Меню

Подбор транзисторов по току



Выбор транзистора – для новичков в радиоделе

Проблема выбора транзистора возникает не только тогда, когда вы создаёте собственное устройство Очень многие схемы в Интернете и литературе «долгожители», что не меняет их ценности, но затрудняет поиск компонентов, снятых с производства много лет назад Часто используются зарубежные схемы, и, хотя выбор импортных компонентов огромен, но он не исчерпывающий Приходится искать аналоги

Создавая свою схему, чтобы избежать задачи выбора транзистора, можно остановиться на решении – возьму самый мощный транзистор. Вот так выглядит это решение:

Рис 519 Вид мощного транзистора

На что же следует обратить внимание при выборе транзистора для своей схемы В первую очередь на допустимый ток коллектора, допустимое напряжение на коллекторе, допустимую мощность рассеивания Выбирая транзистор, вы точно знаете, какое устройство вы создаёте, его назначение Оно определит, в какой группе транзисторов следует искать нужный: низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные

Что происходит с полупроводниковым прибором, если напряжение на нём превосходит предельно допустимое Рассмотрим диод при обратном включении

Рис 520 Испытание диода при обратном включении

Картинка на экране осциллографа не очень показательна, поэтому рядом вид, который даёт обозреватель графиков Когда напряжение превышает предельно допустимое, ток начинает резко возрастать, увеличивается мощность рассеивания, диод выходит из строя Аналогичные процессы происходят и у транзистора

Превышение допустимого тока приводит к перегоранию, подобно плавкому предохранителю, как материала полупроводника, так и подводящих к кристаллу ток проводников

Превышение допустимой мощности рассеивания приводит к перегреву транзистора, к увеличению неуправляемых токов, что вызывает ещё больший перегрев – процесс может происходить очень быстро, заканчиваясь выходом транзистора из строя

Выбор транзистора по верхней рабочей частоте может быть затруднён тем, что часто этот параметр приводится для включения транзистора с общей базой Нужно знать, что при включении с общим эмиттером это значение может уменьшиться в несколько десятков раз

Для некоторых схем очень важным параметром может оказаться шум Есть группа транзисторов с нормированным показателем, коэффициентом шума Это не значит, что другие транзисторы шумят сильнее, но для транзисторов с ненормированным коэффициентом шума следует отбирать экземпляры, удовлетворяющие вас по этому показателю

Словом, к выбору транзистора следует относиться внимательно Например, в схеме транзистор с допустимым напряжением на коллекторе 40 В Вы ищите ему замену, ориентируясь на питающее

напряжение 10 В Но, если в схеме есть индуктивность, то, скорее всего, она была причиной выбора транзистора с допустимым напряжением 40 В

При выборе транзистора по мощности рассеивания следует иметь в виду, что иногда указывают предельно допустимую мощность рассеивания с учётом применения теплоотвода Но в справочнике это не указано Лучше это проверить, обратившись к другому справочнику, чем, собрав устройство, разочароваться в нём

Программы симуляции тем удобны, что можно провести все мыслимые эксперименты, не выводя компоненты из строя Можно измерить все токи и напряжения, что на макетной плате сделать трудно Вот пример:

Если это возможно, как в случае с реле, проблему решают, добавляя обратно включённый диод

Рис 522 Работа транзистора на индуктивную нагрузку с шунтирующим диодом

Наблюдать проявления такого рода эффектов на макетной плате затруднительно Поэтому применение программ симуляции даёт лучшие результаты

Но, с другой стороны, и к проверке работы схемы в программе следует подходить внимательно Вот пример работы программы, когда результат должен настораживать

Рис 523 Ключевой транзистор с индуктивной нагрузкой Скорее всего, реальная работа схемы получится следующей:

Рис 524 Более реалистичная картина происходящего

Разница в этих двух случая в скорости нарастания напряжения Вот вид импульсов с очень крутыми фронтами, задаваемыми в программе по умолчанию, и импульсами, которые ближе к реальной ситуации

Рис 525 Разница в настройке источника импульсов

Но вопрос о том, что ближе к реальности, опять будет во многом зависеть от выбора транзистора Чем выше верхняя граничная частота транзистора, тем круче могут быть фронты импульсов, а сам транзистор, если нельзя шунтировать индуктивность, следует выбирать с наибольшим допустимым напряжением на коллекторе

Многих смущает тот факт, что программы симуляции, как Multisim, Proteus или Qucs, предлагают модели только импортных транзисторов А заветная схема, сборка которой намечена, имеет отечественные Что делать

