Биполярный транзистор

О транзисторах пожалуй слышал каждый, но определенно не все знают как они работают. Последние несколько лет я все чаще встречаю таких людей даже среди инженеров, проектировщиков. К сожалению! Конечно они не проектируют сложные схемы из «рассыпухи», транзисторные каскады в линейном режиме, с непосредственными связями, но тем не менее они рисуют схемы. Представьте такого проектировщика или инженера, который озадачился подключением промышленного оборудования, он может долго тупить над аббревиатурами ОК, pnp, npn, и в итоге результат может быть впечатляющим. В этой статье я проясню самое главное что нужно знать про транзистор. Мы не будем углубляться в теорию электронов и дырок, переходов, эмиссий. Графики характеристик, эмиттерные повторители, включение с общей базой тоже не будем рассматривать.

Изучать будем включение транзистора с общим эмиттером. Данное включение транзистора является самым распространенным. Итак транзистор представляет собой управляемый переключатель(или ключ). Вам уже знаком такой управляемый ключ как реле. Давайте вспомним как работает электромагнитное реле.
Реле управляется подачей напряжения на катушку, это создает магнитное поле, которое притягивает якорь перекидного контакта, он приходит в движение и размыкает или замыкает цепь. Напряжение подаваемое на катушку создает в ней ток, так что совершенно справедливо будет сказать, что, реле управляется током.
Биполярный транзистор тоже управляется током. И транзистор тоже замыкает и размыкает выходную цепь. Так если на входе у транзистора ток равен нулю, то транзистор закрыт, и выходная цепь разомкнута. Если на входе транзистора будет протекать ток, то ток будет протекать и на выходе транзистора, то есть выходная цепь замкнется.

Но где у транзистора вход и выход, если у него всего три электрода? В нашем варианте включения (общий эмиттер) входом является база, выходом — коллектор, эмиттер является общим. Входной ток соответственно должен протекать по цепи база — эмиттер, выходной ток коллектор — эмиттер. Полярность приложения тока должна соответствовать структуре транзистора. При обозначении электродов как правило используют сокращения от английских наименований электродов: база -> base -> B; коллектор -> collector -> C; эмиттер -> emitter -> E.

Рис 1

Так если использовать pnp транзистор, то управляющий источник тока подключается плюсом на эмиттер а минусом на базу. Буква P означает позитив, буква n посередине означает негатив и соответствует базе.

Рис 2

Выход подключается так: плюс на эмиттер и минус на коллектор. Но на выход нельзя подключать источник тока. Нам нужно получить какую-то пользу от транзистора, поэтому, нужно взять источник напряжения и нагрузку. В качестве нагрузки в экспериментах всегда используют резистор. Резистор включаем между минусом источника напряжения и коллектором транзистора.

Рис.3

Как видите в отличие от предыдущей схемы здесь используется источник напряжения (обозначение которое использовал я соответствует аккумуляторной батарее). Если возникает вопрос чем источник тока отличается от источника напряжения — обязательно гуглим.

Транзистор структурой npn подключается с обратной полярностью, такой транзистор мы как раз таки и будем испытывать. Схема должна получиться вот такая:

Рис.4

Данную схему необходимо дополнить измерительными приборами, измерять будем ток и напряжение, соответственно нужны вольтметр (VMeter) и амперметр (AMeter).

Рис.5

Для наглядности выходная цепь окрашена в оранжевый цвет, а входная в красный. Изменять мы будем только один компонент нашей схемы — I1 источник тока. Этот источник формирует входной ток транзистора, ток базы или смещение. Будем пользоваться этим удобным словом, хотя под ним как правило подразумевают смещение рабочей точки при графических методах определения режима работы.

Начальная установка тока смещения 0.000А. AMeter на выходе показывает 0.000А, транзистор закрыт и не пропускает ток. Установим ток в 0.001А(1мА):

Рис.6

Получили ток на выходе — 0.100А. Увеличим ток смещения до 0.005А:

Рис.7

Получили ток на выходе — 0.500А. Увеличим ток смещения до 0.010А:

Рис.8

Получили ток на выходе — 1.000А. Как видите наблюдается соответствие — выходной ток ровно в 100 раз превосходит входной. Это называется коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (h21, hЭ), один из самых важных параметров любого транзистора. Причем этот параметр имеет такую большую важность именно для биполярного транзистора.
Во всех случаях чем больше этот коэффициент тем лучше, если конечно это не идет в ущерб другим параметрам. Например у свч и у мощных транзисторов h21 редко превышает несколько десятков. У маломощных среднечастотных может достигать 1000. Если вы встретите транзистор с h21 в несколько тысяч или десятки тысяч — 100% это дарлингтон.

Увеличим ток смещения до 0.020А:

Рис.9

И здесь произошел облом, h21 не сработал, ток на выходе не достиг 2.000А. Это потому, что транзистор полностью открылся и дальнейшего увеличения тока ожидать не следует. В такой ситуации говорят, что транзистор находится в состоянии насыщения. Можно сказать что экспериментальным путем мы определили, что, напряжение насыщения коллектор-эмиттер при токе 1.187 ампер равно 0.13 вольт для данного транзистора. Данный параметр всегда приводят в даташитах на транзисторы, причем для нескольких значений токов.

Посмотрите как меняется напряжение на базе при изменении тока смещения. Напряжение меняется совсем незначительно. Дело в том что на входе транзистора pn переход смещенный в прямом направлении.
Для pn перехода характерно пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление. Пороговое напряжение — это максимальное напряжение на переходе, при котором ток равен нулю. Для нашего транзистора это примерно 0,8В. Дифференциальное сопротивление — сопротивление которое уменьшается при увеличении протекающего тока. То есть непостоянное сопротивление. При пороговом напряжении в 0,8В транзистор будет находится в закрытом состоянии, но можно подать на базу напряжение всего лиш на 200мВ больше и транзистор полностью откроется (перейдет в режим насыщения).

Данная экспериментальная схема почти не применима на практике. Все портит источник тока, необходимый для работы транзистора. Идеальный источник тока невозможен, а реальные источники тока — штука очень не простая. Поэтому в реальности для задания базового смещения используют различные цепочки состоящие из резисторов, конденсаторов, диодов, других транзисторов и т.д.

Например допустим нам нужно управлять транзисторов в данной схеме логическими уровнями 5В. Логический 0 будет соответствовать напряжению 0В и транзистор должен быть закрыт. Логической 1 будет соответствовать напряжение 5В и транзистор должен полностью открыться.

На рисунке 10 изображена доработанная схема. На данной схеме транзистором можно управлять пяти вольтовыми логическими уровнями. Резистор R2 номиналом 220 Ом, резистор R3 номиналом 1 кОм (1000 Ом). Кнопка SB1 не нажата, значит на входе логический 0 и транзистор закрыт, выходное напряжение равно напряжению источника питания (12В).

Рис.10

На рисунке 11 та же схема, только с нажатой кнопкой. На входе логическая 1, транзистор полностью открыт, на выходе напряжение примерно равно нулю (0.13В).

Рис.11

На этом всё.

Оставьте первый комментарий к статье «Биполярный транзистор»

Добавить комментарий