Как работают транзисторы – простое объяснение

Как работают биполярные транзисторы

Начнем с классического биполярного транзистора NPN. Он имеет три вывода:

Блок питания 0…30В / 3А Монтажный комплект для регулируемого блока питания…Подробнее

• База (б — база)
• Коллектор (с — коллектор)
• Отправитель (электронный эмиттер)

Когда транзистор открыт, через него может течь ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет. В приведенном ниже примере транзистор выключен. Это означает, что через него не может проходить ток, поэтому светодиод не загорается.

Для включения транзистора нужно подать на базу относительно эмиттера напряжение около 0,7 В. Если бы у вас была батарея на 0,7 В, вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером, и транзистор включится. Поскольку у большинства из нас нет батареи на 0,7 В, как мы можем включить транзистор?

Одинокий! Переход база-эмиттер транзистора работает как диод. Диод имеет прямое напряжение, которое он «берет» из доступного напряжения питания. Если вы подключите резистор последовательно, остальная часть напряжения будет падать на резисторе. Таким образом, вы автоматически получите около 0,7 В, добавив всего один резистор.

Тот же принцип используется для ограничения тока через светодиод, чтобы он не перегорел.

Если вы также добавите кнопку, вы сможете управлять транзистором и, следовательно, светодиодом, включая и выключая его с помощью кнопки:

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяет усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любой электрический сигнал, как высоких, так и низких частот.
2. Они могут выполнять роль ключа, включая и выключая подачу электрического тока. С этим простым включением и выключением работают все современные процессоры. Транзисторы являются основой всей современной цифровой техники.
3. Генерировать электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно создавать генераторы звука и сигналов.
4. Они могут соответствовать сопротивлению электрических цепей из-за различных механизмов переключения и действовать как ограничители тока. В источниках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также действовать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед ламповыми, ламповые триоды все же имеют ряд преимуществ, среди которых:

• Устойчивость к высоким электромагнитным помехам и помехам. Это не означает, что полупроводниковая технология может выйти из строя из-за помех. Однако при сильной магнитной буре от Солнца (или мощной ЭМИ-атаке ядерных бомб) все p-n-переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумные методы гораздо более устойчивы к таким возмущениям.
• Ламповая технология намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это конструктивные особенности. Поскольку у транзисторов есть p-n переходы, у них есть и своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Имеются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, которые имеют несколько экранирующих сеток, что позволяет уменьшить влияние паразитных емкостей. Примером радиолампы является клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью истребили лампы. Каждая деталь имеет свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторы не ровня лампам. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы все же уступают лампам.

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

Конструкция транзистора

Устройство и принцип работы для начинающих

Технологии работают не только с зарядом электричества, но и с магнитным полем, световыми квантами и фотонами. Принцип работы транзистора заключается в состояниях, между которыми переключается устройство. Противоположные малые и большие сигналы, открытое и закрытое состояние — это двойная работа приборов.

Наряду с полупроводниковым материалом в составе, использованным в виде монокристалла, местами легированного, транзистор в своей конструкции имеет:

• выводы из металла;
• диэлектрические изоляторы;
• корпус транзисторов из стекла, металла, пластмассы, металлокерамики.

До изобретения биполярных или полярных устройств в качестве активных элементов использовались электронные вакуумные лампы. Разработанные для них схемы после модификации используются в производстве полупроводниковых приборов. Их можно соединить между собой как транзистор и использовать, так как многие функциональные свойства ламп подходят для описания работы полевых видов.

Посмотреть это видео на YouTube

Читайте также: Поверхностный насос: устройство, принцип работы, функции по установке и подключению

Преимущества и недостатки замены ламп транзисторами

Изобретение транзисторов является стимулирующим фактором для внедрения инновационных технологий в электронику. В сети используются современные полупроводниковые элементы, по сравнению со старыми ламповыми схемами такие разработки имеют преимущества:

• малые габариты и небольшой вес, что немаловажно для миниатюрной электроники;
• возможность использования автоматизированных процессов при производстве узлов и агрегатов, что снижает затраты;
• использование малых источников тока из-за необходимости низкого напряжения;
• мгновенное включение, не требуется подогрев катода;
• повышение энергоэффективности за счет снижения потерь мощности;
• прочность и надежность;
• слаженное взаимодействие с дополнительными элементами в сети;
• устойчивость к вибрациям и ударам.