По меньшей мере, есть два пути решения проблемы: добавить в программу модели отечественных транзисторов или выбрать импортные аналоги отечественных транзисторов Есть справочники аналогов, есть возможность поиска ответа на этот вопрос в Интернете, есть в руководстве пользователя, скорее всего, раздел посвящённый созданию собственных моделей В этом может помешать только отсутствие нужных параметров модели Но, в конце концов, выбирая отечественный аналог с параметрами близкими к импортному, вы, я думаю, получите тот же результат, который увидели в программе

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

Источник

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Аналогия транзистора с переключателем

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается Hfe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

Включение транзистора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке Vc. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (Vce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно Vce= Vc — 0 = Vc. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки RL неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения Rb: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление Rb может быть рассчитано по следующей формуле:

где V1 является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V1 = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение Rb известно, транзистор «настроен» на работу в качестве переключателя, что также называется «режим насыщения и отсечки «, где «насыщение» — когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а «отсечение» – когда закрыт и ток не проводит.

Читайте также:  Понижающий регулятор с повышенным током

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

HFE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения VCEsat. Но VCEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Таблица

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший HFE, крупнейший VCEsat и VCEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Включение транзистора

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Включение транзистора

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

beginner88-15.jpg

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение VCE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные VCE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Шпакунов А. Опубликована: 2012 г. 0 1
Вознаградить Я собрал 0 0

Источник

Как подобрать аналог транзистора

Как подобрать аналог транзистораВ этой статье разберем тему подбора аналогов биполярных и полевых транзисторов. На какие параметры транзистора следует обратить внимание, чтобы по ним подобрать подходящую замену?

Для чего это нужно? Бывает так, что ремонтируя какой-нибудь прибор, скажем, импульсный блок питания, пользователь оказывается вынужден обратиться в ближайший магазин электронных компонентов, но в ассортименте не находится именно такого транзистора, который вышел из строя в схеме прибора. Тогда и приходится выбирать из того, что есть в наличии, то есть подбирать аналог.

А бывает еще и так, что сгоревший транзистор на плате был из тех, которые уже сняты с производства, и тогда как нельзя кстати приходится доступный в сети даташит, где параметры можно посмотреть, и по ним подобрать подходящий аналог из ныне доступных. Так или иначе, нужно знать, по каким параметрам выбирать, об этом и пойдет речь далее.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Для начала поговорим о биполярных транзисторах. Главными характеристиками здесь выступают:

максимальное напряжение коллектор-эмиттер,

максимальный ток коллектора,

максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность,

коэффициент передачи по току.

Первым делом оценивают схему в целом. На какой частоте работает прибор? Насколько быстрым должен быть транзистор? Лучше всего, если рабочая частота прибора будет в 10 и много более раз ниже граничной частоты транзистора. Например fгр равна 30 МГц, а рабочая частота прибора, где транзистор будет работать, составляет 50 кГц.

Если же заставить транзистор работать на частоте близкой к граничной, то коэффициент передачи по току станет стремиться к единице, и для управления потребуется много энергии. Поэтому пусть граничная частота подбираемого аналога будет больше или равна граничной частоте транзистора, который нужно заменить.

Следующим шагам обращают внимание на мощность, которую сможет транзистор рассеять. Здесь же смотрят на максимальный ток коллектора и на предельное значение напряжения коллектор-эмиттер. Максимальный ток коллектора должен быть выше максимального тока в управляемой транзистором цепи. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер у выбираемого транзистора должно быть выше предельного напряжения в управляемой цепи.

Если параметры подбираются исходя из даташита на заменяемый компонент, то подбираемый аналог по предельному напряжению и предельному току должен соответствовать или превосходить заменяемый транзистор. Например, если сгорел транзистор, предельное напряжение коллектор-эмиттер которого было 80 вольт, а максимальный ток составлял 10 ампер, то в этом случае аналог с максимальными параметрами по току и напряжению 15 ампер и 230 вольт — подойдет в качестве замены.

Транзисторы

Далее оценивают коэффициент передачи по току h21. Данный параметр указывает на то, во сколько раз ток коллектора превосходит ток базы в процессе управления транзистором. Приоритет лучше отдавать транзисторам со значением этого параметра большим или равным h21 исходного компонента, хотя бы приблизительно.

Нельзя ставить вместо транзистора с h21 = 30, транзистор с h21 = 3, управляющая цепь просто не справится или сгорит, а прибор не сможет нормально работать, лучше, если аналог будет иметь h21 на уровне 30 или больше, например 50. Чем выше коэффициент усиления по току, тем проще транзистором управлять, тем выше КПД управления, ток базы меньше, ток коллектора — больше.

Транзистор без лишних затрат входит в насыщение. Если же прибор, куда подбирается транзистор, отличается повышенным требованием к коэффициенту передачи по току, то пользователю следует подобрать аналог с более близким к оригиналу h21, либо придется внести изменения в цепь управления базой.

