Что такое транзистор: для чего нужен, как работает

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не
требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель,
который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в
воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё
один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то
обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая
магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при
отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение
обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или
даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени
относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем
сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не
понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько
усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток
только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание
контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить
резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него
идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле
перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор
R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять,
например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения
реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь — ток удержания,
— максимальный ток, — максимальное напряжение,
— отпирающий ток.

Реле

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой,
причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно
использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также
улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле
HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать
нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается
несколькими недостатками:

• это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
• меньшая скорость переключения,
• сравнительно большие токи для переключения,
• контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных
реле. Это,
фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой,
содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Заключение

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления
нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может
возникнуть перед радиолюбителем.

Полезные источники

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
8. Управление MOSFET-ами #1
9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Что такое транзистор

Предлагаю тебе, мой уважаемый начинающий электронщик, прочесть эту статью, в которой я описал, пожалуй, самый основной из существующих электронных компонентов — транзистор.

Изобретение транзистора в ХХ веке по праву является одним из значимых событий, транзистор как электронный компонент пришел на смену электронным лампам. Электронные лампы на тот период времени, безраздельно служили во всех радиоэлектронных устройствах, при этом электронные лампы имели множество недостатков. Одним из самых значительных недостатков была их большая потребляемая мощность, так – же лампы имели очень большой вес и габариты, но при этом не отличались механической прочностью. Электронная аппаратура становилась все сложнее, большое количество электронных ламп требовало большего потребления энергии, возросло количество отказов техники — к примеру вычислительные машины (компьютеры того времени) собранные на лампах, могли работать без поломок лишь считанные минуты, а габариты этих “компьютеров” были таковы, что занимали целый многоэтажный дом.

Полупроводниковый транзистор лишен всех тех недостатков которые присущи электронным лампам и во многом превосходит их. Низкое энергопотребление, малый вес и размер, а механическая прочность такова, что если сбросить современный транзистор с высоты 10го этажа с ним ничего не случится.

Первый транзистор разработали ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен, в 1956 году они были удостоены нобелевской премии. Теперь эти имена известны всему миру.

И так, давай поближе познакомимся с этим замечательным электронным компонентом.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Расчёт ключевой схемы

Как же рассчитать элементы «обвязки» транзистора? Во-первых, необходимо, как и в случае любой другой схемы понять, что необходимо получить и что приходит на вход.

1. Рассчитывают ток

протекающийчерез коллектор :

, где

Upit – напряжение питания,

RК – сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток

3. Рассчитывают сопротивление

базового резистора Rб:

Uвх – напряжение на входе ключевого каскада.

Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора в двух состояниях

: насыщения и отсечки. Ссостоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит всостоянии отсечки транзистора , когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в видеблуждающих токов , да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление RБЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составиломеньше, чем 0,6 В . Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора для чайников опишем на образце P→N→P транзисторного аппарата на рисунке 3. Принцип работы биполярного транзистора N→P→N вида сходен переходу в прямом направлении, только в этом случае заряды — электрические частицы движутся от «К» до «Э». Для выполнения данного условия необходимо всего на всего изменить полярность подключенного напряжения.

Рисунок 3 — Принцип работы P→N→P транзистора

При отсутствии внешних возмущений, внутри биполярника между его слоями будет существовать разность зарядов. На границах раздела будут установлены единые барьерные мосты, так как в это время доля «дырок» в коллекторе соответствует их численности в эмиттере.

Для точной работы биполярного транзистора переход в коллекторном пласте необходимо сместить в противоположном курсе, в то же время в эмиттере направленность перехода должна быть прямым. В этом случае режим функционирования будет активным.

Для выполнения вышеуказанных условий необходимо применить два питания, один из которых с положительным знаком соединяем с концом эмиттера, «минус» подключаем к базовому слою. Второй источник напряжения соединяем в следующем порядке: «плюс» к базовому концу, «минус» — к концу коллектора. Изобразим подключение на рисунке 4.

Рисунок 4 — Принципиальная схема подключения транзистора

Под воздействием напряжения Uэ, Uк через барьеры совершается переход дырок в эмиттере №1-5 и в базовом слое электрически заряженных частиц №7,8. В данном случае величина тока в эмиттере будет зависеть от количества переходов дырок, так как их больше.

Дырки, которые перешли в базовый слой собираются у барьерного перехода. Тем самым у границы с эмиттерным слоем будет собираться массовое количество дырок, в то же время у границы с «К», концентрация их существенно ниже. В связи с этим начнется диффузия дырок к «К» и близи границы произойдет их ускорение поля «Б» и переход в «К».

При перемещении через средний слой базы дырки рекомбинируют, заряженный электрон 6 замещает дырку 5. Такое перемещение будет совершаться с увеличением плюсового заряда при переходе дырок, соответственно движение зарядов в обратном направлении будет создавать ток определенной величины, а база остается электрически нейтральной.

Число дырок, которые перешли в коллектор будет меньше числа, которые покинули эмиттер. Это значит, что электрический ток «К» будет отличаться от значения тока «Э».

Обратный переход дырок из коллектора нежелателен и снижает эффективность транзистора, потому что переход осуществляется не основными, а вспомогательными носителями энергии и зависит данный переход сугубо от величины температуры. Данный ток носит название тока тепла. По значению теплового тока судят о качестве биполярного транзистора.