Недостатки проявляются в следующих положениях:

• кремниевые транзисторы не работают при напряжении более 1 кВт, лампы эффективны при скорости выше 1-2 кВт;
• при использовании транзисторов в мощных широковещательных сетях или СВЧ-передатчиках необходимо согласование маломощных усилителей, включенных параллельно;
• уязвимость полупроводниковых элементов к воздействию электромагнитного сигнала;
• чувствительная реакция на космические лучи и радиацию, что требует разработки в связи с этим радиационно-стойких микросхем.

Схемы включения

Для работы в одиночной схеме транзистору требуется 2 вывода на входе и выходе. Практически все типы полупроводниковых приборов имеют всего 3 точки подключения. Для выхода из затруднительного положения один из концов назначается суставным. Это приводит к 3 распространенным схемам подключения:

• для биполярного транзистора;
• полярный блок;
• с открытым сливом (коллектором).

Биполярный модуль подключен к общему эмиттеру для усиления напряжения и тока (МА). В других случаях он соответствует контактам цифрового чипа, когда между внешней схемой и внутренней печатной платой имеется большое напряжение. Так работает подключение с общим коллектором, а наблюдается только увеличение тока (ОК). При необходимости повышения напряжения вводится элемент с общей базой (ОБ). Вариант хорошо работает в сложных каскадных схемах, но редко используется в однотранзисторных проектах.

Посмотреть это видео на YouTube

В схему включены полевые полупроводниковые приборы разновидностей МДП и с использованием p-n перехода:

• с общим эмиттером (ОИ) — подключение аналогично ОЭ модуля биполярного типа
• с одним выходом (ОС) — план типа ОК;
• с общим затвором (ОЗ) — аналогичное описание ОБ.

Посмотреть это видео на YouTube

В схемах с открытым стоком транзистор включен с общим эмиттером в составе микросхемы. Выход коллектора не связан с другими частями модуля, а нагрузка идет на внешний контакт. Выбор силы напряжения и силы тока коллектора производится после монтажа проекта. Устройства с открытым стоком работают в схемах с мощными выходными каскадами, драйверами шин, логическими схемами ТТЛ.

Выбор номиналов компонентов схемы

Для выбора необходимых номиналов компонентов необходимо знать еще один важный параметр транзистора — коэффициент усиления.

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор открывается, чтобы больший ток мог течь от коллектора к эмиттеру.

Существует корреляция между величиной этих двух токов. Это называется транзисторным усилением. Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904, коэффициент усиления составляет в среднем около 100. Это означает, что если вы приложите 0,1 мА тока к переходу база-эмиттер, вы получите 10 мА тока в направлении коллектор-эмиттер (100 мА) раз больше).

Каким должно быть сопротивление резистора R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если в качестве источника питания у нас есть батарея на 9 В и мы знаем, что падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В, то на резисторе оно останется 8,3 В. Чтобы найти сопротивление резистора, можно воспользоваться законом Ома:

То есть надо использовать резистор сопротивлением 83 кОм. Это не стандартное значение, поэтому из стандартного номинального диапазона возьмем ближайшее значение, равное 82 кОм.

Резистор R2 предназначен для ограничения тока, проходящего через светодиод. Резистора на 1 кОм будет достаточно.

Как подобрать транзистор

Транзистор NPN является наиболее распространенным типом биполярного транзистора. Но есть еще один тип биполярного транзистора, PNP-транзистор, который работает точно так же, как и NPN-транзистор, только все токи текут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно учитывать, какой ток транзистор может пропустить через себя без повреждений. Это называется током коллектора (Ic).

Характеристики

Поскольку полупроводниковые триоды (транзисторы) изготовлены из полупроводника, на их работу также влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются с помощью схем теплового постсогласования, позволяющих стабилизировать работу транзистора при высоких температурах.

