Как работает транзистор: простой язык для чайников, схемы

Что такое транзистор?

В современном понимании транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. Обычный полупроводниковый триод имеет три вывода: базу, на которую подаются управляющие сигналы, эмиттер и коллектор. Существуют также мощные составные транзисторы.

Поражает масштаб размеров полупроводниковых приборов — от нескольких нанометров (некорпусные элементы, используемые в микросхемах) до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для силовых установок и промышленного оборудования. Обратное напряжение промышленных триодов может достигать 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключенных в корпус. Полупроводники — это материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня ведутся исследования, подготавливающие некоторые виды полимеров и даже углеродные нанотрубки на роль полупроводниковых материалов. Судя по всему, в ближайшее время мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Ранее полупроводниковые кристаллы размещались в металлических корпусах в виде шляп с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в том числе кремниевых, полупроводниковых приборов выполняются на основе монокристалла, легированного в определенных частях. Они запрессовываются в пластиковые, стеклометаллические или металлокерамические корпуса. Некоторые из них имеют выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторах.

Электроды современных транзисторов расположены в ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки досок. Терминалы не обозначены на домах. Тип электрода определяют по справочникам или измерениям.

Для транзисторов используются полупроводниковые кристаллы с разной структурой, например pnp или npn. Отличаются они полярностью напряжения на электродах.

Схематически структуру транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделенных дополнительным слоем. (См рис. 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рис. 1 схематически изображена структура биполярных триодов. Есть еще один класс полевых транзисторов, о котором пойдет речь ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не течет. Сопротивление эмиттерного перехода, возникающее в результате взаимодействия между слоями, препятствует прохождению электрического тока. Для включения транзистора необходимо подать на базу небольшое напряжение.

На рис. 2 показана схема, поясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя базовыми токами, можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, он изменит амплитуду выходных токов. В этом случае выходной сигнал будет в точности повторять частоту колебаний на основном электроде. Другими словами, будет происходить усиление электрического сигнала, поступившего на вход.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в ключевом режиме

Обозначение на схемах

Общепринятым обозначением является «VT» или «Q», за которым следует индекс положения. Например, ВТ 3. На более ранних схемах можно встретить устаревшие обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий, обозначающих соответствующие электроды, обведенные кружком или нет. Направление тока в эмиттере указано стрелкой.

На рис. 4 показана схема УНЧ, где транзисторы обозначены по-новому, а на рис. 5 приведены схематические изображения полевых транзисторов разных типов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Они также используются в Н-мостовых схемах управления реверсивными двигателями постоянного тока, которые позволяют регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

Вышеупомянутая схема H-моста названа так, потому что базовая конфигурация четырех транзисторных ключей напоминает букву «H» с двигателем на перекрестной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее широко используемых типов схем управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «комплементарные» пары транзисторов NPN и PNP в каждой ветви, действуя как переключатели для управления двигателем.

Управляющий вход A позволяет двигателю вращаться в одном направлении, а вход B используется для обратного вращения.

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

Если состояние переключателя изменяется таким образом, что TR1 выключен, TR2 включен, TR3 включен и TR4 выключен, ток двигателя будет течь в противоположном направлении, вызывая его реверсирование.

Подавая противоположные уровни логической «1» или «0» на входы A и B, можно управлять направлением вращения двигателя.

Виды транзисторов

По принципу действия и конструкции полупроводниковые триоды различают:

• поле;
• биполярный;
• комбинированный.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, но есть отличия в принципе их работы.

Полевые

Этот тип триода еще называют однополярным, из-за электрических свойств — в них ток только одной полярности. По устройству и типу управления эти устройства делятся на 3 вида:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным портом (то есть со встроенным или с наведенным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительной особенностью изолированного затвора является наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы
Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать более года на небольшой батарейке или аккумуляторе. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т д.

Биполярные

Об этом типе транзисторов много сказано в подразделе «Основной принцип работы». Отметим только, что устройство получило название «Биполярный» из-за возможности посылать по каналу заряды противоположных знаков. Их функция – низкий выходной импеданс.

Транзисторы усиливают сигналы и действуют как переключающие устройства. В коллекторную цепь можно включить достаточно мощную нагрузку. Из-за большого тока коллектора сопротивление нагрузки может быть уменьшено.

Более подробно устройство и принцип работы мы рассмотрим ниже.

