Напряжение питания биполярных транзисторов

Транзистор n p n типа

Предлагаю для тебя, мой почетаемый начинающий электронщик, прочитать эту статью, в какой я обрисовал, пожалуй, самый основной из имеющихся электронных компонент — транзистор.

Изобретение транзистора в ХХ веке по праву является одним из важных событий, транзистор как электронный компонент пришел на замену электронным лампам. Электронные лампы на тот период времени, безраздельно служили во всех радиоэлектронных устройствах, при всем этом электронные лампы имели огромное количество недочетов. Одним из самых значимых недочетов была их большая потребляемая мощность, так – же лампы имели очень большой вес и габариты, но при всем этом не отличались механической прочностью. Электронная аппаратура становилась все труднее, огромное количество электронных ламп добивалось большего употребления энергии, возросло количество отказов техники — например вычислительные машины (компы тех пор) собранные на лампах, могли работать без поломок только считанные минутки, а габариты этих “компов” были таковы, что занимали целый высотный дом.

Полупроводниковый транзистор лишен всех тех недочетов которые присущи электронным лампам и почти во всем превосходит их. Низкое энергопотребление, малый вес и размер, а механическая крепкость такая, что если скинуть современный транзистор с высоты 10го этажа с ним ничего не случится.

1-ый транзистор разработали Исследователи – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен, в 1956 году они были удостоены нобелевской премии. Сейчас эти имена известны всему миру.

И так, давай ближе познакомимся с этим восхитительным электронным компонентом.

Биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора.

Транзистор это — электронный устройство, корпус которого выполнен из металла либо пластика. В корпусе находится кристалл кремния, который обработан особым образом. Этот кристалл состоит из 3-х частей — коллектор, эмиттер, база, к ним подключены электроды которые выведены из корпуса транзистора. Разглядим условное обозначение транзистора, очень припоминает диодик, (в особенности выделенная часть). В принципе, транзистор, с натяжкой можно именовать диодиком, так как транзистор тоже является полупроводником, но у транзистора есть дополнительный элемент – “база”.

База размещена между коллектором и эмиттером и является преградой для прохождения напряжения. Для того дабы транзистор мог делать возложенные на него обязанности нужно “активировать” базу, после этого транзистор будет работать как главный элемент, как усилитель тока, либо напряжения.

Механизм работы транзистора.

Обычно в специальной литературе и веб веб-сайтах, описание работы транзистора сводится к разжевыванию теории электронно — дырочного перехода, диффузии и иной нудной теории. Думаю, если б мне, когда я только начинал увлекаться радиоэлектроникой, таким макаром растолковали механизм работы транзистора, забросил бы я это дело и пошел с парнями делать самопалы и пугачи, ну либо в худшем случае в авиомодельный кружок). Но к счастью для меня в радиокружках тех пор работали люди которые умели так преподать теорию, что было понятно и не напряжно. Постараюсь и я, все разъяснить в обычный и доступной форме.

И так, биполярные транзисторы бывают 2-ух типов PNP транзистор и NPN транзистор еще их именуют — “прямой” и “оборотный” транзистор. P-N-P – это прямой транзистор (просто уяснить, 1-ая буковка Р -соответственно прямой), N-Р-N – оборотный.

На схеме обозначаются:

Разглядим схему работы транзистора в главном режиме.

Транзистор типа N-P-N, на коллектор транзистора подан (+V) напряжение для питания лампочки накаливания, лампочка не будет светиться так как напряжение через транзистор не проходит в таком случае молвят транзистор “закрыт”. Для того дабы транзистор “открылся” на базу транзистора так же нужно подать напряжение (+Vбазы). Напряжение +Vбазы (зеленоватые стрелки), пройдет через выключатель К1, резистор R1, через базу на эмиттер и с эмиттера на минус источника питания. Транзистор раскроется, напряжение +V (красные стрелки), пройдет через лампочку, коллектор и базу на эмиттер транзистора и с эмиттера на –V источника питания, цепь “замкнется” и лампочка будет светиться.

В этом примере транзистор работает как ключ, открывает и закрывает прохождение электрического тока.

Сейчас разглядим работу в главном режиме транзистора типа P-N-P.

