзистор из-за подвижности электронов, так как она выше подвижности дырок.
Они также используются для усиления и переключения сигналов. Они используются в схемах усилителя, т. Е. В двухтактных схемах усилителя.
Транзистор NPN используется в парных схемах Дарлингтона для усиления слабых сигналов и значительного увеличения сигнала.
Если есть потребность в отводе тока, можно также использовать транзисторы NPN.
Помимо этого, транзистор NPN находит множество применений в датчиках температуры, схемах, таких как логарифмические преобразователи и т. Д.

Как работает транзистор NPN?

Для работы NPN-транзистору требуется как обратное, так и прямое смещение. Прямое смещение устанавливается между напряжением эмиттера и эмиттером. Обратное смещение подключено между коллекторным напряжением и коллектором.

Теперь, как n сторона a диод имеет электроны как большинство, а сторона p имеет большинство дырок, все соединения напряжения организованы как прямое и обратное смещение соответственно. Переход базы-эмиттера настроен на обратное смещение, а переход базы-коллектора работает на прямое смещение. Область обеднения этой области эмиттер-база более узкая по сравнению с областью обеднения пересечения коллектор-база.

Поскольку переход имеет обратное смещение (эмиттер), отверстия перетекают от источника питания к переходу N. Затем электрон движется в сторону p. Здесь происходит нейтрализация какого-то электрона. Остальные электроны движутся в сторону n. Падение напряжения относительно эмиттера и базы составляет V_BE как входная сторона.

В эмиттерах N-типа носителями заряда являются в основном электроны. Следовательно, электроны переносятся через эмиттеры N-типа на базу P-типа. Ток будет проходить через эмиттер-базу или переход EB. Этот ток известен как ток эмиттера (Ie). Здесь ток эмиттера (I_E) течет со стороны выхода и течет в двух направлениях; один я_B а другое это я_C. Итак, мы можем написать:

I_E=I_B+I_C

Однако базовая область относительно тонкая и слегка легированная. Следовательно, большая часть электронов проходит через область базы, и лишь немногие из них рекомбинируют с доступными дырками. Базовый ток минимален по сравнению с током эмиттера. Обычно это до 5% от всего тока эмиттера.

Ток, текущий от остальной части электронов, называется током коллектора (I_C). Я_C сравнительно высока по сравнению с базовым (I_B).

Транзисторная схема NPN

Источник напряжения подключен к транзистору NPN. Клемма коллектора подключается к положительной клемме напряжения питания (В_CC) с использованием сопротивления нагрузки (R_L). Сопротивление нагрузки также можно использовать для уменьшения наибольшего тока, протекающего по цепи.

Клемма базы соединена с клеммой + ve базы, обеспечивающей напряжение (В_B) с сопротивлением R_B. Базовое сопротивление используется для ограничения максимального базового тока (I_B).

Когда транзистор работает, большой ток коллектора проходит через цепь между коллектором и эмиттером. Однако для этого небольшого количества базового тока необходимо протекать к нижнему выводу транзистора.

Схема транзистора NPN

Маркировка представляет собой типичные токи коллектора, базового блока и эмиттера.

Преимущества и недостатки использования транзистора NPN:

Преимущества:

Небольшой размер.
Может работать при низком напряжении.
Очень дешево.
Низкое выходное сопротивление.
Долгоиграющий.
Спонтанные действия.

Минусы:

Высокая температурная чувствительность.
Производите низкую энергию и мощность.
Может быть поврежден при тепловом разгоне.
Не может работать на высоких частотах.

Транзисторный переключатель NPN

Транзистор работает

Включен в режиме насыщения
Выключен в режиме отключения.

Включен в режиме насыщения

Когда оба перехода находятся в состоянии прямого смещения, к входному напряжению прикладывается достаточно высокое напряжение. Следовательно, транзистор работает как короткое замыкание, поскольку V_CEпримерно равно нулю.
В это время два перехода находятся в состоянии прямого смещения, на входе имеется соответствующее напряжение.
В этом состоянии ток будет проходить между коллектором и эмиттером. В цепи течет ток.

Выключен в режиме отключения.

Если два перехода транзисторов имеют обратное смещение, транзистор переходит в состояние ВЫКЛ.
В этом режиме работы напряжение входного сигнала или базовое напряжение равно нулю.
Следовательно, сумма V_CC на коллектор действует напряжение.

Режим работы транзистора

Он имеет три режима работы согласно смещению, а именно:

Активный режим
Режим отключения
Режим насыщенности

Режим отключения

Транзистор работает как разомкнутая цепь.
В отсечке два перехода имеют обратное смещение.
Току не будет позволено протекать.

Насыщенный режим

Транзистор выполнен по замкнутой схеме.
Оба перехода настроены только на прямое смещение.
Поскольку напряжение база-эмиттер сравнительно велико, ток проходит от коллектора к эмиттеру.

Активный режим

В это время транзистор работает как усилитель тока цепи.
В активном режиме транзистора соединение BE имеет прямое смещение, а переход C -B — обратное смещение.
Ток проходит между эмиттером и коллектором, и величина тока пропорциональна имеющейся приложенной базе.

Узнать больше об электронике нажмите сюда

схема подключения. Какая разница между PNP и NPN-транзисторами?

Содержание:

История появления транзисторов

На заре прошлых веков конца 19 века ученые физики и практики (Гутри, Браун, Эдисон, Боус, Пикард, Флеминг) разных стран совершили принципиальное открытие и получили патенты на «детектор», «выпрямитель» — так тогда называли диод. Вслед за диодом последовало эпохальное открытие транзистора. Перечисление имен ученых разных стран, приложивших голову и руки к открытию транзистора, заняло бы много строк.

Основными теоретиками считаются Шокли, работавший в Bell Telephone Laboratories, а также его коллеги Бардин и Браттейн.

Слева направо: Шокли, Бардин и Браттейн

В итоге их работ, в 1947 году, получен первый образец работающего точечного германиевого транзистора, и на его основе, в том же году, был разработан первый усилитель, имевший коэффициент усиления 20 дБ (в 10 раз) на частоте 10 Мгц.

Серийный выпуск точечных транзисторов фирмой Western Electric начался в 1951 году и достиг около 10 000 штук в месяц в 1952 году. В СССР первый точечный транзистор был создан в 1949 г. Серийный выпуск точечных транзисторов был налажен в 1952 году, а плоскостных — в 1955 году. Затем последовали следующие открытия в теории и технологиях: транзисторы на выращенных переходах (1950 г.), сплавные транзисторы (1952 г. ), диффузные мета-транзисторы (1958 г.), планарные транзисторы (1960 г.), эпитаксиальные транзисторы (1963 г.), многоэмиттерные транзисторы (1965 г.) и т. д.

Как же появился среди них наш герой — транзистор Дарлингтона (далее по тексту ТД)? Дарлингтон (англ. Darlingtone) — город в в Великобритании. Однако и люди могут иметь фамилии по имени городов или наоборот. Таким является сотрудник все той же фирмы Bell — Сидни Дарлингтон

Сидни Дарлингтон

Зачем же потребовалась эта «сладкая парочка»? Дело в том, что первые транзисторы имели весьма посредственные характеристики, если смотреть на сегодняшние успехи. Прежде всего — невысокий коэффициент усиления. Сейчас это кажется странным — подумаешь, каскадное соединение — это элементарно! Но тогда, в 1953 году — это были пионерские работы.

Что такое NPN транзистор?

Транзисторы вытеснили электролампы, позволили уменьшить количество реле, переключателей в устройствах. Это полупроводниковые триоды — радиоэлектронные компоненты из полупроводников, стандартно имеют 3 вывода.

Транзисторы, предназначенные для управления током, то есть основным силовым фактором электросхем, именно его удар (не напряжения) несет опасность для человека.

Элемент способен контролировать чрезвычайно высокие величины в выходных цепях при подаче слабого входного сигнала. Транзисторы повышают, генерируют, коммутируют, преобразовывают электросигналы, это основа микроэлектроники, электроустройств.

Разновидности по принципу действия:

биполярный транзистор из 2 типов проводников, в основе функционирования – взаимодействие на кристалле соседних p-n участков. Состоят из эмиттера/коллектора/базы (далее, эти термины будем сокращать): на последнюю идет слабый ток, вызывающий модификацию сопротивления (дальше по тексту «сопр.») в линии, состоящей из первых 2 элементов. Таким образом, протекающая величина меняется, сторона ее однонаправленности (n-p-n или p-n-p) определяется характеристиками переходов (участков) в соответствии с полярностью подключения (обратно, прямо). Управление осуществляется модулированием тока на сегменте база/эмит., вывод последнего всегда общий для сигналов управления и выхода;
полевой. Тип проводника один — узкий канал, подпадающий под электрополе обособленного затворного прохода. Контроль основывается на модуляции количества Вольт между ним и истоком. А между последним и стоком течет электроток (2 рабочие контакты). Величина имеет силу, зависящую от сигналов, формируемых между затвором (контакт контроля) и одной из указанных частей. Есть изделия с p-n участком управления (рабочие контакты подключаются к p- или n-полупроводнику) или с обособленными затворами.

У полевиков есть варианты полярности, для управления требуется низкий вольтаж, из-за экономичности их ставят в радиосхемы с маломощными БП. Биполярные варианты активируются токами. В аналоговых сборках превалируют вторые (БТ, BJT), в цифровых (процессоры, компьютеры) — первые. Есть также гибриды — IGBT, применяются в силовых схемах.

Конструкция NPN транзистора

Конструктивная схема транзистора NPN транзистора состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока (“внутрь” для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Схема NPN транзистора

Когда NPN транзистор связан с ресурсами напряжения, базовый ток будет проходить через транзистор. Даже небольшое количество базы контролирует циркуляцию большого количества тока через эмиттер к коллектору. Напряжение базы выше, чем напряжение на эмиттере.

