Транзистор

Транзистор - полупроводниковый прибор позволяющий с помощью слабого сигнала управлять более сильным сигналом. Из-за такого свойства часто говорят о способности транзистора усиливать сигнал. Хотя фактически, он ничего не усиливает, а просто позволяет включать и выключать большой ток гораздо более слабыми токами. Транзисторы весьма распространены в электронике, ведь вывод любого контроллера редко может выдавать ток более 40 мА, поэтому, даже 2-3 маломощных светодиода уже не получится питать напрямую от микроконтроллера. Тут на помощь и приходят транзисторы. В статье рассматриваются основные типы транзисторов, отличия P-N-P от N-P-N биполярных транзисторов, P-channel от N-channel полевых транзисторов, рассматриваются основные тонкости подключения транзисторов и раскрываются сферы их применения.

Не стоит путать транзистор с реле. Реле — простой выключатель. Суть его работы в замыкании и размыкании металлических контактов. Транзистор устроен сложнее и в основе его работы лежит электронно-дырочный переход. Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть прекрасное видео, которое описывает работу транзистора от простого к сложному. Пусть вас не смущает год производства ролика — законы физики с тех пор не изменились, а более нового видео, в котором так качественно преподносится материал, найти не удалось:

Типы транзисторов

Биполярный транзистор

Биполярный транзисто предназначен для управления слабыми нагрузками (например, маломощные моторы и сервоприводы). У него всегда есть три вывода:

Коллектор (англ. collector) - подаётся высокое напряжение, которым транзистор управляет

• База (англ. base) - подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистора

Эмиттер (англ. emitter) - «выпускной» вывод транзистоа. Через него вытекает ток от коллектора и базы.

Биполярный транзистор управляется током. Чем больший ток подаётся на базу, тем больший ток потечёт от коллектора к эмиттеру. Отношение тока, проходящего от эмиттера к коллектору к току на базе транзистора называется коэффициент усиления. Обозначается как h fe (в английской литературе называется gain ).

Например, если h fe = 150, и через базу проходит 0.2 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 30 мА. Если подключен компонент, который потребляет 25 мА (например, светодиод), ему будет предоставлено 25 мА. Если же подключен компонент, который потребляет 150 мА, ему будут предоставлены только максимальные 30 мА. В документации к контакту указываются предельно допустимые значени токов и напряжений база->эмиттер и коллектор-> эмиттер . Превышение этих значений ведёт к перегреву и выходу из строя транзистора.

Весёлые картинки:

NPN и PNP биполярные транзисторы

Различают 2 типа полярных транзисторов: NPN и PNP . Отличаются они чередованием слоёв. N (от negative — отрицательный) - это слой с избытком отрицательных переносчиков заряда (электронов), P (от positive — положительный) - слой с избытком положительных переносчиков заряда (дырок). Подробнее о электронах и дырках рассказано в видео, приведённом выше.

От чередования слоёв зависит поведение транзисторов. На анимации выше представлен NPN транзистор. В PNP управление транзистором устроено наоборот — ток через транзистор течёт, когда база заземлена и блокируется, когда через базу пропускают ток. В отображении на схеме PNP и NPN отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает на переход от N к P :

Обозначение NPN (слева) и PNP (справа) транзисторов на схеме

NPN транзисторы более распространены в электронике, потому что являются более эффективными.

Полевый транзистор

Полевые транзисторы отличаются от биполярных внутренним устройством. Наиболее распространены в любительской электронике МОП транзисторы. МОП - это аббревиатура от металл-оксид-проводник. То-же самое по английски: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor сокращённо MOSFET. МОП транзисторы позволяют управлять большими мощностями при сравнительно небольших размерах самого транзистора. Управление транзистором обеспечивается напряжением, а не током. Поскольку транзистором управляет электрическое поле , транзистор и получил своё название - поле вой.

Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:

Сток (англ. drain) - на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

Затвор (англ. gate) - на него подаётся напряжение для управления транзистором

Исток (англ. source) - через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

Здесь должна быть анимация с полевым транзистором, но она ничем не будет отличаться от биполярного за исключением схематического отображения самих транзисторов, поэтому анимации не будет.