В данном случае, наша схема будет отличаться тем что, отрицательное напряжение питания подается через лампочку на коллектор, а плюс источника подключен к эмиттеру транзистора, на базу необходимо подавать отрицательное напряжение –Vб. Отпирающее напряжение (зеленоватые стрелки) плюса источника питания через эмиттер через базу VT, резистор R1, выключатель пройдет на минус источника питания и транзистор раскроется. Плюс источника питания (красные стрелки) через эмиттер, базу проходит на коллектор и через лапочку накаливания на минус питания, лампочка будет светиться.

Запомни ординарную правду – оборотный транзистор раскрывается подачей положительного напряжения на базу, прямой отрицательного. Еще проще – оборотный транзистор раскрывается плюсом, прямой минусом. Плюс питания у оборотного транзистора подается на коллектор а минус на эмиттер, у прямого напротив, минус на коллекторе плюс на эмиттере. Соответственно ток в оборотном транзисторе течет от коллектора к эмиттеру в прямом транзисторе от эмиттера к коллектору.

Где можно применить работу транзистора в главном режиме?

Главное достоинство транзистора заключается к тому же в том, что подавая на базу совершенно маленькое напряжение всего в несколько 10-ов вольта, можно коммутировать массивные исполнительные устройства, к примеру, заместо лампочки можно поставить реле, и оно будет своими контактами включать мощнейший электромотор тем используя низкое напряжение управления мы обеспечиваем безопасность человека.

На схеме изображен N-P-N транзистор в базу которого включен переменный резистор R1, с помощью этого резистора можно плавненько изменять величину напряжения приложенного к базе транзистора. Перемещая ползунок резистора (вывод со стрелочкой) поближе к плюсу источника питания (в верх по схеме) мы тем будем наращивать сопротивление резистора R1, соответственно величина напряжения на базе транзистора уменьшится, транзистор закроется, если ползунок перемещать в обратную сторону, напряжение на базе возрастет. Ты додумался, что будет происходить с лампочкой? Очень надеюсь, что додумался, напрасно я что ли уже столько букв написал). Да, лампочка будет изменять интенсивность свечения. Чем больше напряжение на базе транзистора, тем ярче будет светиться лампочка. Эту схему можно с фуррором применить, для регулировки свечения лампочки ручного фонарика).

Сейчас разберемся с работой транзистора в режиме усиления.

Транзистор может работать не только лишь как главный элемент, но и как усилитель тока, напряжения либо того и другого сразу. Существует несколько методов включения транзистора – это с общим коллектором, общей базой, и общим эмиттером. Схема с общим эмиттером получила наибольшее использование потому ее и разглядим.

Схема с транзистором работающем в режиме усиления, более непростая чем главная, но все же разобраться с принципом ее работы не так трудно.

В главном режиме транзистор находится в режиме отсечки (закрыт) либо в режиме насыщения (открыт) для того дабы транзистор работал как усилитель его необходимо вынудить работать в “пограничном” режиме между отсечкой и насыщением. Помнишь, мы регулировали свечение лампочки, меняя напряжение на базе транзистора с помощью переменного сопротивления (потенциометра). Когда лампочка горела в пол накала это и был “пограничный” режим, либо если гласить другими (умными словами), мы задавали смещение на базу транзистора. Идем далее. Допустим ты решил услышать, о чем молвят твои рыбки в аквариуме :), отыскал подводный микрофон и расположил его к рыбкам, но микрофон выдает очень слабенький сигнал и если подключить к нему наушники ничего не услышишь. Означает необходимо усилить сигнал дабы он был достаточной силы.

Схема усилителя. На этой схеме, разных электронных компонент существенно больше чем в схеме где транзистор работает как ключ, но если ты читал мои прошлые статьи в рубрике электроника для начинающих , ты знаешь, что такое электролитический конденсатор.