Когда VB базовое напряжение не -ve по сравнению с VE напряжение эмиттера, ток не может проходить в цепи. Таким образом, необходимо обеспечить подачу напряжения обратного смещения> 0.72 Вольт.

Резисторы RL и RB включены в цепь. Это ограничивает ток, проходящий через максимально возможную высоту транзистора.

Напряжение эмиттера VEB как входная сторона. Здесь ток эмиттера (IE) течет со стороны входа и течет в двух направлениях; один яB а другое это яC.

IE= ЯB+ ЯC

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

Как работает NPN транзистор

Когда мы с вами, друзья мои, разобрались в том, что вообще такое этот транзистор, давайте узнаем, как он работает. Устроен он довольно просто, нужно просто понять принцип. Для этого введем два очень важных понятия: эмиттер и коллектор. Эмиттер (как и в слове эмиссия) выпускает заряды и они двигаются в сторону коллектора. Так вот, в состоянии покоя, когда, грубо говоря, все выключено, ток в транзисторе не протекает, потому что между эмиттером и коллектором есть полупроводниковый переход. Однако, когда подается незначительное напряжение на базу транзистора, ток начинает течь и при этом даже можно его усиливать. Как? Колебания небольшого тока в точности повторяются, но уже с большей амплитудой. Вот схема простого транзистора:

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB.

В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий.

Проверка биполярных типов

Ниже схема проверки npn, pnp транзисторов тестером, после нее распишем процедуру по пунктам.

Биполярный транзистор снабжен p-n линиями — условно, это диоды, а точнее, 2 таковых расположенных встречно, точка их пересечения — «база».

Один условный диод сконструирован контактами базы/коллект., иной — базы/эмит. Для анализа хватит посмотреть сопр. (прямо и обратно) указанных участков: если там нет неполадок, то деталь без изъянов.

Проверка своими руками без выпаивания биполярного pnp, npn транзистора предполагает прозвонку 3 комбинаций ножек:

Вариант p-n-p

Структуры (типы) показывает стрелка эмит. участка: p-n-p/n-p-n (к базе/от нее). Начнем с проверки первого варианта. Раскрываем p-n-p деталь подачей на базу минусового напряжения. На мультиметре селектор ставим на замеры Ом на отметку «2000», допускается также выставлять на «прозвонку».

Жила «−» (черная) — на ножку базы. Плюс (красная) — поочередно к коллект., эмит. Если участки не поврежденные, то отобразят около 500–1200 Ом.

Дальше опишем, как прозвонить обратное сопр.: «+» – на базу, «−» — на колл. и эмит. Должно отобразиться высокое сопр. на обоих p-n участках. У нас появилась «1», то есть для выставленной рамки в «2000» значение превышает 2000. Значит, 2 перехода без обрывов, изделие исправное.

Аналогично, как описано, можно прозвонить на исправность транзистор, не выпаивая из схемы. Реже есть сборки, где к переходам применено основательное шунтирование, например, резисторами. Тогда, если отобразится слишком низкое сопр., потребуется выпаивать деталь.

Структура n-p-n

Элементы n-p-n проверяются аналогично, только на базу от тестера идет щуп «+».

Признаки неисправности

Если сопр. (прямое и обратное) одного из участков (p-n) стремится к бесконечности, то есть на отметке «2000» и выше на дисплее «1», значит, данный участок имеет обрыв, транзистор не годный. Если же «0» — изделие также с изъяном, пробит участок. Прямое сопр. там должно быть 500–1200 Ом.

Проверка простой схемой включения транзистора

Соберите схему с транзистором, как показано на рисунке. В этой схеме транзистор работает как “ключ”. Такая схема может быть быстро собрана на монтажной печатной плате, например. Обратите внимание на 10Ком резистор, который включается в базу транзистора.

Это очень важно, иначе транзистор “сгорит” во время проверки. Если транзистор исправен, то при нажатии на кнопку светодиод должен загораться и при отпускании – гаснуть. Эта схема для проверки npn-транзисторов. Если необходимо проверить pnp-транзистор, в этой схеме надо поменять местами контакты светодиода и подключить наоборот источник питания.
Проверка транзистора мультиметром более проста и удобна. К тому же, существуют мультиметры с функцией проверки транзисторов. Они показывают ток базы, ток коллектора и даже коэффициент усиления транзистора.

Пошаговая инструкция проверки мультимером

Перед началом проверки, прежде всего определяется структура триодного устройства, которая обозначается стрелкой эмиттерного перехода. Когда направление стрелки указывает на базу, то это вариант PNP, направление в сторону, противоположную базе, обозначает NPN проводимость.

Проверка мультимером NPN транзистора состоит из таких последовательных операций:

Проверяем обратное сопротивление, для этого присоединяем «плюсовой» щуп прибора к его базе.
Тестируется эмиттерный переход, для этого «минусовой» щуп подключаем к эмиттеру.
Для проверки коллектора перемещаем на него «минусовой» щуп.

Результаты этих измерений должны показать сопротивление в пределах значения «1».

Для проверки прямого сопротивления меняем щупы местами:

«Минусовой» щуп прибора присоединяем к базе.
«Плюсовой» щуп поочередно перемещаем от эмиттера к коллектору.
На экране мультиметра показатели сопротивления должны составить от 500 до 1200 Ом.

Данные показания свидетельствуют о том, что переходы не нарушены, транзистор технически исправен.

Многие любители имеют сложности с определением базы, и соответственно коллектора или эмиттера. Некоторые советуют начинать определение базы независимо от типа структуры таким способом: попеременно подключая черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – поочередно ко второму и третьему.

База обнаружится тогда, когда на приборе начнет падать напряжение. Это означает, что найдена одна из пар транзистора – «база – эмиттер» или «база – коллектор». Далее необходимо определить расположение второй пары таким же образом. Общий электрод у этих пар и будет база.

Основные причины неисправности

Наиболее часто встречающиеся причины выхода из рабочего состояния триодного элемента в электронной схеме следующие:

Обрыв перехода между составными частями.
Пробой одного из переходов.
Пробой участка коллектора или эмиттера.
Утечка мощности под напряжением цепи.
Видимое повреждение выводов.

Характерными внешними признаками такой поломки являются почернение детали, вспучивание, появление черного пятна. Поскольку эти изменения оболочки происходят только с мощными транзисторами, то вопрос диагностики маломощных остается актуальным.

Советы

Существует множество способов определения неисправности, но для начала нужно разобраться в строении самого элемента, и четко понимать конструкционные особенности.
Выбор прибора для проверки – это важный момент, касающийся качества результата. Поэтому при недостатке опыта не стоит ограничиваться подручными средствами.
Проводя проверку, следует четко понимать причины выхода из строя тестируемой детали, чтобы не вернуться со временем к тому же состоянию неисправности бытовой электротехники.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1~b2 и b3~b4 . Различие можно компенсировать за счёт подбора пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13~b24 (см. табл. 1).

Схема на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведённых схем: требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или раздельные радиаторы) и обеспечивает наименьший размах напряжения, поскольку между базами СТ должно падать ~2 В, в противном случае сильно проявятся искажения типа «ступенька».
Схема на рис. 3б досталась в наследство с тех времён, когда ещё не выпускались комплементарные пары мощных транзисторов. Единственный плюс по сравнению с предыдущим вариантом – меньшее падение напряжения ~1,8 В и больше размах без искажений.
Схема на рис. 3в наглядно демонстрирует преимущества СТШ: между базами СТ падает минимум напряжения, а мощные транзисторы можно посадить на общий радиатор без изоляционных прокладок.

На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:

Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.

Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ

Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе

В линейных цепях можно использовать любые подходящие комбинации транзисторов. Автору встречалась бытовая советская техника, в которой использовались СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принято /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве комплементарной пары можно взять C945 и A733, часто встречающиеся в старых компьютерных БП.

Для коммутации электромеханических приводов и, тем более, в импульсных схемах следует использовать готовые СТ с нормированными параметрами включения и выключения, паразитными ёмкостями. Типичный пример – широко распространённые импортные комплементарные СТД серии TIP12х.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Мощность и сложность транзистора Дарлингтона может регулироваться через увеличение количества включённых в него биполярных транзисторов. Существует также IGBT-транзистор, который включает в себя биполярный и полевой транзистор, используется в сфере высоковольтной электроники.

Главным достоинством составных транзисторов считается их способность давать большой коэффициент усиления по току. Дело в том, что, если коэффициент усиления у каждого из двух транзисторов будет по 60, то при их совместной работе в составном транзисторе общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов входящих в его состав транзисторов (в данном случае — 3600). Как результат — для открытия транзистора Дарлингтона потребуется довольно небольшой ток базы.

Недостатком составного транзистора считается их низкая скорость работы, что делает их пригодными для использования только в схемах работающих на низких частотах. Зачастую составные транзисторы фигурируют как компонент выходных каскадов мощных низкочастотных усилителей.

РазноеЧто такое активная мощность?

вид и обозначение, достоинства и недостатки, принцип работы для чайников

Описание и принцип работы

Транзистор Дарлингтона, названный в честь его изобретателя Сиднея Дарлингтона, состоит из двух стандартных NPN- или PNP-биполярных транзисторов, соединенных между собой. Эмиттер одного транзистора соединен с базой другого, чтобы создать более чувствительный транзистор с большим коэффициентом усиления по току, полезный в приложениях, где требуется усиление или переключение тока.