N канальные и P канальные полевые транзисторы

Полевые транзисторы тоже делятся на 2 типа в зависимости от устройства и поведения. N канальный (N channel) открывается, когда на затвор подаётся напряжение и закрывается. когда напряжения нет. P канальный (P channel) работает наоборот: пока напряжения на затворе нет, через транзистор протекает ток. При подаче напряжения на затвор, ток прекращается. На схеме полевые транзисторы изображаются несколько иначе:

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Существует заблуждение, согласно которому полевой транзистор может управлять переменным током. Это не так. Для управления переменным током, используйте реле.

Транзистор Дарлингтона

Транзистора Дарлингтона не совсем корректно относить к отдельному типу транзисторов. Однако, не упомянуть из в этой статье нельзя. Транзистор Дарлингтона чаще всего встречается в виде микросхемы, включающей в себя несколько транзисторов. Например, ULN2003. Транзистора Дарлингтона характеризуется возможность быстро открываться и закрывать (а значит, позволяет работать с ) и при этом выдерживает большие токи. Он является разновидностью составного транзистора и представляет собой каскадное соединение двух или, редко, более транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка эмиттера предыдущего транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов.

Подключение транзистора

Не секрет, что плата Ардуино способна подать на вывод напряжение 5 В с максимальным током до 40 мА. Этого тока не хватит для подключения мощной нагрузки. Например, при попытке подключить к выводу напрямую светодиодную ленту или моторчик, вы гарантированно повредите вывод Ардуино. Не исключено, что выйдет из строя всё плата. Кроме того, некоторые подключаемые компоненты могут требовать напряжения более 5 В для работы. Обе эти проблемы решает транзистор. Он поможет с помощью небольшого тока с вывода Ардуино управлять мощным током от отдельного блока питания или с помощью напряжения в 5 В управлять бОльшим напряжением (даже самые слабые транзисторы редко имеют предельное напряжение ниже 50 В). В качестве примера рассмотрим подключение мотора:

На приведённой схеме мотор подключается к отдельному источнику питания. Между контактом мотора и источником питания для мотора мы поместили транзистора, который будет управляться с помощью любого цифрового пина Arduino. При подаче на вывод контроллера сигнала HIGH с вывода контроллера мы возьмём совсем небольшой ток для открытия транзистора, а большой ток потечёт через транзистор и не повредит контроллер. Обратите внимание на резистор, установленный между выводом Ардуино и базой транзистора. Он нужен для ограничения тока, протекающего по маршруту микроконтроллер - транзистор - земля и предотвращения короткого замыкания. Как упоминалось ранее, максимальный ток, который можно взять с вывода Arduino - 40 мА. Поэтому, нам понадобится резистор не менее 125 Ом (5В/0,04А=125Ом). Можно без опаски использовать резистор на 220 Ом. На самом деле, резистор стоит подбирать с учётом тока, который необходимо подать на базу для получения необходимого тока через транзистор. Для правильного подбора резистора нужно учитывать коэффициент усиления (h fe ).

ВАЖНО!! Если вы подключаете мощную нагрузку от отдельного блока питания, то необходимо физически соединить между собой землю («минус») блока питания нагрузки и землю (пин «GND») Ардуино. Иначе управлять транзистором не получится.

При использовании полевого транзистора, токоограничительный резистор на затворе не нужен. Транзистор управляется исключительно напряжением и ток через затвор не течёт.

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые . Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры... Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю - коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях - во "включенном" и "выключенном". Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора - это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду.
Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN - положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда - электроны, а в PNP - дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер
Uбэ = напряжение база-эмиттер
Ic = ток коллектора
Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный - открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер.
Постоянное напряжение коллектор – база.
Постоянное напряжение эмиттер – база.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Постоянный/импульсный ток коллектора.
Коэффициент передачи по току
Максимально допустимый ток
Входное сопротивление
Рассеиваемая мощность.
Температура p-n перехода.
Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб<0).

К биполярным транзисторам могут быть отнесены однопереходные транзисторы, таковым является например КТ117. Такой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n переходом. Однопереходный транзистор состоит из двух баз и эмиттера.

В последнее время в схемах часто стали применять составные транзисторы, называют их парой или транзисторами Дарлингтона, они обладают очень высоким коэффициентом передачи тока, состоят они из двух или более биполярных транзисторов, но выпускаются и готовые транзисторы в одном корпусе, таким является например TIP140. Включаются они с общим коллектором, если соединить два транзистора, то они будут работать как один, включение показано на рисунке ниже. Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора.