Транзисторы также имеют ВАХ (вольт-амперную характеристику), которая, в отличие от вакуумной техники, быстро насыщается.

Все транзисторы имеют следующие параметры:

• Текущий выигрыш;
• Усиление напряжения;
• Текущий выигрыш;
• Коэффициент обратной связи;
• Текущий коэффициент передачи;
• Входное сопротивление;
• Выходное сопротивление;
• Время включения;
• Максимально допустимый ток и т д.

Для биполярного:

• Коллектор-эмиттер обратного тока;
• Базовая текущая частота передаточного отношения;
• Коллектор обратного тока;
• Частота среза коэффициента передачи тока в цепи с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом существует несколько режимов работы:

• Номинальный режим;
• Задний ход;
• Насыщенность;
• Отрезать;
• Барьер.

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Структура полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нем не проходит через зоны p-n перехода. Заряды перемещаются по регулируемой площади, называемой воротами. Пропускная способность порта регулируется напряжением.

Площадь рп в зоне уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см рис. 9). Следовательно, количество свободных носителей заряда изменяется — от полного разрушения до окончательного насыщения. В результате такого воздействия на затвор регулируется ток на электродах стока (контактах, выводящих обрабатываемый ток). Входящий ток протекает через контакты источника.

Рис. 9. Полевой транзистор с pn-переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Вы видели их формы на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике используются схемы подключения, аналогичные двухполюсному триоду:

• с общим источником — обеспечивает большое усиление тока и мощности;
• схемы с общим затвором, обеспечивающие низкий входной импеданс и низкий коэффициент усиления (ограниченного использования);
• схемы с общим стоком, которые работают так же, как схемы с общим эмиттером.

На рис. 10 показаны различные схемы подключения.

Рис. 10. Изображение принципиальных схем полевого триода

Почти каждая схема способна работать при очень низком входном напряжении.

Как работает MOSFET транзистор

MOSFET-транзистор (полевой транзистор) — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три выхода:

• Ближе (G — ворота)
• Источник (S — источник)
• Слив (D — слив)

N-канальный MOSFET работает так же, как биполярный NPN-транзистор, но с одним важным отличием:

• В биполярном транзисторе NPN ток, протекающий через переход база-эмиттер, определяет величину тока, протекающего через переход коллектор-эмиттер.
• В MOSFET напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток будет течь от стока к истоку.

Следовательно, вам не нужен резистор, включенный последовательно с затвором для MOSFET, как в случае с NPN-транзистором. Вместо этого вам нужен резистор, подключенный между затвором и отрицательным питанием, чтобы надежно выключать транзистор, когда кнопка не нажата:

Поскольку напряжение затвора определяет, какой ток может течь от стока к истоку, рассмотрите возможность добавления резистора последовательно с кнопкой. Это дает вам делитель напряжения, с помощью которого вы можете установить точное напряжение на затворе.

Как работает транзистор в цепи электрического тока?

Основной принцип транзистора заключается в управлении электрическим током с помощью небольшого тока, который является разновидностью управляющего тока. В полевых транзисторах носители заряда перемещаются к коллектору от эмиттера через базу. В легированном проводнике имеется канал между нелегированной подложкой и затвором. Подложка не имеет заряда и не проводит ток. Перед воротами находится обедненная область без носителей заряда.

Таким образом, вся ширина канала ограничена пространством между обедненной областью и пространством между подложкой. Напряжение, прикладываемое к затвору, уменьшает или увеличивает область истощения и, следовательно, ширину самого канала при контроле тока.

Многие начинающие радиолюбители не представляют себе принцип работы транзистора таким образом. Считают, что транзистор способен усилить мощность блока питания, но это далеко не так. Важно понимать, что транзистор управляет большим током коллектора при малом токе, протекающем через базу. Здесь речь идет больше об управлении, чем об усилении.

Принцип работы биполярного транзистора

А теперь попробуем выяснить, как работает транзистор. Не буду вдаваться в подробности о внутреннем устройстве транзисторов, так как эта информация только сбивает с толку. Лучше взгляните на эту картинку.