Пары транзисторов Дарлингтона могут быть изготовлены из двух индивидуально подключенных биполярных транзисторов или из одного устройства, имеющегося в продаже в одной упаковке со стандартом: соединительные провода базы, эмиттера и коллектора. Элементы доступны в широком разнообразии стилей корпуса и разных номиналов напряжения (и тока) и доступны в версиях NPN и PNP.

Биполярный переходный транзистор может работать как выключатель в режиме «вкл.-выкл.», как показано на рисунке.

Когда база NPN-транзистора заземлена (0 вольт) и ток базы Ib отсутствует — не течет от эмиттера к коллектору, и поэтому транзистор переключается в положение «выкл.». Если база смещена в прямом направлении более чем на 0,7 В, ток будет течь от эмиттера к коллектору, и транзистор, как говорят, будет включен «вкл.». При работе в этих двух режимах транзистор работает как переключатель.

Проблема здесь заключается в том, что транзисторная база должна переключаться между нулем и некоторым большим положительным значением, чтобы транзистор насыщался, и в этот момент повышенный базовый ток Ib протекает в устройство, в результате чего ток коллектора Ic становится большим, а напряжение Vce маленьким. Тогда мы можем видеть, что небольшой ток на базе может контролировать намного больший ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

Отношение тока коллектора к базовому току (β) известно как коэффициент усиления тока транзистора. Типичное значение β для стандартного биполярного транзистора может находиться в диапазоне от 50 до 200 и варьируется даже между транзисторами с одинаковым номером детали. В некоторых случаях, когда коэффициент усиления по току одного транзистора слишком мал для прямого управления нагрузкой, одним из способов увеличения коэффициента усиления является использование пары Дарлингтона.

Конфигурация транзистора Дарлингтона, также известная как «Дарлингтона пара» или «суперальфа»-цепь, состоит из двух NPN- или PNP-транзисторов, соединенных между собой таким образом, что ток эмиттера первого транзистора TR1 становится базовым током второго транзистора TR2. Затем транзистор TR1 подключается как повторитель эмиттера, а TR2 — общий усилитель эмиттера, как показано ниже.

Также обратите внимание, что в этой конфигурации пары Дарлингтона ток коллектора ведомого или управляющего транзистора, TR1 «синфазен» с током главного переключающего транзистора TR2.

В чем разница между NPN и PNP транзисторами?

Существует два основных типа транзисторов – биполярные и полевые. Биполярные транзисторы изготавливаются из легированных материалов и могут быть двух типов – NPN и PNP. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы (активном, насыщении, отсечки) коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора.

Физика полупроводников в этой статье обсуждаться не будет, однако, стоит упомянуть, что биполярный транзистор состоит из трех отдельных частей, разделенных двумя p-n переходами. Транзистор PNP имеет одну N область, разделенную двумя P областями:

Транзистор NPN имеет одну P область, заключенную между двумя N областями:

Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода. Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:

Отсечка: работа в этом режиме тоже происходит при переключении. Между эмиттером и коллектором ток не протекает, практически «обрыв цепи», то еесть «контакт разомкнут».
Активный режим: транзистор работает в схемах усилителей. В данном режиме его характеристика практически линейна. Между эмиттером и коллектором протекает ток, величина которого зависит от значения напряжения смещения (управления) между эмиттером и базой.
Насыщение: работает при переключении. Между эмиттером и коллектором происходит практически «короткое замыкание» , то есть «контакт замкнут».
Инверсный активный режим: как и в активном, ток транзистора пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Используется очень редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течет от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

PNP и NPN работают почти одинаково, но их режимы отличаются из-за полярностей. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, UБ должно быть выше, чем UК и UЭ. Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Принцип работы NPN и PNP транзисторов один и тот же. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор.

Базовая конфигурация транзистора Дарлингтона

В паре NPN Дарлингтона в качестве примера коллекторы двух транзисторов соединены вместе, а эмиттер TR1 управляет основанием TR2. В этой конфигурации достигается умножение на β, потому что для базового тока i b ток коллектора равен β * i b, где коэффициент усиления по току больше единицы или равен единице, и это определяется как:

Но базовый ток I B2 равен току эмиттера транзистора TR1, I E1, поскольку эмиттер TR1 подключен к базе TR2. Следовательно:

Затем подставим в первое уравнение:

Где β 1 и β 2 — коэффициенты усиления тока отдельных транзисторов.

Это означает, что общее усиление тока β определяется коэффициентом усиления первого транзистора, умноженным на коэффициент усиления второго транзистора, когда коэффициенты усиления тока двух транзисторов умножаются. Другими словами, пара биполярных транзисторов, объединенных вместе для создания одной пары транзисторов Дарлингтона, может рассматриваться как один транзистор с очень высоким значением β и, следовательно, с высоким входным сопротивлением.

Транзисторы.

Трафарет Visio Транзисторы.

Каждой фигурой трафарета Транзисторы, представлены несколько условных обозначений схожих по функциональным особенностям транзисторов. Изменить условное обозначение, можно в контекстном меню фигуры:

Контекстное меню фигуры условного обозначения транзистора.

Некоторые примеры условных обозначений транзисторов, полученных изменение комбинаций команд в контекстном меню фигур: 1. Транзистор биполярный.

Транзистор биполярный PNP.

Транзистор биполярный NPN.

Транзистор биполярный NPN, коллектор соединен с корпусом.

Транзистор лавинный типа NPN.

2. Транзистор однопереходный.

Транзистор однопереходный с P-базой.

Транзистор однопереходный с N-базой.

3. Транзистор двухбазовый.

Транзистор двухбазовый типа PNP.

Транзистор двухбазовый типа NPN.

Транзистор двухбазовый типа PNIP с выводом от i-области.

Транзистор двухразовый типа PNIN с выводом от i-области.

4. Транзистор полевой.

Транзистор полевой с каналом типа N.

Транзистор полевой с каналом типа P.

5. Транзистор полевой с изолированным затвором.

Транзистор полевой с изолированным затвором обедненного типа с N-каналом, с внутренним соединением истока и подложки.

Транзистор полевой с изолированным затвором обедненного типа с Р-каналом, с внутренним соединением истока и подложки.

Транзистор полевой с изолированным затвором обогащенного типа с Р-каналом, с внутренним соединением истока и подложки.

Транзистор полевой с изолированным затвором обедненного типа с N-каналом.

Транзистор полевой с изолированным затвором обедненного типа с Р-каналом.

Транзистор полевой с изолированным затвором обогащенного типа с Р-каналом.

6. Транзистор полевой с двумя изолированными затворами.

Транзистор полевой с двумя изолированными затворами обедненного типа с Р-каналом с выводом от подложки.

Транзистор полевой с двумя изолированными затворами обедненного типа с N-каналом с выводом от подложки.

Транзистор полевой с двумя изолированными затворами обогащенного типа с Р-каналом с выводом от подложки.

7. Транзистор биполярный с изолированным затвором.

Транзистор биполярный с изолированным затвором обедненного типа с N-каналом.

Транзистор биполярный с изолированным затвором обедненного типа с Р-каналом.

Транзистор биполярный с изолированным затвором обогащенного типа с Р-каналом.

Дополнительно, в контекстном меню фигуры условного обозначения транзистора, можно поменять местами вывода как вертикально так и горизонтально, скрыть или показать маркировку выводов, скрыть символ корпуса.

Пример изменения условного обозначения полевого транзистора, видео:

Пример транзистора Дарлингтона

Два NPN-транзистора соединены вместе в виде пары Дарлингтона для переключения галогенной лампы 12 В 75 Вт. Коэффициент усиления прямого тока первого транзистора равен 25, а коэффициент усиления прямого тока (бета) второго транзистора равен 80. Игнорируя любые падения напряжения на двух транзисторах, рассчитайте максимальный базовый ток, необходимый для полного включения лампы.

Сначала ток, потребляемый лампой, будет равен току коллектора второго транзистора, затем:

Используя приведенное выше уравнение, базовый ток определяют как:

Затем мы видим, что очень маленький базовый ток, всего 3,0 мА, такой как ток, подаваемый цифровым логическим вентилем или выходным портом микроконтроллера, может использоваться для включения и выключения лампы мощностью 75 Вт.

Если два одинаковых биполярных транзистора используются для создания одного устройства Дарлингтона, то β1 равно β2, и общее усиление тока будет иметь вид:

Обычно значение β2 намного больше, чем значение 2β, и в этом случае его можно игнорировать, чтобы немного упростить математику. Тогда окончательное уравнение для двух идентичных транзисторов, сконфигурированных как пара Дарлингтона, можно записать в виде:

Тогда мы можем видеть, что для двух одинаковых транзисторов β 2 используется вместо р, действующей как один большой транзистор с огромным количеством выгоды. Легко доступны пары транзисторов Дарлингтона с усилением тока более тысячи с максимальными токами коллектора в несколько ампер. Например: NPN TIP120 и его PNP эквивалентны TIP125.

Преимущество использования такого устройства, заключается в том, что переключающий транзистор гораздо более чувствителен, поскольку для переключения значительно большего тока нагрузки требуется только небольшой базовый ток, так как типичное усиление конфигурации Дарлингтона может превышать 1 000, тогда как обычно одиночная ступень транзистора дает усиление от 50 до 200.

Затем мы видим, что пара Дарлингтона с коэффициентом усиления 1 000 : 1 может переключать выходной ток 1 А в цепи коллектор — эмиттер с входным базовым током всего 1 мА. Тогда это делает транзисторы Дарлингтона идеальными для взаимодействия с реле, лампами и двигателями с микроконтроллером малой мощности, компьютером или логическими контроллерами, как показано на рисунке.