Некоторые недостатки составного транзистора: низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер почти в два раза больше чем в обычном транзисторе. Ну и само собой, потребуется больше места на плате.

Проверка биполярных транзисторов

Поскольку транзистор состоит из двух переходов, причем каждый из них представляет собой полупроводниковый диод, проверить транзистор можно так же, как проверяют диод. Проверка транзистора обычно осуществляется омметром, проверяют оба p-n перехода транзистора: коллектор – база и эмиттер – база. Для проверки прямого сопротивления переходов p-n-p транзистора минусовой вывод омметра подключается к базе, а плюсовой вывод омметра – поочередно к коллектору и эмиттеру. Для проверки обратного сопротивления переходов к базе подключается плюсовой вывод омметра. При проверке n-p-n транзисторов подключение производится наоборот: прямое сопротивление измеряется при соединении с базой плюсового вывода омметра, а обратное сопротивление – при соединении с базой минусового вывода. Транзисторы так же можно прозванивать цифровым мультиметром в режиме прозвонки диодов. Для NPN красный щуп прибора "+" присоединяем к базе транзистора, и поочередно прикасаемся черным щупом "-" к коллектору и эмиттеру. Прибор должен показывать некоторое сопротивление, примерно от 600 до 1200. Затем меняем полярность подключения щупов, в этом случае прибор ничего не должен показывать. Для структуры PNP порядок проверки будет обратным.

Несколько слов хочу сказать про MOSFET транзисторы (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor), (Метал Оксид Полупроводник (МОП)) – это полевые транзисторы, не путать с обычными полевиками! У полевых транзисторов три вывода: G - затвор, D - сток, S – исток. Различают N канальный и Р, в обозначении данных транзисторов имеется диод Шоттки, он пропускает ток от истока к стоку, и ограничивает напряжение сток – исток.

Применяются они в основном для коммутации больших токов, управляются они не током, как биполярные транзисторы, а напряжением, и как правило, имеет очень малое сопротивление открытого канала, сопротивление канала величина постоянная и не зависит от тока. MOSFET транзисторы специально разработаны для ключевых схем, можно сказать как замена реле, но в некоторых случаях можно и усиливать, применяются в мощных усилителях НЧ.

Плюсы у данных транзисторов следующие:
Минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току
Лучшие характеристики, например большая скорость переключения.
Устойчивость к большим импульсам напряжения.
Схемы, где применяются такие транзисторы, обычно более простые.

Минусы:
Стоят дороже, чем биполярные транзисторы.
Боятся статического электричества.
Наиболее часто для коммутации силовых цепей применяют MOSFET с N-каналом. Напряжение управления должно превышать порог 4 В, вообще, необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Напряжение управления - это напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET транзистора.

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым, например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

ТЕМА 4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1 Устройство и принцип действия

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и пригодный для усиления мощности.

Выпускаемые в настоящее время биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам:

По материалу: германиевые и кремниевые;

По виду проводимости областей: типа р-n-р и n-p-n;

По мощности: малой (Рмах £ 0,3Вт), средней (Рмах £ 1,5Вт) и большой мощности (Рмах > 1,5Вт);

По частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок (или основными и неосновными). Отсюда их название – биполярные.

В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно транзисторы с плоскостными р-n- переходами.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематично на рис. 4.1.

Он представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электронную электропроводность.

Транзисторы типа р-n-р имеют среднюю область с электронной, а крайние области с дырочной электропроводностью.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р-n- перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Площадь эмиттерного перехода меньше площади коллекторного перехода.

Эмиттером называется область транзистора назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Концентрация основных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основных носителей заряда в базе, а их концентрация в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтому проводимость эмиттера на несколько порядков выше проводимости базы, а проводимость коллектора несколько меньше проводимости эмиттера.

От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере транзистора р-n-р –типа, включенного по схеме с общей базой (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Принцип действия биполярного транзистора (р-n-р- типа)

Внешние напряжения двух источников питания ЕЭ и Ек подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении (прямое напряжение), а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении (обратное напряжение).