Это изображение лучше всего объясняет, как работает транзистор. На этой картинке человек управляет током коллектора через реостат. Смотрит на ток базы, если ток базы увеличивается, то человек увеличивает и ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора х21Э. Если упадет ток базы, уменьшится и ток коллектора — реостатом человек поправит.

Эта аналогия не имеет ничего общего с тем, как на самом деле работает транзистор, но облегчает понимание того, как он работает.

Для транзисторов можно отметить правила, призванные облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Горовица У. Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер
2. Как я уже сказал, цепи база-коллектор и база-эмиттер действуют как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется такими ограничениями, как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. Если следовать правилу 1-3, ток коллектора Ik прямо пропорционален току базы Ib. Эту зависимость можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — малый ток базы вызывает большой ток коллектора.

— текущий коэффициент усиления.

Его также называют

В результате вышеизложенного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, это может происходить при недостаточном напряжении база-эмиттер. В результате отсутствует ток базы и, следовательно, ток коллектора.
2. Активный режим транзистора является нормальным режимом работы транзистора. В этом режиме напряжения база-эмиттер достаточна для открытия перехода база-эмиттер. Ток базы достаточен, ток коллектора также доступен. Ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника тока просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться после увеличения тока базы.
4. Режим инвертированного транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняются местами. В результате таких манипуляций сильно страдает коэффициент усиления транзистора. Транзистор изначально не был рассчитан на работу в таком особом режиме.

Чтобы понять, как работает транзистор, нужно посмотреть на конкретные примеры схем, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Импульсный транзистор является одной из схем транзистора с общим эмиттером. Схема на ключевом транзисторе используется очень часто. Эта транзисторная схема используется, например, когда нужно управлять большой нагрузкой через микроконтроллер. Нога контроллера не способна тянуть большую нагрузку, а вот транзистор может. Получается, что контроллер управляет транзистором, а транзистор управляет мощной нагрузкой. Ну, обо всем по порядку.

Основная суть этого режима в том, что ток базы управляет током коллектора. Кроме того, ток коллектора намного больше, чем ток базы. Здесь невооруженным глазом видно, что происходит текущее усиление сигнала. Это усиление осуществляется за счет энергии блока питания.

На рисунке представлена ​​схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения большой роли не играют, важны только токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора, все в порядке.

В этом случае, даже если у нас на базу подано напряжение 5 вольт, а в коллекторной цепи 500 вольт, ничего страшного не произойдет, транзистор послушно переключит высоковольтную нагрузку.

Самое главное, чтобы эти напряжения не превышали предельных значений конкретного транзистора (задаются в характеристиках транзистора).

Ну а теперь попробуем рассчитать номинал базового резистора.

Насколько нам известно, текущее значение является характеристикой нагрузки.

. Я=У/Р

Мы не знаем сопротивления лампочки, но знаем, что рабочий ток лампочки составляет 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, необходимо правильно подобрать ток базы. Мы можем отрегулировать базовый ток, изменив значение базового резистора.

Поскольку минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, ток базы должен быть 10 мА, чтобы транзистор открылся.

Мощность, которая нам нужна, известна. Напряжение на базовом резисторе будет Это значение напряжения на резисторе появилось из-за того, что на переходе база-эмиттер падает 0,6В-0,7В и это нельзя забывать учитывать.

В итоге мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать конкретное значение из множества противников, и дело сделано.

Теперь вы уверены, что транзисторный ключ будет работать правильно? Что при подключении базового резистора к +5 В лампочка включается, при выключении лампочка гаснет? Ответ может быть да или нет.

Дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка погаснет, когда потенциал резистора сравняется с потенциалом земли. Если резистор просто отключается от источника напряжения, то тут все не так просто. Напряжение на базовом резисторе может чудным образом возникнуть в результате наводок или других шалостей

Чтобы избежать этого эффекта, сделайте следующее. Другой резистор Rbe включен между базой и эмиттером. Этот резистор выбирается номиналом не менее 10-кратного базового резистора Rb (В нашем случае мы взяли резистор 4,3 кОм).