Как работает

Принцип действия устройства похож на работу крана, регулирующего подачу воды, с той лишь разницей, что через него идет поток отрицательных частиц. Прибор пропускает через себя 2 тока:

основной «большой»;
управляющий «маленький».

Мощность первого зависит от мощности второго. Если изменить показатель малого тока, то изменится интенсивность образования «дырок» на базе: пропорционально изменится амплитуда напряжения на выходе, но частота сигнала сохранится. Поэтому, при подаче на базовую пластину слабого импульса, усиление на выходе не теряется, но значительно возрастает амплитуда.

Тип имеющегося биполярного транзистора можно легко распознать по схеме, основанной на принципе: ток течет от «плюса» к «минусу». В приборе N-P-N базовая плата представлена p-полупроводником (положительными «дырками»), на схеме это показано направлением к эмиттеру от базы. P-N-P-разновидность имеет «отрицательную» n-базу (стрелка на схеме направлена к ней).

Единственное отличие этих типов устройств заключается в том, что схема N-P-N начинается с «плюса», а P-N-P с «минуса» (так как на базовую плату подается минусовой потенциал). Т.е. для транзистора с N-полупроводником характерно «перевёрнутое» поведение: ток не останавливается при заземленной базе и сталкивается с преградой, когда через неё идет ток.

Даже при незначительном отличии типов NPN-устройства более эффективны и распространены в электронной промышленности. Это связано с тем, что носители тока в них представлены электронами, которые более мобильны чем положительные частицы. Поэтому приборы с P-полупроводником более высокочастотны.

Применение транзисторов Дарлингтона

База транзистора Дарлингтона достаточно чувствительна, чтобы реагировать на любой небольшой входной ток от коммутатора или непосредственно от логического элемента КМОП TTL или 5 В. Максимальный ток коллектора Ic (max) для любой пары Дарлингтона такой же, как и для основного переключающего транзистора TR 2, поэтому его можно использовать для управления реле, двигателями постоянного тока, соленоидами и лампами и т. д.

Одним из основных недостатков пары транзисторов Дарлингтона является минимальное падение напряжения между базой и эмиттером при полном насыщении. В отличие от одного транзистора, у которого падение напряжения насыщения составляет от 0,3 до 0,7 В при полном включении, устройство Дарлингтона имеет удвоенное падение напряжения базового эмиттера (1,2 В вместо 0,6 В), поскольку падение напряжения базового эмиттера — это сумма падений диодов базового эмиттера двух отдельных транзисторов, которая может составлять от 0,6 до 1,5 В в зависимости от тока, текущего через транзистор.

Такое высокое падение напряжения на базе эмиттера означает, что для данного тока нагрузки транзистор Дарлингтона может нагреваться сильнее, чем обычный биполярный транзистор, и, следовательно, требует хорошего отвода тепла. Кроме того, транзисторы Дарлингтона имеют более медленное время отклика «вкл.-выкл.», поскольку ведомому транзистору TR1 требуется больше времени, чтобы главный транзистор TR2 полностью включился.

Чтобы преодолеть медленный отклик, повышенное падение напряжения и тепловые недостатки стандартного транзисторного устройства Дарлингтона, дополнительные транзисторы NPN и PNP могут использоваться в одной и той же каскадной схеме для создания транзистора Дарлингтона другого типа, называемого конфигурацией Шиклаи.

Как работает полевой транзистор?

ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).

Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.

Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).

«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.

Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.

Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.

Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.

В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т. е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.

Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.

Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.

Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.

Теперь переходим к практике и поговорим о том,

Транзисторная пара Шиклаи (Sziklai)

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи, названной в честь изобретателя Джорджи Шиклаи, представляет собой особый транзистор Дарлингтона, состоящий из отдельных NPN и PNP комплементарных транзисторов, соединенных между собой, как показано ниже.

Эта каскадная комбинация транзисторов NPN и PNP имеет то преимущество, что пара Шиклаи выполняет основную функцию пары Дарлингтона, за исключением того, что для ее включения требуется только 0,6 В, и, как и в стандартной конфигурации Дарлингтона, коэффициент усиления по току равен β 2 для одинаково согласованных транзисторов или задается произведением двух коэффициентов усиления тока для несогласованных отдельных транзисторов.

Конфигурация транзистора Шиклаи — Дарлингтон

Мы можем видеть, что падение напряжения базы-эмиттера устройства Шиклаи равно падению диода одного транзистора в тракте сигнала. Тем не менее конфигурация Шиклаи не может насытить менее одного полного падения напряжения на диоде, то есть 0,7 В вместо обычных 0,2 В.

Кроме того, как и в случае пары Дарлингтона, пара Шиклаи имеет более медленное время отклика, чем один транзистор. Комплементарные парные транзисторы Шиклаи обычно используются в двухтактных выходных каскадах аудиоустройства класса AB, допускающих только одну полярность выходного транзистора. Обе пары транзисторов Дарлингтона и Шиклаи доступны как в конфигурации NPN, так и в конфигурации PNP.

Транзисторные ИС Дарлингтона

В большинстве электронных приложений управляющей цепи достаточно для непосредственного переключения выходного напряжения или постоянного тока «вкл.» или «выкл.», поскольку для некоторых выходных устройств, таких как светодиоды или дисплеи, требуется лишь несколько миллиампер для работы при низких напряжениях постоянного тока. Как следствие, они могут управляться непосредственно выходом стандартного логического элемента.

Однако, как мы видели выше, иногда для работы устройства вывода, такого как двигатель постоянного тока, требуется больше энергии, чем может быть обеспечено обычным логическим вентилем или микроконтроллером. Если цифровое логическое устройство не может подавать достаточный ток, то для управления устройством потребуются дополнительные схемы.

Одним из таких широко используемых транзисторных чипов Дарлингтона является массив ULN2003. Семейство массивов Дарлингтона состоит из ULN2002A, ULN2003A и ULN2004A, которые представляют собой высоковольтные и сильноточные массивы Дарлингтона, каждый из которых содержит семь пар Дарлингтона с открытым коллектором в одном пакете ИС.

Каждый канал массива рассчитан на 500 мА и может выдерживать пиковые токи до 600 мА, что делает его идеальным для управления небольшими двигателями, лампами или затворами и базами мощных полупроводников. Дополнительные диоды подавления включены для индуктивного управления нагрузкой, а входы прикреплены напротив выходов, чтобы упростить соединения и расположение платы.

ULN2003A Дарлингтонский транзисторный массив

ULN2003A является недорогим однополярным массивом транзисторов Дарлингтона с высокой эффективностью и низким потреблением энергии, что делает его полезным для приведения в движение широкого диапазона нагрузок, включая электромагниты, реле постоянного тока двигателя и светодиодные дисплеи или лампы накаливания. ULN2003A содержит семь пар транзисторов Дарлингтона, каждая с входным контактом слева и выходным контактом справа от него, как показано ниже.

ULN2003A Транзисторная матрица Дарлингтона

Драйвер Дарлингтона ULN2003A имеет чрезвычайно высокий входной импеданс и коэффициент усиления по току, который может управляться напрямую от логического элемента CMOS TTL или + 5V. Для логики CMOS + 15 В используйте ULN2004A, а для более высоких коммутирующих напряжений до 100 В лучше использовать массив Дарлингтона SN75468.

Когда вход (контакты 1–7) переходит в режим «высокий», соответствующий выход переключит «низкий» ток утечки. Аналогично, когда вход приводится в действие «низкий», соответствующий выход переключается в состояние высокого импеданса. Это состояние с высоким импедансом «выкл.» блокирует ток нагрузки и снижает ток утечки через устройство, повышая эффективность.

Контакт 8 (GND) подключен к заземлению нагрузки или 0 вольт, а контакт 9 (Vcc) подключен к источнику питания нагрузки. Затем любая нагрузка должна быть подключена между + Vcc и выходным контактом, контактами 10–16. Для индуктивных нагрузок, таких как двигатели, реле, соленоиды и т. д. контакт 9 всегда должен быть подключен к Vcc.

ULN2003A способен коммутировать 500 мА (0,5 А) на канал, но если требуется больше возможностей переключения тока, то и входы, и выходы пар Дарлингтона могут быть параллельны друг другу для более высокой способности тока. Например, входные контакты 1 и 2 соединены вместе, и выходные контакты 16 и 15 также объединены для переключения нагрузки.

Резюме транзистора Дарлингтона

Дарлингтона транзистор — это полупроводниковое устройство наивысшей мощности, показывающий силу тока и напряжение во много раз выше, чем обычные небольшие плоскостные транзисторы сигнала.

Значения коэффициента усиления постоянного тока для стандартных транзисторов NPN или PNP большой мощности относительно низкие, вплоть до 20 или даже меньше по сравнению с транзисторами с малым сигналом переключения. Это означает, что для переключения данной нагрузки требуются большие базовые токи.

В схеме Дарлингтона используются два объединенных транзистора , один из которых является основным токонесущим транзистором, а другой, являющийся гораздо меньшим «переключающим» транзистором, обеспечивает базовый ток для управления главным транзистором. В результате меньший базовый ток может использоваться для переключения гораздо большего тока нагрузки, поскольку коэффициенты усиления постоянного тока двух транзисторов умножаются. Тогда комбинация из двух транзисторов может рассматриваться как один единственный транзистор с очень высоким значением β и, следовательно, с высоким входным сопротивлением.

Наряду со стандартными парами транзисторов PNP и NPN Дарлингтона имеются также дополнительные транзисторы Шиклаи — Дарлингтона, которые состоят из отдельных согласующих транзисторов NPN и PNP, соединенных вместе в одной и той же паре Дарлингтона для повышения эффективности.