Если к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток Iко (единицы микроампер). Этот ток возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход. Обратный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, −Ек. Величина обратного тока коллектора не зависит от напряжения на коллекторе, но зависит от температуры полупроводника.

При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектирование (впрыскивание) дырок в базу.

Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этом дырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. При малой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источника питания Ек. Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы IБ.

Под действием обратного напряжения Ек потенциальный барьер коллекторного перехода повышается, толщина перехода П2 увеличивается. Но потенциальный барьер коллекторного перехода не создает препятствия для прохождения через него дырок. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в сильное ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным напряжением, и экстрагируются (втягиваются) коллектором, создавая коллекторный ток Iк. Коллекторный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, -Ек.

Таким образом, в транзисторе протекает три тока: ток эмиттера, коллектора и базы.

В проводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направлены встречно. Следовательно, ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: IБ = IЭ − IК.

Физические процессы в транзисторе типа n-р-n протекают аналогично процессам в транзисторе типа р-n-р.

Полный ток эмиттера IЭ определяется количеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток Iк. Незначительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы IБ. Следовательно, ток эмиттера разделятся на токи базы и коллектора, т.е. IЭ = IБ + Iк.

Ток эмиттера является входным током, ток коллектора – выходным. Выходной ток составляет часть входного, т.е.

где a- коэффициент передачи тока для схемы ОБ;

Поскольку выходной ток меньше входного, то коэффициент a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

В схеме с общим эмиттером выходным током является ток коллектора, а входным – ток базы. Коэффициент усиления по току для схемы ОЭ:

(4.3)

Следовательно, коэффициент усиления по току для схемы ОЭ составляет десятки единиц.

Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому транзистор- прибор, управляемый током.

Изменения тока эмиттера, вызванные изменением напряжения эмиттерного перехода, полностью передаются в коллекторную цепь, вызывая изменение тока коллектора. А т.к. напряжение источника коллекторного питания Ек значительно больше, чем эмиттерного Еэ, то и мощность, потребляемая в цепи коллектора Рк, будет значительно больше мощности в цепи эмиттера Рэ. Таким образом, обеспечивается возможность управления большой мощностью в коллекторной цепи транзистора малой мощностью, затрачиваемой в эмиттерной цепи, т.е. имеет место усиление мощности.

4.2 Схемы включения биполярных транзисторов

В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов (электрод) является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Эти схемы для транзистора типа р-n-р приведены на рис. 4.3. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора (в активном режиме) полярность включения источников питания должна быть выбрана так, чтобы эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Рисунок 4.3 – Схемы включения биполярных транзисторов: а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК

4.3 Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

4.3.1 Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (рис. 4.4, а).

IК = f(UКБ) при IЭ = const (рис. 4.4, б).

Рисунок 4.4 – Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ

Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ (нелинейная начальная область); 2 – слабая зависимость Iк от UКБ (линейная область); 3 – пробой коллекторного перехода.

Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.

4.3.2 Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ:

Входной характеристикой является зависимость:

IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (рис. 4.5, б).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКЭ) при IБ = const (рис. 4.5, а).

Рисунок 4.5 – Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ

Транзистор в схеме ОЭ дает усиление по току. Коэффициент усиления по току в схеме ОЭ: Если коэффициент a для транзисторов a = 0,9¸0,99, то коэффициент b = 9¸99. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме ОЭ, чем, в частности, определяется более широкое практическое применение этой схемы включения по сравнению со схемой ОБ.

Из принципа действия транзистора известно, что через вывод базы протекают во встречном направлении две составляющие тока (рис. 4.6): обратный ток коллекторного перехода IКО и часть тока эмиттера (1 − a)IЭ. В связи с этим нулевое значение тока базы (IБ = 0) определяется равенством указанных составляющих токов, т.е. (1 − a)IЭ = IКО. Нулевому входному току соответствуют ток эмиттера IЭ=IКО/(1−a)=(1+b)IКО и ток коллектора . Иными словами, при нулевом токе базы (IБ = 0) через транзистор в схеме ОЭ протекает ток, называемый начальным или сквозным током IКО(Э) и равным (1+ b) IКО.

Рисунок 4.6 – Схема включения транзистора с общим эмиттером (схема ОЭ)

4.4 Основные параметры

Для анализа и расчета цепей с биполярными транзисторами используют так называемые h – параметры транзистора, включенного по схеме ОЭ.

Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме ОЭ, характеризуется величинами IБ, IБЭ, IК, UКЭ.

В систему h − параметров входят следующие величины:

1. Входное сопротивление

h11 = DU1/DI1 при U2 = const. (4.4)

представляет собой сопротивление транзистора переменному входному току при котором замыкание на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

2. Коэффициент обратной связи по напряжению:

h12 = DU1/DU2при I1= const. (4.5)

показывает, какая доля входного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие обратной связи в нем.

3. Коэффициент усилия по току (коэффициент передачи тока):

h21 = DI2/DI1при U2= const. (4.6)

показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.

4. Выходная проводимость:

h22 = DI2/DU2 при I1 = const. (4.7)

представляет собой проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.

Выходное сопротивление Rвых = 1/h22.

Для схемы с общим эмиттером справедливы следующие уравнения:

(4.8)

Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы мощность, выделяемая в нем при прохождении коллекторного тока, не превышала некоторой максимальной величины:

(4.9)

Кроме того, существуют ограничения по коллекторному напряжению:

и коллекторному току:

4.5 Режимы работы биполярных транзисторов

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование и т.п.).

4.6 Область применения

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах.

4.7 Простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе

Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 4.7)

Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент – транзисторVT и резистор Rк. Эти элементы образуют главную (выходную) цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы.

Остальные элементы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Ек.

Рисунок 4.7 – Схема простейшего усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером

Резистор RБ, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя IБ » Ек/RБ.

С помощью резистора Rк создается выходное напряжение, т.е. Rк выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Ек = Uкэ + IкRк, (4.10)

т.е сумма падения напряжения на резисторе Rк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания Ек.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх в базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока IБ~, а значит ток базы будет изменяться. Изменение тока базы приводит к изменению значения тока коллектора (IК = bIБ), а значит, к изменению значений напряжений на сопротивлении Rк и Uкэ. Усилительные способности обусловлены тем, что изменение значений тока коллектора в b раз больше, чем тока базы.

4.8 Расчет электрических цепей с биполярными транзисторами

Для коллекторной цепи усилительного каскада (рис. 4.7) в соответствии со вторым законом Кирхгофа справедливо уравнение (4.10).

Вольт – амперная характеристика коллекторного резистора RК является линейной, а вольт – амперные характеристики транзистора представляют собой нелинейные коллекторные характеристики транзистора (рис. 4.5, а), включенного по схеме ОЭ.

Расчет такой нелинейной цепи, т.е определение IK, URK и UКЭ для различных значений токов базы IБ и сопротивлений резистора RК можно провести графически. Для этого на семействе коллекторных характеристик (рис. 4.5, а) необходимо провести из точки ЕК на оси абсцисс вольт – амперную характеристику резистора RК, удовлетворяющую уравнению:

Uкэ = Ек − RкIк. (4.11)

Эту характеристику строят по двум точкам:

Uкэ =Ек при Iк = 0 на оси абсцисс и Iк = Ек/Rк при Uкэ = 0 на оси ординат. Построенную таким образом ВАХ коллекторного резистора Rк называют линией нагрузки. Точки пересечения ее с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (4.11) для данного сопротивления Rк и различных значений тока базы IБ. По этим точкам можно определить коллекторный ток Iк, одинаковый для транзистора и резистора Rк, а также напряжение UКЭ и URK.

Точка пересечения линии нагрузки с одной из статических ВАХ называется рабочей точкой транзистора. Изменяя IБ, можно перемещать ее по нагрузочной прямой. Начальное положение этой точки при отсутствии входного переменного сигнала называют точкой покоя − Т0.

а) б)

Рисунок 4.8 – Графоаналитический расчет рабочего режима транзистора при помощи выходных и входной характеристики.

Точка покоя (рабочая точка) Т0 определяет ток IКП и напряжение UКЭП в режиме покоя. По этим значениям можно найти мощность РКП, выделяющуюся в транзисторе в режиме покоя, которая не должна превышать предельной мощности РК мах, являющейся одним из параметров транзистора:

РКП = IКП ×UКЭП £ РК мах. (4.12)

В справочниках обычно не приводится семейство входных характеристик, а даются лишь характеристики для UКЭ = 0 и для некоторого UКЭ > 0.

