чем отличаются, принцип работы и схемы

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.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа 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.

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.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

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.

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.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (VBE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (VCE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания VCC через нагрузочный резистор, RL, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения VB, которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор RB, который снова используется для ограничения максимального тока базы.

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.

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.

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.

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

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.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

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.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

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.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

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.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: IC = IE – IB, так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

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,

Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Что такое транзисторный усилительный каскад и как он работает, примеры схем усилительных каскадов на транзисторе. В любой аналоговой электронной технике применяются усилительные каскады на транзисторах, как самостоятельные, так и в составе микросхем. И так, из школьного курса физики, мы знаем что биполярные транзисторы бывают структур P-N-P и N-P-N.

Вдаваться в подробности строения кристалла мы здесь не будем. Лучше разберемся что это нам дает. Так вот, питание биполярного транзистора P-N-P подается плюсом на его эмиттер, а минусом на его коллектор. И некоторое отрицательное, относительно эмиттера, напряжение смещения подается на его базу.

А вот питание биполярного транзистора N-P-N, совсем наоборот, — подается минусом на его эмиттер, а плюсом на его коллектор, и некоторое положительные, относительно эмиттера, напряжение смещение на его базу. Здесь будем рассматривать усилительные каскады на транзисторах структуры N-P-N.

Потому что такие каскады сейчас наиболее распространены, — почти вся современная аппаратура имеет общий минус, а питается положительным напряжением относительно общего минуса. Все что здесь будет сказано в отношении транзистора N-P-N применимо и к транзистору P-N-P, только все напряжения будут в обратной полярности.

Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах

На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет усиливать как ток, так и напряжение сигнала.

Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 2. Еще одна схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Есть два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ. В схеме на рисунке 1 напряжение на базу подается через резистор R6, при этом само напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из R6 и внутреннего сопротивления база-эмиттер транзистора.

В такой схеме для получения нужного напряжения смещения R6 имеет обычно большое сопротивление. Такой тип смещения называют смещением, фиксированным током базы.

На рисунке 2 напряжение базового смещения создается делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.

Это интересно тем, что изменение сопротивления эмиттер-база под действием изменения температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад более термостабилен.

Кроме того меньше влияния на рабочую точку транзистора изменений в кристалле транзистора от старения, или при замене неисправного транзистора другим. Такой тип смещения называется фиксированным напряжением база-эмиттер.

Недостаток схемы на рис.2 в том, что входное сопротивление такого каскада значительно ниже, чем в схеме по рис.1. Но это важно, только если нужно большое входное сопротивление.

Разные экземпляры даже однотипных транзисторов могут существенно отличаться своими статическими параметрами, кроме того, есть и зависимость от температуры, поэтому желательно чтобы в усилительном каскаде была стабилизация режима работы транзистора.

Проще всего это сделать введением в каскад отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, так, чтобы изменения входного тока или напряжения, к которым приводит работа ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов.

Коллекторная стабилизация режима работы транзистора

На рисунке 3 показана схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Обратите внимание, — каскад очень похож на схему на рис.1, но базовый резистор R6 подключен не к плюсу источника питания (+Uп), а к коллектору транзистора. Теперь получается, что напряжение смещения на базе транзистора зависит от напряжения на его коллекторе.

Которое, в свою очередь, зависит от напряжения на базе. И если по какой-то причине напряжение на коллекторе изменится, то и напряжение на базе изменится таким образом, что необходимая рабочая точка каскада будет восстановлена.

Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора

Более высокой стабильности можно достигнуть применив эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора (рис. 4). Здесь стабильность повышается при увеличении сопротивления Rэ и уменьшении сопротивлений Rб1 и Rб2.

Однако и слишком большим сопротивление Rэ выбирать не следует, потому что при этом напряжение коллектор-эмиттер может оказаться слишком малым.

Не стоит увлекаться и сильным уменьшением сопротивлений R61 и R62, потому что при очень малых их величинах не только увеличивается ток потребления, но и, что гораздо важнее, очень сильно снижается входное сопротивление.

Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.

Чтобы снизить влияние ООС на переменный ток вводится конденсатор Сэ. Как известно, конденсатор имеет реактивное сопротивление, и постоянный ток через него не проходит, но проходит переменный. В результате переменный ток «обтекает» резистор Rэ через реактивное сопротивление Сэ.