Также доступны массивы Дарлингтона, например ULN2003A, которые позволяют безопасно управлять мощными или индуктивными нагрузками, такими как лампы, соленоиды и двигатели. Управление осуществляется с помощью микропроцессорных и микроконтроллерных устройств в роботизированных и мехатронных приложениях.

Общие сведения

FET или ПТ — полупроводниковый прибор, который при изменении управляющего U, регулирует I (силу тока). Этот тип транзистора называется еще униполярным. Появился он позже обычного транзистора (биполярного), но с ростом технологии получил широкое распространение среди цифровых устройств благодаря низкому энергопотреблению. Основное отличие заключается в методе регулирования I. В биполярном — регулирование I происходит при помощи управляющего I, а полевом — при помощи U (Рисунок 1).

Рисунок 1 — Отличие полевого от биполярного Т.

У ПТ нет I управления, и он обладает высоким входным сопротивлением (R), которое достигает несколько сотен ГОм (ГигаОм) или ТОм (ТерраОм). Для того чтобы узнать сферы применения ПТ, нужно внимательно изучить его. Носителями заряда являются электроны или дырки, а у биполярного — электроны и дырки.

Классификация и устройство

ПТ бывают нескольких видов, обладают различными характеристиками и устройством. Они делятся на 2 типа:

С управляющим p-n — переходом (JFET).
С изолированным затвором (MOSFET).

Кроме того, каждый из типов бывает с N и P каналами. У ПТ с N-каналом носителями заряда являются электроны, а у P-канального — дырки. Принцип работы для P и N аналогичен, отличие лишь в подаче U другой полярности в качестве управляющего.

Устройство JFET ПТ (рисунок 2) простое. Область N образовывает канал между зонами P. К концам канала N подключаются электроды, которые называются условно стоком (С) и истоком (И), так как все зависит от схемы подключения. Затвор (З) — тип электрода, который образовывается при закорачивании полупроводников P. Это обусловлено электрическим соединением при воздействии U. Возле С и И находится область повышенной концентрации или легирование (N+) электронов, что приводит к улучшению проводимости канала. Наличие зоны легирования значительно понижает образование паразитных p-n — переходов, образующихся при присоединении алюминия.

Рисунок 2 — Схематическое устройство ПТ типа JFET.

MOFSET называется МОП или МДП, также делятся на типы — со встроенным и индуцируемым каналами. В каждом из этих типов есть модели с P и N каналами. Полевой транзистор, обозначение которого представлено на рисунке 3, иногда обладает 4 выводами.

Рисунок 3 — Обозначение МДП-транзистора.

Устройство довольно простое и показано на рисунке 4. Для ПТ с N-каналом подложка (покрывается SiO2) обладает электропроводимостью P-типа. Через слой диэлектрика проводятся электроды стока и истока от зон с легированием, а также вывод, который закорачивается с истоком. Слой затвора находится над диэлектриком.

Рисунок 4 — Типичное устройство ПТ с индуцированным каналом.

Принцип работы JFET

JFET работает в 2 режимах. Эта особенность связана с тем, что подается на затвор напряжение положительной и отрицательной составляющей (рис. 5). При подключении U > 0 к стоку, а земли к истоку необходимо подсоединить затвор к земле (Uзи = 0). Во время постепенного повышения U между С и И (Uис) ПТ является обыкновенным проводником. При низких значениях Uис ширина канала является максимальной.

При высоких значениях Uис через канал протекают большие значения силы тока между истоком и стоком (Iис). Это состояние получило название омической области (ОО). В полупроводнике N-типа, а именно в зонах p-n — перехода происходит снижение концентрации свободных электронов. Несимметричное разрастание слоя снижения концентрации свободных электронов называется обедненным слоем. Разрастание случается со стороны подключенного источника питания. Происходит сильное сужение канала при повышении Uис, вследствие которого Iис растет незначительно. Работа ПТ в этом режиме называется насыщением.

Рисунок 5 — Схема работы JFET (Uзи = 0).

При подаче низкого отрицательного U на затворе происходит сильное сужение канала и уменьшение Iис. При уменьшении U произойдет закрытие канала, и ПТ будет работать в режиме отсечки, а U, при котором прекращается подача Iис, называется напряжением отсечки (Uотс). На рисунке 6 изображено графическое представление работы ПТ при Uзи < 0:

Рисунок 6 — Графическое представление принципа работы полевого транзистора типа JFET.

При использовании в режиме насыщения происходит усиление сигнала (рис. 7), так как при незначительных изменениях Uис происходит значительное изменение Iис:

Рисунок 7 — Пример S JFET.

Этот параметр является усилительной способностью JFET и называется крутизной стоко-затворной характеристики (S). Единица измерения — mA/В (милиАмпер/Вольт).

Особености работы MOFSET

При подключении U между электродами С и И любой полярности к MOFSET с индуцированным N-каналом ток не потечет, так как между легитивным слоем находится слой с проводимостью P, которая не пропускает электроны. Принцип работы с каналом P-типа такой же, только необходимо подавать отрицательное U. Если подать положительное Uзи на затвор, то возникнет электрическое поле, выталкивающее дырки из зоны P в направлении подложки (рис. 8).

Под затвором концентрация свободных носителей заряда начнет уменьшаться, а их место займут электроны, которые притягиваются положительным зарядом затвора. При достижении Uзи порогового значения концентрация электронов будет значительно больше концентрации дырок. В результате этого произойдет формирование между С и И канала с проводимостью N-типа, по которому потечет Iис. Можно сделать вывод о прямо пропорциональной зависимости Iис от Uзи: при повышении Uзи происходит расширение канала и увеличение Iис. Этот процесс является одним из режимов ПТ — обогащения.

Рисунок 8 — Иллюстрация работы ПТ с индуцированным каналом (тип N).

ВАХ ПТ с изолированным затвором примерно такой же, как и с управляющим переходом (рис. 9). Участок, на котором Iис растет прямо пропорционально росту Uис, является омической областью (насыщения). Участок при максимальном расширении канала, на котором Iис не растет, является активной областью.

При превышении порогового значения U переход типа p-n пробивается, и ПТ является обычным проводником. В этом случае радиодеталь выходит из строя.

Рисунок 9 — ВАХ ПТ с изолированным затвором.

Отличие между ПТ со встроенным и индуцируемым каналами заключается в наличии между С и И канала проводящего типа. Если к ПТ со встроенным каналом подключить между стоком и истоком U разной полярности и оставить затвор включенным (Uзи = 0), то через канал потечет Iис (поток свободных носителей заряда — электронов). При подключении к затвору U < 0 возникает электрическое поле, выталкивающее электроны в направлении подложки. Произойдет уменьшение концентрации свободных носителей заряда, а сопротивление увеличится, следовательно, Iис — уменьшится. Это состояние является режимом обеднения.

При подключении к затвору U > 0 возникает электромагнитное поле, которое будет притягивать электроны из стока, истока и подложки. В результате этого произойдет расширение канала и повышение его проводимости, а Iис увеличится. ПТ начнет работать в режиме обогащения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 — ВАХ ПТ со встроенным каналом.

Несмотря на свою универсальность, ПТ обладают преимуществами и недостатками. Эти недостатки следуют из устройства, способа исполнения и ВАХ приборов.

Использование транзисторов в качестве переключателя и усилителя

Первый транзистор с биполярным переходом был изобретен в 1947 году в лабораториях Белла. «Две полярности» сокращенно обозначается как биполярный, отсюда и название Биполярный переходной транзистор . BJT представляет собой трехконтактное устройство с коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E). Для идентификации клемм транзистора требуется схема контактов конкретной детали BJT, она будет доступна в техническом описании. Есть два типа BJT — Транзисторы NPN и PNP . В этом уроке мы поговорим о транзисторах NPN. Рассмотрим два примера транзисторов NPN — BC547A и PN2222A, показанные на изображениях выше.

В зависимости от производственного процесса конфигурация контактов будет меняться, и подробности будут доступны в соответствующем листе данных. По мере увеличения номинальной мощности транзистора к корпусу транзистора необходимо прикрепить необходимый радиатор. Несмещенный транзистор или транзистор без потенциала, приложенного к клеммам, аналогичен 9.0003 два диода соединены встречно , как показано на рисунке ниже.

Диод D1 имеет обратную проводимость, основанную на прямой проводимости диода D2. Когда ток протекает через диод D2, диод D1 воспринимает ток, и пропорциональный ток будет протекать в обратном направлении от вывода коллектора к выводу эмиттера при условии, что на вывод коллектора подается более высокий потенциал. Константа пропорциональности — это коэффициент усиления (β).

Работа NPN-транзисторов:

Как обсуждалось выше, транзистор представляет собой управляемое током устройство, которое имеет два обедненных слоя с определенным барьерным потенциалом, необходимым для диффузии обедненного слоя. Барьерный потенциал для кремниевого транзистора составляет 0,7 В при 25°С и 0,3 В при 25°С для германиевого транзистора. Чаще всего используются транзисторы кремниевого типа, потому что кремний является самым распространенным элементом на земле после кислорода.

Внутреннее управление:

Конструкция npn-транзистора заключается в том, что области коллектора и эмиттера легированы материалом n-типа, а базовая область легирована небольшим слоем материала p-типа. Область эмиттера сильно легирована по сравнению с областью коллектора. Эти три области образуют два соединения. Это переход коллектор-база (CB) и переход база-эмиттер.

Когда к переходу база-эмиттер прикладывается потенциал VBE, увеличивающийся от 0 В, электроны и дырки начинают накапливаться в обедненной области. Когда потенциал увеличивается выше 0,7 В, достигается барьерное напряжение и происходит диффузия. Следовательно, электроны текут к положительной клемме, а базовый ток течет (IB) противоположно потоку электронов. Кроме того, ток от коллектора к эмиттеру начинает протекать при условии, что на выводе коллектора приложено напряжение VCE. Транзистор может действовать как переключатель и усилитель.