Входные характеристики для различных UКЭ, превышающих 1В, располагаются очень близко друг к другу. Поэтому расчет входных токов и напряжений можно приближенно делать по входной характеристике при UКЭ > 0, взятой из справочника.

На эту кривую переносятся точки А, То и Б выходной рабочей характеристики, и получаются точки А1, Т1 и Б1 (рис. 4.8, б). Рабочая точка Т1 определяет постоянное напряжение базы UБЭП и постоянной ток базы IБП.

Сопротивление резистора RБ (обеспечивает работу транзистора в режиме покоя), через который от источника ЕК будет подаваться постоянное напряжение на базу:

(4.13)

В активном (усилительном) режиме точка покоя транзистора То находится примерно посередине участка линии нагрузки АБ, а рабочая точка не выходит за пределы участка АБ.

Рассмотрим кратко работу n-р-n -транзистора. На границе раздела полупроводников с n (электронной)- и р (дырочной)-типами проводимостей за счет диффузии возникает область разноименных объемных зарядов. Она образована ионизированными атомами акцепторной и донорной примесей и обеднена подвижными носителями заряда: электронами и дырками. Поле контактной разности потенциалов, образующееся между зарядами, представляет собой потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Если на эмиттерный переход подано прямое смещение (как показано на рис. 4), то потенциальный барьер уменьшается, и из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны. Концентрация дырок в базе обычно существенно ниже концентрации электронов в эмиттере, и инжекцией дырок в эмиттер можно пренебречь. Поэтому ток эмиттера i 3 образуется электронной составляющей потока носителей. Инжектированные из эмиттера электроны являются в базе неосновными носителями зарядов и будут, главным образом за счет диффузии, двигаться сквозь базу по направлению к коллекторному переходу. На коллектор относительно базы подается положительное напряжение, что соответствует обратному смещению коллекторного перехода. Достигшие коллекторного перехода электроны втягиваются его полем в область коллектора и образуют ток коллектора i к. Так как толщина базы мала, а концентрация дырок в ней невелика, то только небольшая часть электронов рекомбинирует (объединяется) с дырками базы; остальные электроны достигают коллекторного перехода. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы i б.

Между токами эмиттера, базы и коллектора существуют очевидные соотношения:

где α - коэффициент передачи тока эмиттера; он принимает, в зависимости от типа транзистора, значения в интервале от 0,95 до 0,99. Из приведенных соотношений получаем зависимость тока коллектора от тока базы:

Параметр (3)

называется коэффициентом передачи тока базы и составляет 20÷100. Говорят, что в транзисторе происходит усиление тока базы.

3.3. Вольтамперные характеристики биполярного
транзистора в схеме с общим эмиттером

Свойства биполярного транзистора определяются семействами статических вольтамперных характеристик, которые выражают взаимосвязь его токов и напряжений. Вид этих характеристик зависит от схемы включения транзистора. Наиболее популярной является схема с общим эмиттером (рис. 5). Входными характеристиками является семейство i б = F (u бэ) при u кэ = const (рис. 6, a). Они подобны характеристикам полупроводникового диода. Выходные характеристики представляют семейство i к = F (u кэ) при

i б = const (рис. 6, б).

При малом u кэ, когда i б >0 (т.е. u бэ ≥ 0,6 В), коллекторный переход (как и эмиттерный) оказывается смещенным в прямом направлении, поэтому не все инжектированные в базу электроны попадают в область коллектора.

Транзистор работает здесь в режиме насыщения , так как увеличение тока базы не приводит к увеличению тока коллектора. Соответствующие этому режиму характеристики сливаются в линию Б . Далее с ростом u кэ ток коллектора i к сначала быстро растет, а затем почти не изменяется.

С увеличением тока базы, который является частью тока эмиттера, ток коллектора также возрастает, и статические характеристики смещаются вверх. Транзистор работает здесь в активном режиме и выступает как регулятор тока. Следует отметить довольно высокую линейность связи коллекторного и базового токов, что проявляется в эквидистантном расположении пологих участков коллекторных характеристик. Наконец, при обратном смещении эмиттерного перехода (т.е. u бэ < 0,6 В) последний заперт, и через транзистор протекает неуправляемый (его называют сквозным) ток i кэс. Такой режим называется режимом отсечки тока. Характеристика i б = 0 (линия А) разделяет области активного режима и отсечки.