И результирующее сопротивление в цепи эмиттера по переменному току оказывается значительно ниже, чем по постоянному. Поэтому ООС по переменному току значительно меньше, чем по постоянному.

Каскад с общим коллектором

Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).

Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.

Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.

В схеме же с ОЭ сигнал инвертируется. Это демонстрируется на рисунках изображениями синусоид у входа и выхода каскадов. В схеме с ОЭ выходная синусоида противофазна входной. В схеме с ОК — они синфазны.

РК-02-18.

Как работает транзистор NPN? — Академия Видьясагар

Это сообщение 2 из 10 в серии «Униполярные и биполярные транзисторы»

Схема NPN-транзистора

NPN-транзистор состоит из трех полупроводниковых слоев: двух слоев n-типа и одного слоя p-типа. p-слой зажат между двумя n-слоями. Следовательно, он называется транзистором N-P-N. Его принципиальная схема приведена ниже.

Схема транзистора NPN

Важные моменты о транзисторе NPN

1. Площадь коллекторного слоя самая большая. Таким образом, он может быстро рассеивать тепло.
2. Площадь базового слоя наименьшая, и это очень тонкий слой.
3. Площадь эмиттерного слоя средняя.
4. Коллекторный слой умеренно легирован. Таким образом, он имеет среднее количество зарядов (электронов).
5. Базовый слой слегка легирован. Так что у него очень мало зарядов (дырок).
6. Эмиттерный слой сильно легирован. Поэтому он имеет наибольшее количество зарядов (электронов).
7. В этом транзисторе два перехода – переход J-1 и переход J-2.
8. Соединение между слоем коллектора и базовым слоем называется соединением коллектор-основа
   или соединением c-b.
9. Соединение между базовым слоем и эмиттерным слоем называется соединением база-эмиттер
   или соединением b-e.
10. Два перехода имеют одинаковый потенциальный барьер Слой обеднения В обедненной области или слое обеднения диода с PN-переходом присутствуют неподвижные носители заряда +ve и -ve ионы. Этот слой действует как барьер, противодействующий потоку электронов из N-слоя и дырок из P-слоя. Этот слой создается во время изготовления диода. Слой обеднения играет очень важную роль в характеристиках диода. Прочитать статью Напряжение. Аналогия электричества с водой. Аналогия электричества с водой полезна для понимания концепции разности потенциалов и для объяснения напряжения, силы тока и мощности. В общих чертах заряд — это вода, напряжение — это давление воды, ток — это расход воды. Мощность – это общее количество воды, протекающее за данное время. Читайте тему. от 0,6В до 0,7В, как в диоде.

Концепция смещения транзистора

Когда внешнее напряжение прикладывается к переходу транзистора в таком направлении, что оно нейтрализует потенциальный барьер, так что через него протекает электрический ток, это называется смещением транзистора.

Теперь, чтобы обеспечить легкое протекание тока через транзистор, его необходимо сместить, подключив внешние батареи. Таким образом, должно быть две батареи, чтобы подать правильное смещение на два перехода транзистора.

Например, NPN-транзистор можно смещать тремя различными способами –

Смещение FF: В этом методе оба перехода смещены в прямом направлении. Для этого две внешние батареи подключаются через два перехода так, чтобы коллектор был отрицательным по относительной величине. база и база положительны относительно эмиттер. Этот метод бесполезен, так как транзистор находится в «насыщении», и ток не может легко контролироваться.

Смещение RR: В этом методе оба перехода смещены в обратном направлении. Для этого две внешние батареи подключаются через два перехода так, чтобы коллектор был отрицательным по относительной величине. основание и основание отрицательно по отношению к эмиттер. Этот метод также бесполезен, поскольку транзистор находится в состоянии «отсечки», так как ток равен нулю.

Смещение FR: Это наиболее распространенный и популярный метод смещения транзисторов. В этом методе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.

Для этого две внешние батареи подключаются через два перехода так, чтобы коллектор был положительным по относительной величине. база и база положительны относительно эмиттер. Таким образом, регулируя базовое напряжение, мы можем легко контролировать общий ток в транзисторе.

Прямое смещение транзистора NPN

Транзистор NPN можно использовать в двух разных режимах: в режиме с прямым смещением и в режиме с обратным смещением. В режиме прямого смещения электрический ток может легко протекать через него. Таким образом, он действует как ЗАМКНУТЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ. Однако в режиме обратного смещения ток через него практически равен нулю, и, таким образом, он действует как ОТКРЫТЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ.