Рабочая область в зависимости от режима работы:

1. Активная область, IC = β×IB — работа усилителя

2. Область насыщения, IC = ток насыщения — работа переключателя (полностью включен)

3. Зона отсечки, IC = 0 – Работа переключателя (полностью ВЫКЛ.)

Транзистор в качестве переключателя:

Для объяснения с помощью PSPICE была выбрана модель BC547A. Первое, что нужно иметь в виду, это использовать токоограничивающий резистор на базе. Более высокие базовые токи повредят BJT. Из таблицы данных максимальный ток коллектора составляет 100 мА, и указан соответствующий коэффициент усиления (hFE или β).

Шаги по выбору компонентов,

1. Найдите ток коллектора по току, потребляемому вашей нагрузкой. В этом случае это будет 60 мА (катушка реле или параллельные светодиоды) и сопротивление = 200 Ом.

2. Для перевода транзистора в состояние насыщения необходимо подать достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью открыт. Расчет тока базы и соответствующего резистора, который будет использоваться.

Для полного насыщения базовый ток приблизительно равен 0,6 мА (не слишком высокий и не слишком низкий). Таким образом, ниже показана схема с 0 В на базу, когда переключатель находится в выключенном состоянии.

а) PSPICE Моделирование BJT в качестве переключателя и б) эквивалентное состояние переключателя

Теоретически переключатель полностью разомкнут, но практически можно наблюдать ток утечки. Этим током можно пренебречь, поскольку они выражены в пА или нА. Для лучшего понимания управления током транзистор можно рассматривать как переменный резистор между коллектором (C) и эмиттером (E), сопротивление которого изменяется в зависимости от тока через базу (B).

Первоначально, когда через базу не протекает ток, сопротивление на CE очень велико, поэтому ток через него не течет. Когда к базовой клемме прикладывается потенциал 0,7 В и выше, переход BE рассеивается и вызывает диффузию перехода CB. Теперь ток течет от коллектора к эмиттеру в зависимости от коэффициента усиления.

а) PSPICE Моделирование BJT в качестве переключателя и б) эквивалентное состояние переключателя

Теперь давайте посмотрим, как управлять выходным током, контролируя базовый ток. Учитывая IC = 42 мА и следуя той же формуле выше, мы получаем IB = 0,35 мА; RB = 14,28 кОм ≈ 15 кОм.

a) PSPICE Моделирование BJT в качестве переключателя и b) эквивалентное состояние переключателя

Отклонение практического значения от расчетного значения связано с падением напряжения на транзисторе и используемой резистивной нагрузкой.

Транзистор в качестве усилителя:

Усиление — это преобразование слабого сигнала в полезную форму. Процесс усиления был важным этапом во многих приложениях, таких как беспроводные передаваемые сигналы, беспроводные принимаемые сигналы, MP3-плееры, мобильные телефоны и т. д. Транзистор может усиливать мощность, напряжение и ток в различных конфигурациях.

Некоторые конфигурации, используемые в схемах усилителя:

Усилитель с общим эмиттером
Усилитель с общим коллектором
Усилитель с общей базой

Из вышеперечисленных типов тип с общим эмиттером является популярной и наиболее часто используемой конфигурацией. Работа происходит в активной области, примером может служить схема однокаскадного усилителя с общим эмиттером. Стабильная точка смещения по постоянному току и стабильное усиление по переменному току важны при разработке усилителя. Название однокаскадного усилителя, когда используется только один транзистор.

Выше схема однокаскадного усилителя , где слабый сигнал, подаваемый на базовую клемму, преобразуется в β-кратный фактический сигнал на клемме коллектора.

Назначение детали:

CIN — конденсатор связи, который соединяет входной сигнал с базой транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует источник от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. CE — это обходной конденсатор, который действует как путь с низким сопротивлением для усиленного сигнала. COUT — конденсатор связи, который связывает выходной сигнал с коллектора транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует выход транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. R2 и RE обеспечивают стабильность усилителя, тогда как R1 и R2 вместе обеспечивают стабильность в точке смещения постоянного тока, действуя как делитель потенциала.

Операция:

Схема работает мгновенно для каждого интервала времени. Просто для понимания, когда переменное напряжение на клемме базы увеличивается, соответствующее увеличение тока протекает через резистор эмиттера. Таким образом, это увеличение тока эмиттера увеличивает более высокий ток коллектора, протекающий через транзистор, что уменьшает падение напряжения коллектор-эмиттер VCE.

Точно так же, когда входное переменное напряжение уменьшается экспоненциально, напряжение VCE начинает увеличиваться из-за уменьшения тока эмиттера. Все эти изменения напряжения мгновенно отражаются на выходе, который будет инвертированной формой входного, но усиленного сигнала.

Характеристики	Общая база	Общий эмиттер	Общий коллектор
Коэффициент усиления по напряжению	Высокий	Средний	Низкий
Коэффициент усиления по току	Низкий	Средний	Высокий
Прирост мощности	Низкий	Очень высокий	Средний

Таблица: Сравнительная таблица усиления

На основании приведенной выше таблицы можно использовать соответствующую конфигурацию.

Как работает BJT. Работа с биполярными транзисторами

Давайте более подробно рассмотрим, как работает BJT (биполярный транзистор).

Последняя статья о транзисторах (Введение в транзисторы) началась с небольшой истории устройств и того, что использовалось до них. Затем он замалчивает два основных типа, с которыми вы будете работать: BJT и MOSFET. Наконец, были кратко обсуждены два режима работы транзистора.

На этот раз мы собираемся более подробно изучить BJT. В этой статье будет более подробно рассказано о том, как работает BJT или биполярный транзистор, и о некоторых основах их использования в ваших творениях.

Обзор основ BJT

Начнем с краткого обзора основ работы BJT.

Я не буду пересказывать каждое слово о BJT из прошлой статьи, но для удобства представлю краткий обзор основ.

Однако, если вы только изучаете транзисторы, я предлагаю вам сначала прочитать «Как работают диоды. Введение», потому что в нем рассказывается об основных принципах полупроводников, а затем прочитать «Введение в транзисторы».

Напомним, что существует два основных типа BJT и что BJT представляет собой устройство с тремя выводами, как мы можем видеть на рисунке 1. Три вывода — это база , коллектор , и эмиттер .

Рис. 1. Два основных типа транзисторов с биполярным переходом — NPN и PNP.

В NPN BJT полупроводниковый материал P-типа расположен между двумя слоями полупроводникового материала N-типа. И наоборот, PNP BJT размещает материал N-типа между двумя слоями материала P-типа.

Рисунок 2: концептуальная структура PNP и NPN BJT.

Наконец, биполярный транзистор можно использовать как переключатель или как усилитель.

Как работает биполярный транзистор: более пристальный взгляд на структуру

Название биполярный переходной транзистор может навести на мысль о том, что у устройства серьезная проблема с психическим здоровьем. Конечно, это не так.

Термин биполярный означает, что устройство изготовлено из полупроводникового материала, в котором проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных носителей заряда. Эти «носители заряда» — дырки и электроны соответственно.

На рис. 2 показано, что три кремниевых области BJT представляют собой сегменты стержня, которые накладываются друг на друга (если повернуть рисунок на 90 градусов). Хотя некоторые из первых транзисторов конца 1940-х и начала 1950-х годов были изготовлены таким образом, современные транзисторы — нет.

На рис. 3 показана структура современного BJT.

Рисунок 3: Структура современного BJT.

Как мы видим, слои не накладываются друг на друга. Вместо этого производители полупроводников используют процесс диффузии, при котором база вплавляется в область коллектора, а затем вплавляется область эмиттера в область базы (для NPN BJT). Тысячи транзисторов размещены на кремниевой пластине, из которой затем вырезаются промышленные транзисторы, а затем запечатываются в пластик или металл.

И последнее, что следует отметить в отношении структуры BJT, это то, что базовая область слабо легирована и очень тонкая по сравнению с сильно легированной областью эмиттера и умеренно легированной областью коллектора. Причина этого станет очевидной в ближайшее время.

Как работает BJT: работа на низком уровне

Пришло время подробно рассказать о том, как работают BJT. Во-первых, мы начнем с некоторых базовых низкоуровневых операций, прежде чем переходить к более практичным высокоуровневым операциям.

Чтобы проиллюстрировать, как работает биполярный транзистор, давайте посмотрим, что происходит внутри NPN-транзистора. Будет полезно думать о переходах база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC) как о диодах, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: полезно представить переходы в BJT в виде диодов. Если бы это был PNP BJT, каждый диод был бы повернут на 180 градусов.

Сначала поговорим о том, что происходит, когда транзистор выключен.

Помните, что обычному кремниевому диоду требуется около 0,7 В для включения и проведения. Таким образом, при напряжении менее 0,7 В на базе транзистор закрыт, потому что низкое напряжение не смещает вперед диод BE. Если бы мы приложили отрицательное напряжение к NPN BJT на рисунке 4, ситуация ухудшилась бы; p-n переход между базой и эмиттером расширяется.

Подача напряжения не менее 0,7 В в прямом направлении смещает диод ВЕ и транзистор начинает открываться. По мере увеличения напряжения зона обеднения сужается, и электроны устремляются к положительной базе. Помните, что эмиттер сильно легирован и содержит избыток свободных электронов.