При подключении базы к любому напряжению транзистор работает как надо, резистор Rbe ему не мешает. Этот резистор потребляет лишь небольшую часть тока базы.

В случае, когда на базу не подается напряжение, база подтягивается к потенциалу земли, что избавляет нас от разного рода возмущений.

Здесь мы в основном разобрались с работой транзистора ключевого режима, а как вы могли видеть, ключевой режим является своеобразным усилением сигнала напряжением. Ведь с помощью небольшого напряжения 5В мы контролировали напряжение 12В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель представляет собой частный случай транзисторных схем с общим коллектором.

Особенностью схемы с общим коллектором из схемы с общим эмиттером (вариант транзисторного ключа) является то, что эта схема не усиливает сигнал напряжения. То, что входило через базу, выходило через эмиттер с тем же напряжением.

На самом деле, допустим, мы подали на базу 10 вольт, при этом зная, что на переходе база-эмиттер посажено где-то в районе 0,6-0,7В. Получается, что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rn) будет базовое напряжение минус 0,6В.

Получилось 9,4В, словом почти сколько входило и выходило. Мы убедились, что эта схема не будет увеличивать сигнал к нам по напряжению.

«Какой смысл так включать транзистор?» — ты спрашиваешь. Но оказывается, у этого расположения есть еще одна очень важная особенность. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал мощности. Мощность — это произведение тока и напряжения, но поскольку напряжение не меняется, мощность увеличивается только за счет тока! Ток нагрузки представляет собой сумму тока базы и тока коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора, то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получается эта формула.

Теперь думаю понятно в чем суть схемы эмиттерного повторителя, но это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и нагружает схему источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще экспериментируете с паяльником в руках, проницательность просто не даст вас ждать, ведь теория теорией, а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Применение полевых транзисторов благодаря их универсальным свойствам позволило обойти транзисторы других типов. Они широко используются на интегральных схемах в качестве переключателей.

Преимущества:

• частичные каскады используют небольшое количество энергии;
• показатели усиления превосходят показатели других подобных устройств;
• высокая помехозащищенность достигается за счет того, что в порту отсутствует ток;
• имеют более высокие скорости включения и выключения, работают на частотах, недоступных для других транзисторов.

Ошибка:

• менее устойчив к высоким температурам, что приводит к разрушению;
• на частотах выше 1,5 ГГц количество потребляемой энергии быстро возрастает;
• чувствительны к статическому электричеству.

Благодаря свойствам полупроводниковых материалов, взятых за основу полевого транзистора, они позволяют использовать устройство в бытовой и промышленной сферах. Полевыми транзисторами оснащаются различные бытовые приборы, которыми пользуется современный человек.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы используются во многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

• Мероприятия по усилению.
• Генераторы сигналов.
• Электронные ключи.

Будет интересно➡ Что такое светодиод

Во всех устройствах связи необходимо усиление сигнала. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передается с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации было высоким, мы должны усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи необходимы для контроля силы тока в цепи. Эти переключатели содержат много транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов в схемах.

Разработка транзистора

Зачем светодиоду нужен резистор

Электронно-дырочный переход

В основе работы устройства лежит способность np-перехода посылать ток в одном направлении. При приложении напряжения в одном переходе происходит его прямое падение, а в другом обратное. Переходная зона при прямом напряжении имеет низкое сопротивление, а при обратном — высокое. Между базой и эмиттером протекает небольшой управляющий ток. Величина этого тока изменяет сопротивление между коллектором и эмиттером. Существует два типа биполярных устройств:

• пнп;
• нпн.

Отличие заключается только в основных носителях заряда, т.е в направлении тока.

Если соединить два полупроводника разных типов друг с другом, то на границе перехода появляется участок или, как его принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомной структуры материала, а именно от того, насколько сильны связи в материале. Атомы в полупроводнике расположены в виде решетки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решетку добавить атомы другого материала, физические свойства полупроводника изменятся. Смешанные атомы образуют, в зависимости от их природы, свободные электроны или дырки.