Комбинированные

Для достижения определенных электрических параметров с помощью одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них:

• биполярные транзисторы со встроенными резисторами и их схема;
• комбинации двух триодов (одинаковых или разных конструкций) в одном корпусе;
• лямбда-диоды — комбинация двух полевых триодов, образующих секцию с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (используемым для управления электродвигателями).

Комбинированные транзисторы фактически представляют собой элементарную микросхему в одном корпусе.

Преимущества и недостатки использования транзистора NPN:

Преимущества:

• Маленький размер.
• Может работать с низким напряжением.
• Очень дешевый.
• Низкий выходной импеданс.
• Долго играет.
• Спонтанные действия.

Минусы:

• Чувствительность к высокой температуре.
• Производство низкой энергии и мощности.
• Может быть поврежден в результате теплового пробега.
• Не может работать на высоких частотах.

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерного повторителя). При выборе транзисторов следует стремиться к b1~b2 и b3~b4. Различие можно компенсировать подбором пар по сходству коэффициентов усиления СТ b13~b24 (см табл. 1).

• Расположение на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведенных схем: она требует развязки фланцев мощных транзисторов (или отдельных радиаторов) и дает наименьший размах напряжения, так как между базами КТ, иначе будут сильно проявляться искажения типа «ступенька».
• Расположение на рис. 3б досталось в наследство от времени, когда еще не производились комплементарные пары мощных транзисторов. Единственный плюс по сравнению с предыдущей версией — меньшее падение напряжения ~1,8 В и больший размах без искажений.
• Расположение на рис. 3с наглядно демонстрируют преимущества СТШ: минимальное падение напряжения между базами СТ, а мощные транзисторы можно ставить на общий радиатор без изолирующих прокладок.

На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта со STD составляет:

Так как Uбэ зависит от температуры и тока коллектора, схема с СТД будет иметь больший разброс по выходному напряжению, а потому вариант со СТШ предпочтительнее.

Рис. 3. Альтернативы выходным эмиттерным повторителям на ST

Рис. 4. Применение ТТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе

Любая подходящая комбинация транзисторов может быть использована в линейных схемах. Автору попадались советские бытовые приборы, где применялись СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принимаются /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве дополняющей пары можно взять С945 и А733, которые часто встречаются в старых компьютерных БП.

Для коммутации электромеханических приводов и особенно в импульсных схемах следует использовать готовые ТТ с нормированными параметрами включения и выключения, паразитные емкости. Типичным примером являются широко используемые импортные дополнительные ЗППП серии TIP12x.

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. Аналогично описанному выше процессу формируются 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).

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 исправит.

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!

Советы

1. Способов определить неисправность много, но для начала нужно разобраться в устройстве самого элемента и четко разобраться в конструктивных особенностях.
2. Выбор прибора для тестирования является важным моментом для качества результата. Поэтому при недостатке опыта не стоит ограничиваться подручными средствами.
3. При выполнении испытания следует четко понимать причины выхода из строя проверяемой детали, чтобы не вернуться со временем к тому же состоянию неисправности бытовых электроприборов.

Проверка простой схемой включения транзистора

Соберите схему с транзистором, как показано на рисунке. В этой схеме транзистор действует как «переключатель». Такую схему можно, например, быстро собрать на печатной плате. Обратите внимание на резистор 10K в нижней части транзистора.

Это очень важно, иначе при проверке транзистор «сгорит». Если транзистор исправен, светодиод должен загореться при нажатии кнопки, а при ее отпускании — погаснуть. Эта схема предназначена для тестирования транзисторов npn. Если вам нужно проверить транзистор pnp, в этой схеме нужно поменять местами контакты светодиода и подключить встречный источник питания.
проверить транзистор мультиметром проще и удобнее. Кроме того, существуют мультиметры с функцией проверки транзисторов. Они показывают ток базы, ток коллектора и даже коэффициент усиления транзистора.

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вам может быть интересно, зачем использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые можно использовать в качестве усилителей или твердотельных переключателей? Однако наличие двух разных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Эти усилители используют «комплементарные» или «согласованные» пары транзисторов (которые представляют собой один PNP-транзистор и один NPN-транзистор, соединенные вместе, как показано на рисунке ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих транзистора NPN и PNP с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (тип NPN) и TIP2955 (тип PNP) являются хорошими примерами комплементарных кремниевых мощных транзисторов. Они оба имеют постоянный коэффициент усиления по току β=IC/IB, согласованный в пределах 10 %, и высокий ток коллектора около 15 А, что делает их идеальными для управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B также используют согласованные пары транзисторов в своих силовых каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор — только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю пропускать необходимую мощность через динамик в обоих направлениях при заданной мощности и импедансе. В результате выходной ток, обычно порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторный переключатель NPN

Транзистор работает

• Включен в режиме насыщения
• Выключен в режиме отключения.