Некоторые из них выйдут через базу, но поскольку она настолько тонкая, что большинство из них (например, более 97%) легируют легким примесью, эмиттер опускается достаточно близко к стороне коллектора, и они начинают прыгать в коллектор. Увеличение базового напряжения усиливает этот эффект. В течение этого времени диод BC фактически смещен в обратном направлении, но электрическое поле, создаваемое напряжением питания коллектора, вытягивает электроны. Именно это заставляет BJT действовать как переменный резистор; чем шире область обеднения диода BC, тем большее сопротивление предлагает устройство.

На самом деле, любой правильно смещенный NPN BJT для использования в усилении будет иметь смещенный в прямом направлении переход BE (эмиттерный диод включен) и переход с обратным смещением BC (коллекторный диод выключен).

Станьте Создателем, которым вы были рождены. Попробуйте Академию Arduino БЕСПЛАТНО!

Рисунок 5 ниже предлагает графическое представление этого процесса.

Рисунок 5: как работает BJT на низком уровне. Вот как электроны движутся через NPN BJT. Обратите внимание, что на картинке используется поток электронов, а не обычный поток тока. Маленькие белые круги в основании — это отверстия. Некоторые электроны будут соединяться с дырками в базе.

Обратите внимание, что, поскольку основание представляет собой материал p-типа, в нем есть отверстия.

Вот еще один способ представить себе работу NPN BJT: для каждой дырки, заполненной электроном в базе, небольшой отрицательный заряд захватывается в клемме базы. Единственный способ избавиться от заряда — вытянуть электроны из базы. Таким образом, для поддержания тока коллектора все электроны, попавшие в дырки, должны быть слиты. Вот почему ток базы управляет током коллектора.

Как работает BJT: практическая сторона или работа на высоком уровне

Теперь, когда мы кое-что знаем о работе BJT на низком уровне, давайте поговорим о более практичной работе устройства на более высоком уровне.

BJT использует небольшой ток в своей базе для управления гораздо большим током коллектора.

Прежде чем двигаться дальше, может быть полезно определить некоторые важные термины, касающиеся работы биполярного транзистора.

Насыщенность относится к рабочей области, где протекает максимальный ток коллектора, а биполярный транзистор действует как замкнутый переключатель от коллектора к эмиттеру. В этом режиме переход BC смещается в прямом направлении и протекает максимальный ток. Ток коллектора больше не может увеличиваться, даже при увеличении тока базы.

Отсечка относится к области работы, в которой биполярный транзистор работает как разомкнутый переключатель, хотя очень небольшой ток утечки (которым обычно можно пренебречь) все еще протекает.

Наконец, активный режим или активная область описывает работу, при которой соединение BE смещено в прямом направлении, а соединение BC смещено в обратном направлении. В этом режиме биполярный транзистор эквивалентен переменному резистору между эмиттером и коллектором. Если мы хотим использовать биполярный транзистор для усиления, нам нужно использовать его в этом режиме или области.

Рисунок 6 графически изображает эти режимы работы с семейством характеристических кривых коллектора. Здесь несколько значений I _B используются для построения графика I _C против V _CE . Область отсечки лежит вдоль горизонтальной оси. Область насыщения — это область слева от почти вертикальной линии. Прямые горизонтальные линии представляют собой активную область. Иными словами, эти кривые описывают влияние тока базы и напряжения между эмиттером и коллектором на токи эмиттер/коллектор.

Рисунок 6: Характеристические кривые коллектора BJT показывают, как работает BJT для трех режимов работы.

Уравнение 1 дает полный ток, протекающий через эмиттер биполярного транзистора. Поскольку ток базы I _B очень мал по сравнению с током коллектора I _C , им обычно пренебрегают и для большинства приложений достаточно уравнения 2.

I _E = I _C + I _B (уравнение 1)

I _E ≈ I _C (уравнение 2)

Мы уже знаем, что малая основа. ток коллектора течь. Транзисторы с биполярным переходом связывают ток, втекающий в базу, и ток коллектора через постоянную бета (ẞ). Бета также иногда упоминается как h _ФЭ . Каждый биполярный транзистор имеет собственное уникальное значение бета в диапазоне от 20 до 500. Это коэффициент усиления транзистора по току. Уравнение 3 дает формулу для коэффициента усиления по току в зависимости от общего бета-коэффициента и общего тока коллектора.

I _C = ẞI _B (уравнение 3)

Есть несколько важных замечаний относительно уравнения 3. . Для этого нужно соблюдать два правила.

Правило 1: Напряжение на коллекторе должно быть как минимум на несколько десятых вольта выше напряжения на эмиттере. Это относится к NPN BJT. Для PNP BJT напряжение эмиттера должно на аналогичную величину превышать напряжение коллектора. Если это условие не выполняется, ток через устройство не протекает независимо от базового напряжения.

Правило 2: Падение напряжения от базы к эмиттеру в NPN BJT составляет примерно 0,7 В, а в случае PNP-устройства оно возрастает на 0,7 В от базы к эмиттеру. На примере NPN-транзистора это означает, что базовое напряжение должно быть как минимум на 0,7 В выше напряжения эмиттера, чтобы преодолеть падение напряжения на диоде. Если это не так, транзистор не включится. Уравнение 4 выражает это правило математически.

V _BE = V _B – V _E = 0,7 В (или -0,7 В для PNP-устройства) (ур. 4) а). Альфа описывает отношение постоянного тока коллектора к постоянному току эмиттера.

α = I _C / I _E (уравнение 5)

Также:

α = β / (β + 1) (уравнение 6)

Типичные значения альфы. больше, но всегда меньше 1,

Прежде чем мы двинемся дальше, простой пример поможет нам проанализировать схемы BJT на постоянном токе.

Пример 1:

См. рисунок ниже. Предположим, что бета равна 150 и что R _C = 100 Ом и R _B = 10 кОм. Найдите I _B , I _C , I _E , V _BE и V _CB . V _BB = 5 В и V _CC = 10 В.

Решение:

Мы знаем, что V _BE составляет около 0,7 В. Мы будем использовать эту информацию для получения I _B следующим образом:

I _B = (V _BB – V _BE ) / 10k = (5 – 0,7) / 10k = 430 мкА

Приведенное выше уравнение может быть трудным для понимания новичками в электронике, но это всего лишь базовое применение закона Ома. Поскольку напряжение V _BB равно 5 В, а напряжение V _BE равно 0,7 В, на базовом резисторе должно падать 4,3 В. Как только мы это узнаем, найти базовый ток не составит труда. Если это все еще сбивает с толку, может помочь чтение «Простые методы анализа цепей, которые вы должны знать».

на I _C…

I _C = ßi _B = (150) (430 мкА) = 64,5 мА

Let’s Grave I _E Следующее приблизить и сказать, что I _E = I _C = 64,5 мА.

Если мы хотим быть точными, мы можем сказать, что I _E = I _B + I _C = 430 мкА + 64,5 мА = 64,9 мА. Заметьте, разницы особой нет.

Теперь для V _CE :

Применяя закон Ома, получаем V _CE = V _CC – I _C R _C = 10 В – (64,5 мА)(100) = 10 В – 6,45 В = 3,55 В

Наконец, давайте Получить V _CB:

V _CB = V _CE — V _BE = 3,55 В — 0,7 В = 2,85 В

Помните, что отношение I _C = . действует только для транзисторов в активной области и не работает для транзисторов в режиме насыщения.

Давайте сделаем еще один немного другой пример, чтобы проиллюстрировать, как работает BJT.

Пример 2:

Взгляните на схему ниже. Бета равна 100. Определить напряжения всех узлов и токи ветвей.

На базе 4 В, а эмиттер заземлен, поэтому можно с уверенностью предположить, что переход BE смещен в прямом направлении.

В _E = 4 – V _BE = 4 – 0,7 = 3,3 В

Теперь получим I _E :

I _E = (V _E – 0) / R _E = 3,3 / 3,3k = 1 мА

Мы еще не знаем базовый ток, но можем изменить уравнение 5, умножив с обеих сторон на I _E :

I _C = αI _E

Далее, воспользуемся уравнением 6, чтобы найти альфа:

α = ẞ / (ẞ + 1) = 100/1019 мы можем получить I _C :

I _C = (0,99)(1 мА) = 0,99 мА

Используя закон Ома, мы можем получить напряжение коллектора:

В _C = 10 – I _C R _C = 10 – ((0,99 мА)(4,7к)) = 5,3 В

Наконец, нам нужен ток базы:

I B = I _E / (ẞ + 1) = 1 мА / 101 = 0,01 мА

Биполярные транзисторы в режиме насыщения: транзистор как переключатель

Если вы не занимаетесь проектированием усилителей и аналоговых схем, вы, вероятно, будете использовать BJT в качестве переключателя большую часть времени.

Кто-то может спросить, зачем использовать транзистор в качестве переключателя, если можно просто использовать механический переключатель. На это есть несколько веских причин. Во-первых, транзисторы могут включаться и выключаться очень быстро, обычно за долю микросекунды или меньше. Во-вторых, они могут управляться другими схемами (например, микроконтроллером), тогда как механический переключатель не может. Механические переключатели изнашиваются, и контакты дребезжат, а транзисторы — нет. Есть и другие причины. Если вы все еще не уверены, что из транзисторов получаются хорошие переключатели, вам просто придется поверить мне на слово.

При использовании биполярного транзистора в качестве переключателя вы будете использовать его в режимах отсечки и насыщения.

Режим отсечки говорит сам за себя – устройство выключено и не проводит ток (за исключением незначительного тока утечки).

При отсечке справедливо уравнение 7.

V _CE = V _CC (ур. 7)

Уравнение 8 дает формулу для тока коллектора, когда устройство насыщается.

I _C(sat) = (V _CC – V _CE(sat) ) / R _C (уравнение 8) _CC (BJT действует как закрытый переключатель, и в идеале на замкнутом переключателе 0 В, потому что это короткое замыкание), и мы можем пренебречь им. Минимальный базовый ток, необходимый BJT для насыщения, составляет:

I _B(min) = I _C(sat) / ẞ (уравнение 9).)