3.4. Описание транзистора h-параметрами и его
эквивалентная схема

При анализе транзисторных схем в режиме малого сигнала транзистор удобно представлять в виде линейного четырехполюсника (рис. 7) и описывать связь токов и напряжений на входе и выходе четырьмя параметрами. Для описания транзисторов обычно используют удобные в измерении так называемые гибридные h -параметры; введем их.

Возьмем в качестве независимых переменных входной ток i 1 и выходное напряжение u 2 . Тогда входное напряжение u 1 и выходной ток i 2 будут некоторыми нелинейными функциями выбранных независимых переменных:

При малых изменениях токов и напряжений приращения входного напряжения и выходного тока для активной области можно записать в виде

Здесь производные вычисляются для некоторых постоянных значений тока и напряжения I 1,0 , U 2,0 , которые характеризуют режим транзистора по постоянному току. Обозначим эти константы

Роль малых приращений могут играть малые переменные токи и напряжения с амплитудами I 1 , I 2 и U 1 , U 2 . Тогда зависимость между переменными токами и напряжениями в транзисторе будет описываться системой линейных уравнений с h -параметрами:

(4а)

. (4б)

Согласно (4), параметр h 11 является входным сопротивлением транзистора, а h 21 - коэффициентом передачи тока при коротком замыкании выхода (U 2 = 0); h 22 - выходная проводимость, а h 12 - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе (I 1 = 0). Параметр h 21 равен α для схемы с общей базой и β - для схемы с общим эмиттером.

Конкретные значения h -параметров различаются для разных типов транзисторов, схем их включения и режима по постоянному току I 1,0 , U 2,0 ; h -параметры могут быть также вычислены из статических вольт-амперных характеристик транзистора, если последние известны.

В соответствии с уравнениями (4) транзистор формально можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 8. Генератор тока h 21 I 1 , в выходной цепи учитывает эффект усиления тока, а генератор h 12 U 2 отражает наличие напряжения обратной связи во входной цепи.

Эквивалентная схема данного вида может использоваться для исследования транзисторных схем при малом гармоническом сигнале в широком диапазоне частот. В этом случае уравнения (4) записываются для комплексных амплитуд токов и напряжений, а сами h -параметры будут зависящими от частоты комплексными величинами. Для относительно низких частот h -параметры можно считать константами для выбранного режима транзистора по постоянному току. Например, для кремниевого n-р-n -транзистора КТ315Б при I к0 = 1 мА, U кэ0 = 10 В h -параметры в схеме с общим эмиттером обычно лежат в интервалах значений:

Статье мы с вами разобрали такой важный параметр транзистора, как коэффициент бета (β) . Но есть в транзисторе еще один интересный параметр. Сам по себе он ничтожный, но делов может наделать ого-го! Это все равно что галька, которая попала в кроссовок легкоатлету: вроде бы маленькая, а причиняет неудобство при беге. Так чем же мешает эта самая «галька» транзистору? Давайте разберемся…

Прямое и обратное включение PN-перехода

Как мы помним, транзистор состоит из трех полупроводников. , который у нас база-эмиттер называется эмиттерным переходом , а переход, который база-коллектор — коллекторным переходом.

Так как в данном случае у нас транзистор NPN, значит ток будет течь от коллектора к эмиттеру, при условии, что мы будем открывать базу, подавая на нее напряжение более чем 0,6 Вольт (ну чтобы транзистор открылся).

Давайте гипотетически возьмем тонкий-тонкий ножик и вырежем эмиттер прямо по PN-переходу. У нас получится как-то вот так:

Стоп! У нас что, получился диод ? Да, он самый! Помните, в статье вольтамперная характеристика (ВАХ) мы рассматривали ВАХ диода:

В правой части ВАХ мы с вами видим как веточка графика очень резко взлетела вверх. В этом случае мы подавали на диод постоянное напряжение вот таким образом, то есть это было прямое включение диода.

Диод пропускал через себя электрический ток. Мы с вами даже проводили опыты с прямым и обратным включением диода. Кто не помнит, можно прочитать .