Включен в режиме насыщения

• Когда оба узла смещены, на входное напряжение подается достаточно высокое напряжение. Следовательно, транзистор действует как короткое замыкание, поскольку VCE приблизительно равно нулю.
• В это время два перехода находятся в состоянии смещения, и на входе присутствует соответствующее напряжение.
• В этом состоянии ток будет течь между коллектором и эмиттером. В цепи течет ток.

Выключен в режиме отключения.

• Если два соединения транзистора смещены в обратном направлении, транзистор переходит в состояние ВЫКЛ.
• В этом режиме работы напряжение входного сигнала или базовое напряжение равно нулю.
• Следовательно, на коллектор действует сумма напряжений VCC.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения база-эмиттер (VBE) подключен отрицательным к базе и положительным к эмиттеру, потому что транзистор PNP работает, когда база смещена отрицательно относительно эмиттера.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (VCE). Таким образом, в транзисторе типа PNP вывод эмиттера всегда более положительный как по отношению к базе, так и по отношению к коллектору.

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

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания VCC через подтягивающий резистор RL, который ограничивает максимальный ток, протекающий через устройство. Базовое напряжение VB, смещающее его в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, прикладывается к нему через резистор RB, который в свою очередь используется для ограничения максимального тока базы.

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.

Читайте также: 3 оригинальные идеи светодиодных ночников

Основные причины неисправности

Наиболее распространенные причины вывода о рабочем состоянии триодного элемента в электронной схеме следующие:

1. Прерывание перехода между компонентами.
2. Раздача одного из переходов.
3. Пробой коллекторной или эмиттерной секции.
4. Утечка тока под напряжением цепи.
5. Видимые повреждения клемм.

Характерными внешними признаками такой поломки являются почернение детали, вздутие и появление черного пятна. Поскольку эти изменения оболочки происходят только с мощными транзисторами, вопрос диагностики маломощных транзисторов остается актуальным.

Практическое применение транзисторов

Ниже приведена схема, на которой микроконтроллер управляет зуммером (звуковым датчиком), потребляющим прибл. 50 мА. Чаще всего с одного выхода на плате Arduino можно получить до 20 мА, поэтому подключение зуммера напрямую может повредить плату. Использование транзистора в качестве переключателя позволяет безопасно управлять зуммером.

Управление зуммером с транзистором

В этой схеме через выход микроконтроллера протекает лишь небольшой ток, около 0,8 мА, а зуммер управляется транзистором. Высокое состояние на выходе платы Arduino включает звук.

Не вдаваясь в расчеты, можно предположить, что использование резистора 10 кОм позволяет управлять нагрузками, потребляющими не более 60 мА, а резистор 1 кОм подходит в ситуациях, когда нагрузка потребляет до 500 мА, но тогда вы должны использовать другой транзистор, например BC337, способный работать с таким током.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Основное различие между ними в том, что для PNP-транзисторов основными носителями тока являются дырки, у NPN-транзисторов в этой емкости есть электроны. Поэтому полярность питающих транзистор напряжений меняется на противоположную, и входной ток течет от базы. Напротив, у транзистора NPN в него течет ток базы, как показано ниже на принципиальной схеме для обоих типов устройств с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора типа PNP основан на использовании малого (как у NPN-типа) тока базы и отрицательного (в отличие от NPN-типа) смещения базы для возбуждения гораздо большего тока эмиттер-коллектор. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер более положителен по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Подключение нагрузки к эмиттеру

Многие новички задаются вопросом, что будет, если к эмиттеру или к коллектору подключить «нагрузку». Схема тоже будет работать, но тут мы попадаем в довольно запутанную тему про разные схемы транзисторов (общий коллектор, общий эмиттер, общая база).

Пример подключения нагрузки к коллектору и к эмиттеру

Будет гораздо лучше, если нагрузка все же будет подключена к коллектору, а не к эмиттеру.

Пошаговая инструкция проверки мультимером

Перед началом испытаний в первую очередь определяется структура триодного устройства, на что указывает стрелка эмиттерного перехода. Когда направление стрелки указывает на основание, это вариант PNP, направление от основания указывает на проводимость NPN.