Обратите внимание, что I _B должно быть значительно больше, чем I _B(min), чтобы убедиться, что BJT остается в насыщении.

Наконец, некоторые любознательные читатели могут спросить, существует ли формула для V _CE(sat) . Действительно, есть, но, как мы упоминали, этой величиной обычно можно пренебречь, а формула включает в себя некоторую сложность, которая выходит за рамки этого письма.

Давайте сделаем быстрый практический пример того, как биполярный транзистор работает в режиме насыщения в качестве переключателя.

Пример 3:

Светодиоду на рисунке ниже требуется 30 мА, чтобы излучать эстетически приятный уровень света. Итак, ток коллектора должен быть около 30 мА. Определите амплитуду сигнала постоянного тока, необходимого транзистору для насыщения и зажигания светодиода. Используйте двойной минимальный базовый ток в качестве запаса прочности, потому что разрушение декоративного освещения (путем выключения светодиода) вызовет у нее желание уйти. Vcc = 9 В, В _CE(sat) = 0,3 В, Rc = 270 Ом, R _B = 3,3 кОм и ẞ = 50.

Получим Ic:

Ic = (Vcc – V _CE(sat) ) / Rc = (9 В – 0,3 В) / 270 Ом = 32,2 мА

I _B(min) = I _C(sat) / ẞ = 32,2 мА / 50 = 644 мкА

Далее давайте удвоим минимум, чтобы обеспечить насыщение, чтобы наша дата оставалась неизменной. Это дает нам около 1,29 мА.

Сейчас:

I _B = V _RB / R _B = (V _в – V _BE) ) / R _B = (V _в – 0,7 В) / 3,3 кОм

Решение для V _в

В _в – 0,7 В = 2I _B(мин) * R _{B 9,374 * R _{B 9}}

В _в = (1,29 мА)(3,3 кОм) + 0,7 В = 4,96 В

Несколько заключительных мыслей о биполярных транзисторах

Давайте завершим это несколькими заключительными советами и мыслями о биполярных транзисторах.

Мы знаем, что бета любого случайного BJT сильно различается. Поскольку бета несколько непредсказуема, вам следует избегать проектирования и создания схем, которые зависят от бета-значений для правильной работы. Другими словами, схема, которая зависит от определенного значения бета, является плохой схемой.

Кроме того, все транзисторы имеют максимальный номинальный ток коллектора, а также максимальное напряжение пробоя коллектор-база, эмиттер-база и коллектор-эмиттер. Также необходимо знать максимальную рассеиваемую мощность. Игнорирование этих спецификаций может убить ваш BJT.

Биполярные транзисторы поставляются в различных упаковках. Некоторые из них поставляются в пластиковых, другие в металлических банках. Посмотрите на упаковке, есть ли на ней схема распиновки. Если это не так, может помочь хорошая перекрестная ссылка (например, NTE) в Интернете. Если ничего не помогает, вам, возможно, придется использовать тестер транзисторов в вашем измерителе или «омировать его», если его нет.

Проверка биполярного транзистора

Говоря о мультиметрах, ваш может пригодиться для проверки транзисторов, которые, как вы подозреваете, неисправны.

Помните, как работает биполярный транзистор — это как два диода.

Хороший диод имеет высокое сопротивление при обратном смещении и низкое сопротивление при прямом смещении. Открытый диод будет иметь высокое сопротивление в обоих направлениях. Закороченный диод будет иметь низкое сопротивление в обоих направлениях. Многие современные цифровые мультиметры имеют функцию проверки диодов и/или транзисторов, чтобы упростить эту задачу.

На этом мы заканчиваем знакомство с BJT. В следующий раз, когда мы будем говорить о них, мы рассмотрим некоторые основные методы смещения.

А пока оставьте комментарий и расскажите мне о своем последнем начинании с использованием дискретных BJT. Что ты водишь? Светодиод? Оратор? Мотор? Что-то другое?

Поделись!

Станьте Создателем, которым вы были рождены.

Попробуйте Академию Arduino БЕСПЛАТНО!

Определение, конструкция, работа, схема и использование

Сохранить

Скачать публикацию в формате PDF

Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, используемое в основном для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы являются активными компонентами интегральных схем или микрочипов, на блестящих поверхностях которых выгравированы миллиарды крошечных устройств. Обычно в транзисторе есть три электрических вывода, известных как эмиттер, коллектор и база. Транзистор NPN — это тип транзистора, используемого для усиления слабых сигналов.

В этой статье мы узнаем больше о транзисторах NPN, конструкции и работе транзисторов NPN, а также об их использовании. Мы также узнаем, чем он отличается от транзисторов PNP, из часто задаваемых вопросов.

Транзистор NPN

Транзистор NPN — это транзистор, в котором элемент p-типа помещен между двумя материалами n-типа. Транзисторы NPN усиливают слабый сигнал, поступающий на базу, и создают сильный усиленный сигнал на конце коллектора. В транзисторе NPN направление движения электрона — от эмиттера к области коллектора, из-за чего ток составляет транзистор. Такой тип транзистора обычно используется в цепях, так как их основными носителями заряда являются электроны, обладающие большей подвижностью по сравнению с дырками.

Узнайте больше о двойной природе материи и излучения здесь

Конструкция NPN-транзистора

NPN-транзистор состоит из двух диодов, соединенных таким образом, что их тыльные стороны соединяются друг с другом. Эти диоды соединены таким образом, что формируются три вывода, известные как база коллектора и эмиттер. В нем образованы два перехода — эмиттер-база и коллектор-база.

Транзистор NPN создается при объединении 3 слоев, а именно — двух полупроводников N-типа и одного полупроводника P-типа посередине. Два диода соединены вместе, что приводит к четырем легированным областям, поскольку каждый из диодов имеет 2 легированные области. Создаваемая база не будет иметь однородного легирования.

Таким образом, NPN-транзистор всегда состоит из трех слоев, из которых слабо легирована база, сильно легирован эмиттер и умеренно легирован коллектор. База полупроводника P-типа расположена в центре, между эмиттером и коллектором полупроводника N-типа.

Также читайте о полупроводниковом диоде здесь

Работа NPN-транзистора

Соединения в NPN-транзисторе представляют собой коллектор и базовый переход при обратном смещении, а эмиттер и базовый переход при прямом смещении. Между прямым и обратным напряжениями смещения проводится сравнение на предмет того, что прямое напряжение мало по сравнению с напряжением обратного смещения. Работа транзистора NPN показана ниже:

На приведенном выше рисунке переключатель S1 замкнут, а переключатель S2 остается разомкнутым. Эмиттерный переход будет смещен в прямом направлении, и через него протекает большой ток. Электроны переносят до 99% всего тока.

\(I_E = I_B\) и \(I_C = 0\)

В следующем сценарии, когда ключ S2 замкнут, а ключ S1 разомкнут, коллекторный переход смещен в обратном направлении и протекает минимальный ток. Обратный ток утечки возникает из-за движения неосновных носителей. \(I_C = I_B\) и \(I_E = 0\).

Эти носители ускоряются потенциальным барьером. Этот ток утечки зависит от температуры. Малый ток коллектора называется током утечки коллектора \((I_{CBO})\). Нижний индекс CBO в символе означает, что это ток между Коллектором и Базой, когда третий вывод (т.е. эмиттер) открыт.

Узнайте о законах цепей Кирхгофа здесь

Разница между транзисторами NPN и PNP

Разница между транзисторами NPN и PNP на основе таких параметров, как полярность выводов, подключение нагрузки, направление обычного тока и носители заряда, была указано в этой таблице:

—	NPN Transistor	PNP Transistor
Terminal Polarity	Emitter: Negative Base: Positive Collector: Positive	Emitter: Positive Base: Negative Коллектор: Минус
Подключение нагрузки	Нагрузка подключается между плюсом и коллектором.	Нагрузка подключается между эмиттером и землей.
Направление условного тока	Направление условного тока — от коллектора к эмиттеру.	Направление обычного тока — от эмиттера к коллектору.
Основные носители заряда	Электроны являются основными носителями в транзисторах NPN.	Дырки являются основными носителями в транзисторах PNP.

Помимо указанных выше параметров, транзисторы NPN и PNP также различаются по своей конструкции.

Изучение электрической энергии здесь

Использование транзисторов NPN

Транзисторы NPN широко используются в усилителях электрических цепей. Вот некоторые из его применений:

Они в основном используются в коммутационных приложениях.
Используется в парных схемах Дарлингтона для усиления слабых сигналов.
Транзисторы NPN используются в приложениях, где необходимо потреблять ток.
Используется в некоторых классических схемах усилителей, таких как двухтактные усилители.
Транзисторы NPN также используются в датчиках температуры
Они используются в логарифмических преобразователях.

Надеюсь, эта статья была полезна для вашей подготовки к экзамену. Готовитесь к конкурсным экзаменам? Получите помощь от экспертов, чтобы подготовиться к экзаменам с избранными учебными материалами, пробными тестами и ценными советами, которые помогут вам получить более высокие оценки на экзамене. Загрузите бесплатное приложение Testbook, чтобы получить эксклюзивные предложения прямо сейчас. Часто задаваемые вопросы о NPN-транзисторах

В.1. Почему используется NPN?

Ans.1 Используются NPN-транзисторы, так как большинство носителей заряда в них – электроны, обладающие большей подвижностью, чем дырки.

Q.2 Когда NPN-транзистор используется в качестве усилителя?

Ans.2 Транзисторы NPN используются для усиления слабых сигналов.