Рисунок 5 — Направление токов в биполярном транзисторе

На основании выше изложенного напрашивается вывод: любое изменение тока в структуре слоев эмиттер — база сопровождается изменением величины тока коллектора, причем самое малое изменение «базового» тока приведет к значимой коррекции выходного коллекторного тока.

Модели транзисторов и эквивалентные схемы

→ Основная статья : Математическое описание биполярного транзистора  и схем замещения биполярного транзистора.

Биполярный транзистор — очень хорошо изученный компонент. Существует множество моделей для описания его поведения, которые облегчают анализ и проектирование схем. Поскольку подробные описания очень обширны, здесь затрагиваются только основы, а более подробная информация разбита на подстатьи. См. Также математическое описание биполярного транзистора и эквивалентных схем биполярного транзистора , а также шум транзистора в виде шума Джонсона при реальных сопротивлениях и дробового шума из-за тока утечки .

Упрощенная модель npn-транзистора

Простая модель состоит из базовых излучающего диода, и ток базы I _Б контролируемой источник тока (более конкретно, на , так как не создается никакой энергии) от коллектора к эмиттеру I _C . Транзистор усиливает ток базы в B раз. Требования для достоверности модели следующие: диод база-эмиттер должен быть поляризован в прямом направлении, а диод база-коллектор — в обратном.

Этот тип описания называется моделью большого сигнала и подразделяется на модель Эберса-Молла, модель переноса и модель Гаммеля-Пуна.

Модель слабого сигнала

Недостатком упомянутых методов является использование нелинейных функций в виде экспоненциальной функции для характеристики диода, что затрудняет математический анализ. Модель слабого сигнала обеспечивает лекарство . Его можно использовать для применения теорий, применимых к линейным цепям.

Параметры определяются в рабочей точке, то есть при определенных граничных условиях. Дифференциальное сопротивление база-эмиттер путь г _BE соответствует касательной к характеристике диода для рабочей точки. Дифференциальное сопротивление коллектор-эмиттер r _CE соответствует наклону выходной характеристики из-за эффекта Раннего . Коэффициент усиления дифференциального тока β завершает описание электрических характеристик. ( Значение h _FE соответствует β.)

напрямую связаны с малосигнальной .

Модель большого сигнала охватывает весь допустимый для рассматриваемого компонента диапазон напряжений. Модель слабого сигнала действительна только в узко ограниченной области вокруг рабочей точки. Дальнейшее подразделение делится на статические и динамические модели. Последние являются более сложными, поскольку они учитывают емкостные свойства барьерных слоев и поэтому подходят для средних и высоких частот.

Как проверить диод и диодные сборки, выполненные на их основе?

У диода, как известно, имеется 2 рабочих электрода – катод и анод. Рабочий диод пропускает ток только в прямом направлении, если подключить красный щуп прибора к аноду, а черный – к катоду. Обратное подключение проводов приводит к тому, что диод запирается, а его сопротивление возрастает практически до бесконечности. Подключая мультиметр в прямом включении, мы будем замечать, что прибор станет индицировать наличие определенного падения напряжения. Как правило, эта величина составляет несколько сотен милливольт. Обратное включение выражается в отсутствии какой-либо индикации прибора. Неисправностей у диода может быть всего две: 1 – обрыв, 2 – короткое замыкание. В первом случае прибор не будет показывать никакого падения напряжения и в прямом, и в обратном включении. Во втором случае – бесконечно малое прямое и обратное сопротивление. Если в приборе есть звуковая индикация, то прибор будет пищать и в прямом, и в обратном включении. Выпрямительные сборки из четырех диодов проверяются путем проверки каждого из четырех диодов выпрямительного моста.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.

1. Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
2. Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
3. Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.

Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он покажет те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении).

Если же тестер покажет какое-то небольшое напряжение, да еще в обоих направлениях, то транзистор однозначно пробит и подлежит замене. Закоротку можно определить и в режиме измерения сопротивления – тестер покажет малое сопротивление.

Встречается (к счастью, достаточно редко) «подлая» неисправность транзисторов. Это когда он поначалу работает, а по истечению некоторого времени (или по прогреву) меняет свои параметры или отказывает вообще.

Если выпаять такой транзистор и проверить тестером, то он успеет остыть до присоединения щупов, и тестер покажет, что он нормальный. Убедиться в этом лучше всего заменой «подозрительного» транзистора в устройстве.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Хорошо бы научиться узнавать – «живы» эти «железки» или нет. Конечно, я дал вам, уважаемые читатели, очень упрощенную картину.

В действительности, работа биполярного транзистора описывается многими формулами, существуют многие их разновидности, но это сложная наука. Желающим копнуть глубже могу порекомендовать чудесную книгу Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».

До встречи на блоге!

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
  • r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • r_б — поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h11∍=rδ+r∍1−α{\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}};

h12∍≈r∍rκ(1−α){\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}};

h21∍=β=α1−α{\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}};

h22∍≈1rκ(1−α){\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе.
Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» — «Коллектор» — вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Похожие записи:

Выбор импульсных зарядных устройств для автомобильного аккумулятора Как подключить бра с выключателем шнурком, цепочкой Гофрированная труба для вытяжки и ее преимущества Расчет токов трехфазного короткого замыкания Схема мостового унч на двух микросхемах tda7294 (170 вт) Как проверить выходное напряжение зарядного устройства. как проверить зарядное устройство мультиметром: значение тока в устройстве