Наконец, смотрят на напряжение насыщения, напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора. Чем оно меньше, тем меньше мощности будет рассеиваться на корпусе компонента в виде тепла. И важно отметить, сколько реально в схеме придется транзистору рассеивать тепла, максимальное значение рассеиваемой корпусом мощности приводится в документации (в даташите).

Умножьте ток коллекторной цепи на напряжение, которое будет падать на переходе коллектор-эмиттер в процессе работы схемы, и сравните с максимально допустимой для корпуса транзистора тепловой мощностью. Если реально выделяемая мощность окажется больше предела, транзистор быстро сгорит.

Так, биполярный транзистор 2N3055 можно смело заменить на КТ819ГМ и наоборот. Сравнив их документацию, можно прийти к выводу, что это почти полные аналоги, как по структуре (оба NPN), так и по типу корпуса и по основным параметрам, важным для равно эффективной работы в аналогичных режимах.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы

Теперь поговорим о полевых транзисторах. Полевые транзисторы широко применяются сегодня, в некоторых устройствах, например в инверторах они почти полностью вытеснили собой биполярные транзисторы. Полевые транзисторы управляются напряжением, электрическим полем заряда затвора, и поэтому управление получается менее затратным, нежели в биполярных транзисторах, где управление осуществляется током базы.

Полевые транзисторы намного быстрее переключаются в сравнении с биполярными, обладают повышенной термоустойчивочтью, и не имеют неосновных носителей заряда. Чтобы обеспечить коммутацию значительных токов, полевые транзисторы можно соединять параллельно в большом количестве без выравнивающих резисторов, достаточно подобрать подходящий драйвер.

Итак, что касается подбора аналогов полевых транзисторов, то здесь алгоритм тот же, что и при подборе биполярных аналогов, с той лишь разницей, что отпадает проблема с коэффициентом передачи по току и дополнительно появляется такой параметр как емкость затвора. Максимальное напряжение сток-исток, максимальный ток стока. Лучше выбрать с запасом, чтобы наверняка не сгорел.

У полевых транзисторов нет такого параметра как напряжение насыщения, зато есть параметр «сопротивление канала в открытом состоянии». Исходя из этого параметра можно определить, какая мощность будет рассеиваться на корпусе компонента. Сопротивление открытого канала может составлять от долей ома до единиц ом.

Читайте также:  Источник электрического тока для дачи

У высоковольтных полевых транзисторов сопротивление открытого канала, как правило, больше одного ома, и это нужно обязательно брать в расчет. Если удастся выбрать аналог с меньшим сопротивлением открытого канала, то и тепловых потерь будет меньше, и падение напряжения на переходе не будет в открытом состоянии критически высоким.

Крутизна характеристики S у полевых транзисторов – аналог коэффициента передачи по току биполярных транзисторов. Этот параметр показывает зависимость тока стока от напряжения затвора. Чем выше крутизна характеристики S, тем меньшее напряжение нужно подать на затвор для коммутации значительного тока стока.

Не нужно забывать при выборе аналога и про пороговое напряжение затвора, ведь если напряжение на затворе будет ниже порогового, то транзистор полностью не откроется, и коммутируемая цепь не получит достаточного питания, всю мощность придется рассеивать транзистору, и он просто перегреется. Напряжение управления затвором должно быть выше порогового. Аналог должен иметь пороговое напряжение затвора не выше чем оригинал.

Мощность рассеяния полевого транзистора аналогична мощности рассеяния биполярного транзистора, этот параметр указан в даташите, и зависит, как и в случае с биполярными транзисторами, от типа корпуса. Чем больше корпус компонента, тем большую тепловую мощность сможет он безопасно для себя рассеять.

Емкость затвора. Поскольку полевые транзисторы управляются напряжением затвора, а не током базы, как биполярные транзисторы, то здесь вводится такой параметр как емкость затвора и полный заряд затвора. При выборе аналога на замену оригиналу, обратите внимание на то, чтобы затвор у аналога не был тяжелее.

Емкость затвора лучше всего, если окажется чуть меньше, таким полевым транзистором проще управлять, фронты получатся круче. Однако если затворные резисторы в схеме управления вы перепаивать не намерены, то пусть емкость затвора будет максимально близкой к оригиналу.

Так, очень распространенные несколько лет назад, IRFP460 заменяют на 20N50, у которого затвор немного легче. Если обратиться к даташитам, то легко заметить почти полное сходство параметров этих полевых транзисторов.

Надеемся, что эта статья помогла вам разобраться в том, на какие характеристики нужно ориентироваться, чтобы подобрать подходящий аналог транзистора.

Источник

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β.

Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт.

Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): IБ*β=IK.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить hFE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Читайте также:  Физическая величина характеризующая быстроту выполнения работы электрическим током это

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (IК=β*IБ) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(IК+IБ)/IБ=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Источник