Образовавшиеся свободные электроны образуют отрицательный заряд, а дырки — положительный. Это потенциальный барьер в переходной области. Он формируется контактной разностью потенциалов, а его высота не превышает десятых долей вольта, что препятствует затеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под постоянным напряжением, величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При приложении обратного напряжения размеры барьера увеличиваются, а сопротивление барьера прохождению тока увеличивается. Как только вы поймете работу p-n перехода, вы сможете понять, как работает транзистор.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. P-канальные полевые транзисторы работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

Есть тысячи различных полевых транзисторов на выбор. Но если вы хотите построить схему, показанную выше, вы можете использовать BS170 или IRF510.

Есть две вещи, которые вы должны учитывать при выборе полевого транзистора:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для открытия транзистора требуется более высокое напряжение.
2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Существуют и другие важные параметры, которые следует учитывать в зависимости от приложения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Какова роль тока базы?

Как заставить наше электронное устройство работать? Принцип работы транзистора заключается во влиянии тока базы на состояние замкнутого перехода база-коллектор. Когда переход база-эмиттер смещен, в базу будет протекать небольшой ток. Здесь носителями являются положительно заряженные дырки. Они объединяются с электронами, исходящими от эмиттера, чтобы дать ток IBE. Однако из-за того, что эмиттер очень сильно легирован, от него к базе перетекает намного больше электронов, чем может соединиться с дырками. Это означает, что в базе высокая концентрация электронов, и большинство из них пересекают ее и попадают в обедненный электронами коллекторный слой. Здесь они попадают под воздействие сильного электрического поля, приложенного к переходу база-коллектор, проходят через обедненный электронами слой и основной объем коллектора к выходу.

Изменения тока, втекающего в базу, влияют на количество электронов, притягиваемых от эмиттера. Таким образом, принципы работы транзистора можно дополнить следующими положениями: очень малые изменения тока базы вызывают очень большие изменения тока, протекающего от эмиттера к коллектору, т.е происходит усиление тока.

Классификация устройств

В первую очередь такие агрегаты делятся на простые и составные. Существуют также так называемые сложные радиоэлементы. Они имеют три вывода и составляются как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разнотипные транзисторы.

Основное деление агрегатов происходит по следующим функциям:

1. Канал. В зависимости от того, какие носители заряда являются наиболее важными, различают p-тип и n-тип.
2. Производственные технологии. Выпускается биполярным, полевым, комбинированным.
3. Полупроводниковый тип. В качестве материалов для производства используются кремний, германий и арсенид галлия. В последнее время стали выпускать транзисторы на основе прозрачных полупроводников. Например, для построения массивов отображения. А также использование в качестве материалов полимеров и углеродных нанотрубок.
4. Потребляемая мощность. Они делятся на три типа: малой мощности, средней мощности и мощные. Первые не превышают 0,1 Вт, вторые находятся в пределах 0,1–1 Вт, а к мощным относятся все, превышающие 1 Вт.
5. С точки зрения производительности. Назначьте дискретные транзисторы, которые могут быть, а могут и не быть, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нужен транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к аккумулятору?

Преимущество транзистора в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большими током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое с помощью микроконтроллера/Raspberry Pi/Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например, уличным освещением на 230 В, вы не можете делать это напрямую с микроконтроллера

Вместо него можно использовать реле. Но даже реле обычно требует больше тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Следовательно, вам нужен транзистор для управления реле:

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их комбинаций. Чтобы понять принцип работы триодов, разберемся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, например кремний, германий и др., являются диэлектрическими веществами. Но у них есть функция — если добавить определенные примеси, они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, другие (акцепторы) образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донором), то мы получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептора) легированный кремний станет дырочно-проводящим полупроводником (p-Si), то есть в структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонний провод.

Проведем мысленный эксперимент: подключим два разнородных полупроводника к источнику питания и подадим питание на нашу конструкцию. Произойдет что-то неожиданное. Если вы подключите отрицательный вывод к кристаллу n-типа, цепь замкнется. Но когда мы поменяем полярность, в цепи не будет электричества. Почему это происходит?