Но если поменять полярность

то диод у нас не будет пропускать ток. Нас всегда так учили, и в этом есть доля правды, но… наш мир не идеален).

Принцип работы PN-перехода? Мы его представляли как воронку. Так вот, для этого рисуночка

наша воронка будет перевернута горлышком к потоку

Направление потока воды — это направление движения электрического тока. Воронка — это и есть диод. Но вот вода, которая попала через узкое горлышко воронки? Как же ее можно назвать? А называется она обратный ток PN перехода (I обр) .

А как вы думаете, если прибавить скорость течения воды, увеличится ли количество воды, которое пройдет через узкое горлышко воронки? Однозначно! Значит, если прибавлять напряжение U обр , то и увеличится обратный ток I обр , что мы с вами и видим в левой части на графике ВАХ диода:

Но до какого предела можно увеличивать скорость потока воды? Если она будет очень большой, наша воронка не выдержит, стенки треснут и она разлетится по кусочкам, так ведь? Поэтому на каждый диод можно найти такой параметр, как U обр.макс , превышение которого для диода равнозначно летальному исходу.

Например, для диода Д226Б:

U обр.макс = 500 Вольт, а максимальное обратное импульсное U обр. имп.макс = 600 Вольт. Но имейте ввиду, что электронные схемы проектируют, как говорится «с 30% запасом». И если даже в схеме обратное напряжение на диоде будет 490 Вольт, то в схему поставят диод, который выдерживает более 600 Вольт. С критическими значениями лучше не играть). Импульсное обратное напряжение — это резкие всплески напряжения, которые могут достигать амплитудой до 600 вольт. Но здесь тоже лучше взять с небольшим запасом.

Так… а что я это все про диод да про диод… Мы же вроде как транзисторы изучаем. Но как ни крути, диод — кирпичик для построения транзистора. Значит, если приложить к коллекторному переходу обратное напряжение, то у нас через переход потечет обратный ток, как в диоде? Именно так. И называется такой параметр в транзисторе . У нас он обозначается как I КБО , у буржуев — I CBO . Расшифровывается как «ток между коллектором и базой, при открытом эмиттере» . Грубо говоря, ножка эмиттера никуда не цепляется и висит в воздухе.

Чтобы замерять обратный ток коллектора, достаточно собрать вот такие простенькие схемки:

Для NPN транзистора для PNP транзистора

У кремниевых транзисторов обратный ток коллектора меньше, чем 1 мкА, у германиевых: 1-30 мкА. Так как у меня замеряет только от 10 мкА, а германиевых транзисторов под рукой нет, то провести этот опыт я не смогу, так как разрешение прибора не позволяет.

Мы так и не ответили на вопрос, почему обратный ток коллектора имеет такое важное значение и приводится в справочниках? Все дело в том, что при работе транзистор рассеивает какую-то мощность в пространство, значит нагревается. Обратный ток коллектора очень сильно зависит от температуры и на каждые 10 градусов по Цельсию увеличивает свое значение в два раза. Не, ну а что такого? Пусть возрастает, никому же вроде не мешает.

Влияние обратного коллекторного тока

Все дело в том, что в некоторых схемах включения часть этого тока проходит через эмиттерный переход. А как мы с вами помним, через эмиттерный переход течет базовый ток. Чем больше управляющий ток (ток базы) тем больше управляемый (ток коллектора). Это мы с вами рассматривали еще в статье. Следовательно, малейшее изменение базового тока ведет к большому изменению коллекторного тока и вся схема начинает работать неправильно.

Как борются с обратным коллекторным током

Значит, самый главный враг транзистора — это температура. Как же с ней борются разработчики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)?

— используют транзисторы, у которых обратный коллекторный ток имеет очень малое значение. Это, конечно же, кремниевые транзисторы. Небольшая подсказка — маркировка кремниевых транзисторов начинается с букв «КТ», что означает К ремниевый Т ранзистор.

— использование схем, которые минимизируют обратный ток коллектора.

Обратный ток коллектора — важный параметр транзистора. Он приводится в даташите на каждый транзистор. В схемах, которые используются в экстремальных температурных условиях, обратный ток коллектора будет играть очень большую роль. Поэтому, если собираете схему, где не используется радиатор и вентилятор, то, конечно же, лучше взять транзисторы с минимальным обратным коллекторным током.