Проверка NPN-транзистора мультиметром состоит из следующих последовательных операций:

1. Проверяем обратное сопротивление, для этого присоединяем «плюсовой» щуп прибора к базе.
2. Пробуется эмиттерный переход, для этого подключаем «минусовой» щуп к эмиттеру.
3. Для проверки коллектора подносим к нему «минусовой» щуп.

Результаты этих измерений должны показать сопротивление в пределах значения «1».

Для проверки прямого сопротивления меняем щупы местами:

1. Прикрепляем «минусовый» щуп прибора к основанию.
2. Поочередно перемещаем «плюсовой» щуп с эмиттера на коллектор.
3. На дисплее мультиметра показания сопротивления должны быть от 500 до 1200 Ом.

Эти замеры говорят о том, что переходы не пробиты, транзистор технически исправен.

Многие любители испытывают трудности с определением базы и, следовательно, коллектора или эмиттера. Некоторые рекомендуют начинать определение базы, независимо от типа конструкции, таким образом: поочередно подключать черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – ко второму и третьему по очереди.

База будет обнаружена, когда на устройстве начнет падать напряжение. Это означает, что найдена одна из пар транзисторов — «база — эмиттер» или «база — коллектор». Затем таким же образом нужно определить положение другой пары. Общий электрод для этих пар будет базой.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

Действительно, из этого видно, что ток коллектора IC (в случае NPN-транзистора) вытекает из положительного вывода батареи B2, проходит через вывод коллектора, входит в него и затем должен выйти через вывод базы в вернуться к отрицательной клемме аккумулятора. Точно так же, когда вы смотрите на цепь эмиттера, вы можете видеть, как ток от положительного вывода батареи B1 входит в транзистор через вывод базы, а затем проникает в эмиттер.

Таким образом, базовый вывод несет как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Так как в своих цепях они циркулируют в противоположных направлениях, то результирующий базовый ток равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания дифференциального тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор типа PNP имеет ток, текущий от базы, а биполярный транзистор типа NPN имеет ток втекает.

Основная информация о транзисторах

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые обычно имеют три вывода. Корпуса различаются в зависимости от параметров и назначения комплектующих. Наиболее популярным из них, который вы найдете во всех комплектах Arduino, является тип TO92. Как видно на картинке, они очень маленькие:

Транзистор BC556	Транзистор BC546

Кстати, один и тот же транзистор может выпускаться в разных корпусах. Обратите на это внимание!

Транзисторы характеризуются многими параметрами, но на корпусах транзисторов они не пишутся. Производители используют буквенную и цифровую маркировку (например, BC546 и BC556), а подробности см в каталогах производителей. Информацию легко найти — достаточно ввести символ товара в поисковик любого браузера.

Пример фрагмента такого документа для одного из наших транзисторов:

Выдержка из документации	Выдержка из документации

Подробное обсуждение конструкции или конструкции транзисторов выходит далеко за рамки этой статьи. Вам не нужны эти знания, даже чтобы применить их на практике. Отнеситесь к этой информации как к интересным фактам, к которым вы сможете вернуться, когда будете знакомиться с транзисторами на практике.

Биполярные транзисторы состоят из трех полупроводниковых слоев, к каждому из которых прикреплен провод. Эти слои накладываются друг на друга, образуя систему из двух так называемых контактов (диодов). Обозначения NPN и PNP необходимы для определения точки контакта полупроводников.

В биполярных транзисторах все три контакта имеют свои названия:

• излучатель (обозначен на схемах буквой Е),
• база (обозначается буквой Б),
• коллектор (обозначается буквой К).

Если подать на базу небольшое напряжение (относительно эмиттера), то электроны из эмиттера начнут двигаться к ней. Однако базовая область очень тонкая, поэтому большая часть электронов по пути попадет в область коллектора.

Если бы этот механизм был идеальным, то база не могла бы захватывать электроны и через нее не протекал бы ток. К сожалению, часть электронов попадает в базовую область, из которой их надо брать. Это вызывает небольшой нежелательный ток, протекающий через базу. Однако полезен ток коллектора, который достигает подавляющего большинства электронов от эмиттера.

Исходя из этого, уже можно сделать вывод, что транзистор является управляемым элементом: изменяя ток базы, то есть количество разряженных электронов, мы регулируем ток коллектора. Отношение этих двух токов и есть коэффициент усиления по току, обозначаемый греческой буквой β (бета) — эта величина не имеет единицы измерения:

β = ток коллектора / ток базы ,
записывается как: β = IC / IB

В ходе экспериментов мы рассчитаем это значение прибыли, и тогда вам будет проще все это понять и запомнить.