Прямое смещение NPN-транзистора

Для прямого смещения NPN-транзистора он подключается, как показано на приведенной выше схеме. Прочтите следующие пункты, чтобы легко понять процесс –

1. Коллектор подключен к высокому положительному напряжению относительно базы, т.е. V _cb  очень высокое. Таким образом, переход коллектор-база имеет обратное смещение, т. е. V _cb  >> V _be .
2. База подключена к низкому положительному напряжению по отношению к эмиттеру, т.е. V _be  низкое.
3. Когда мы увеличиваем V _до ≥ 0,7 В (напряжение потенциального барьера)  транзистор смещен в прямом направлении.
4. Теперь большое количество электронов в эмиттерном слое отталкивается от отрицательного вывода V _будет  и текут к переходу База-Эмиттер.
5. Они пересекают стык и входят в небольшой базовый слой. Здесь некоторые электроны объединяются с дырками. Также некоторые из них притягиваются положительным полюсом V _до , а оставшееся максимальное количество электронов течет в коллекторный слой, пересекая второй переход, т. е. переход коллектор-база.
6. Резидентные электроны коллектора отталкиваются этими (гостевыми) электронами и, таким образом, все электроны притягиваются положительным полюсом V _кб .
7. Таким образом, все эти электроны завершают свой путь обратно в эмиттерный слой и, таким образом, создают обычные токи в транзисторе, как показано на приведенной выше схеме.
8. Таким образом, в соответствии с текущим законом Кирхгофа, мы можем написать: I _c + I _b = I _e
9. Теперь, когда V _будет , все еще увеличивается, больше электронов отталкивается от отрицательной клеммы V _{. быть} . Таким образом, переход база-эмиттер все больше и больше смещается в прямом направлении. Таким образом, базовый ток I _b  увеличивается.
10. Следовательно, мы можем сказать, что ток коллектора I _c  является функцией тока базы I _b .
11. Таким образом, ток коллектора прямо пропорционален току базы, т. е. I _c  ∝ I _b .
12. Максимальное количество электронов, перетекающих из эмиттерного слоя в коллекторный. Таким образом, ток коллектора ПОЧТИ РАВЕН току эмиттера, то есть I _c ≈ I _e .

Обратное смещение транзистора NPN

В этом методе оба перехода смещены в обратном направлении, поскольку батареи подключены в противоположном направлении, как показано на диаграмме рядом. Аккумулятор V _cb смещает переход CB в обратном направлении. Точно так же батарея V _eb смещает переход BE в обратном направлении. Таким образом, заряды не могут течь, и ток в транзисторе практически равен нулю.

Обратное смещение транзистора NPN Опубликовано 17 февраля 2022 г. 10 июля 2022 г. Автор Dattaraj VidyasagarCategories Сначала изучите основы! Теги база, ток базы, смещение, коллектор, ток коллектора, эмиттер, ток эмиттера, прямое смещение npn-транзистора, NPN-транзистор, потенциал барьер, обратное смещение, обратное смещение транзистора npn

Понимание того, как работает транзистор NPN

Задать вопрос

спросил 1 год, 7 месяцев назад

Изменено 1 год, 7 месяцев назад

Просмотрено 129 раз

\$\начало группы\$

Я пытался понять, как работает транзистор NPN, особенно в случае фототранзистора.

Насколько я могу судить, это должно быть что-то вроде этого:

Я не понимаю, как ток может течь между Базой и Коллектором, так как Коллектор n-типа и подключен к плюсовой клемме, которая обязательно сделать БК с обратным смещением?

База на схеме должна быть подключена к фотодиоду, позволяющему течь току, когда уровень освещенности достигает определенной интенсивности.

• транзисторы
• npn
• фотодиод
• фототранзистор

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Электроны (основные носители) перемещаются из эмиттерной области n-типа в базовую область p-типа из-за прямого смещения BE-перехода. Оказавшись в области базы р-типа, эти электроны становятся неосновными носителями. Поскольку база тонкая и слегка легированная, только несколько из этих электронов рекомбинируют, создавая ток базы, большинство проходит через смещенный в обратном направлении CB-переход, притягиваемый положительным потенциалом на коллекторе.