В результате соединения кристаллов с разным типом проводимости между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей заряда) из кристалла n-типа будет перетекать в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинировать дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа — от отрицательных ионов, а в области p-типа — от положительных. Разность потенциалов достигает значения от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примеси можно выразить формулой:

φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где

VT — значение термодинамического напряжения, Nn и Np — концентрации электронов и дырок соответственно, ni — внутренняя концентрация.

При подключении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено навстречу электрическому полю внутри p-n-перехода. В этом случае переход открыт. Но если полюса поменялись местами, переход будет закрытым. Отсюда вывод: p-n переход образует односторонний проводник. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим еще один слой между двумя полупроводниками с такой же структурой. Например, между пластинами кремния p-типа мы вставляем проводящий слой (n-Si). Нетрудно догадаться, что будет происходить в контактных зонах. По аналогии с описанным выше процессом образуются области p-n-переходов, блокирующие движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором независимо от полярности тока.

Самое интересное происходит, когда мы подаем небольшое напряжение на средний слой (базу). В нашем случае мы используем ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой будет протекать ток. При этом слой начнет насыщаться дырками, что приведет к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нем видно, что в нашей условной конструкции положительные ионы заполнили все пространство, и теперь ничто не мешает проведению тока. Нам дали наглядную модель биполярного транзистора pnp.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро возвращается в исходное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство также может работать в режиме усилителя.

Ток коллектора прямо пропорционален току базы: Ic = β*IB, где β — коэффициент усиления по току, IB — ток базы.

При изменении значения управляющего тока изменится интенсивность образования отверстий на базе, что вызовет пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения при сохранении частоты сигнала. Этот принцип используется для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, мы получаем на выходе ту же частоту усиления, но с гораздо большей амплитудой (задаваемой напряжением, подаваемым на цепь коллектор-эмиттер).

Транзисторы NPN работают аналогичным образом. Меняется только полярность напряжения. Устройства со структурой npn имеют прямое подключение. Pnp-транзисторы имеют обратную проводимость.

Остается добавить, что полупроводниковый кристалл аналогично реагирует на ультрафиолетовый световой спектр. Включая и выключая поток фотонов или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или изменять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники применяют следующие схемы подключения: с общей базой, общим эмиттерным электродом и подключением с общим коллектором (рис. 8).

Рис. 8. Принципиальные схемы биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

• низкое входное сопротивление, не превышающее 100 Ом;
• хорошие температурные характеристики и частотные характеристики триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных блока питания.

Схемы с общим эмиттером имеют:

• высокий коэффициент усиления по току и напряжению;
• низкий коэффициент усиления мощности;
• инверсия выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного блока питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

• высокое входное и низкое выходное сопротивление;
• низкий коэффициент усиления по напряжению (< 1).

Схемы включения транзисторов

Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении — обратная полярность на СЕ переходе ничего интересного не дает. Для схемы прямого включения существует три схемы подключения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК) и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.

Они лишь объясняют сам принцип действия — предполагая, что рабочая точка каким-то образом устанавливается с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи. Для открытия кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал ~0,6 В между эмиттером и базой, а для германия достаточно ~0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Ib, ток коллектора Ik равен току базы, умноженному на β. При этом напряжение +Е должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, а значит и эффект. Выходной сигнал противоположен по фазе входному сигналу (инвертирован). Это используется в цифровых технологиях как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малого сигнала (активный или линейный режим), то подбором тока базы напряжение U2 устанавливают равным Е/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении звуковых сигналов в усовершенствованных усилителях с малыми искажениями и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

Схема ОК не усиливает по напряжению, здесь коэффициент усиления α ~ 1. Поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Ток в цепи эмиттера в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкий выходной сигнал и очень высокий входной импеданс.

Самое время вспомнить, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет характеристики и характеристики, очень подходящие для пробников осциллографов. Он использует свой огромный входной импеданс и низкий выходной сигнал, что хорошо подходит для согласования с кабелем с низким импедансом.