В схеме усилителя резистор R1 является самым основным, он задает ток смещения на базе Т1 дабы отпереть транзистор, вывести его из режима отсечки в активный режим, либо другими словами задать базисный ток. От того, какой номинал (величину сопротивления) резистора мы будем применять, будет зависеть сила тока, который потечет через цепь +Uпит – R1 — база — эмиттер и на минус источника питания. Задавая подходящий базисный ток резистором R1, мы избираем режим работы нашего усилителя, при котором сигнал с микрофона не будет больше режима насыщения и отсечки, а будет приблизительно посреди активного режима транзистора. Микрофон выдает сигнала который представляет собой переменный ток, надеюсь ты уже знаешь, что переменный ток имеет как положительную, так и отрицательную полярность, соответственно на базу транзистора будет подаваться или (+) или (–) зависимо от этого транзистор будет больше раскрываться либо напротив запираться. Поэтому, напряжение на коллекторе в точке подключения конденсатора С2 так же будет изменяться и на входе конденсатора С2 ты получишь копию входного микрофонного сигнала, только неоднократно усиленную.

Читайте по теме: Как включить электрический теплый пол

Ведь на вход усилителя, мы подаем с микрофона очень малеханькое напряжение, измеряемое в микровольтах, а на коллекторе транзистора, пульсация напряжения будет в несколько Вольт, сейчас можно подключить наушники и услышать рыбок :).

Естественно, эту схему усилителя собирать не стоит, так как она имеет некоторые недочеты, но, как пример работы транзистора в качестве усилителя, очень даже годится. Сейчас ты знаешь, как работает транзистор – это Легко!

Биполярные транзисторы и их свойства

Для обычной работы конфигурации силы тока необходимы особые устройства – транзисторы. Статья посвящена одной из разновидностей этих устройств – биполярным транзисторам. Тут детально описано, что же все-таки это такое, где и как применяется. Тщательно освещены технические свойства, рассмотрены особенности конструкции, указаны плюсы и недочеты. Прилагаются схемы подключения устройств.

Что такое биполярный транзистор

Так выглядит биполярный транзистор.

Биполярный транзистор – это разновидность транзистора, где электроны и дырки применяются в качестве носителей заряда.

Униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, используют только один вид носителя заряда, биполярные применяют же два перехода между 2-мя типами полупроводников – n-тип и p-тип.

Где и как применяется биполярный транзистор

Такие транзисторы используются в самом разном электронном оборудовании.

Устройства могут применяться как усилители либо переключатели. Такая функция предоставляет им огромную сферу использования в электронном оборудовании: компы, телеки, мобильники, телефоны, усилители звука, промышленный контроль, также радиопередатчики.

Также устройства входят в состав катушки Теслы, также могут являться элементом частотного преобразователя вместе с трансформаторами тока.

Особенности конструкции

Устройство биполярного транзистора состоит из трёх по-разному легированных полупроводниковых областей:

  • области эмиттера;
  • области базы;
  • области коллектора.

Есть два основных режима работы биполярного транзистора.

Этими областями являются соответственно p-тип, n-тип и p-тип в транзисторе PNP и n-тип, p-тип и n-тип в NPN-транзисторе.

Любая полупроводниковая область соединена с выводом, который имеет соответственное обозначение: эмиттер (E), основание (B) и коллектор (C).

Основание размещено между излучателем и коллектором. Оно сделано из легированного легкого материала с высочайшим удельным сопротивлением. Коллектор окружает область эмиттера, что делает фактически неосуществимым выход электронов, инжектированных в базисную область, без сбора. Это делает результирующее значение α очень близким к единице, таким макаром давая транзистору большой коэффициент усиления тока (β). Вид в поперечном сечении биполярного транзистора показывает на то, что переход коллектор-база имеет еще огромную площадь, ежели переход эмиттер-база.

Технические свойства биполярного транзистора

Технические характеристики немного отличаются для транзисторов с общей базой, эмиттером и коллектором.

  • Входной импеданс – маленький.
  • Выходной импеданс – очень высочайший.
  • Фазовый угол – 0 градусов.
  • Усиление напряжения – высочайшее.
  • Усиление тока – низкое.
  • Усиление мощности – низкое.

С общим эмиттером:

  • Входной импеданс – средний.
  • Выходной импеданс – высочайший.
  • Фазовый угол – 180 градусов.
  • Усиление напряжения – среднее.
  • Усиление тока – среднее.
  • Усиление мощности – очень высочайшее.

С общим коллектором:

  • Входной импеданс – высочайший.
  • Выходной импеданс – маленький.
  • Фазовый угол – 0 градусов.
  • Усиление напряжения – низкое.
  • Усиление тока – высочайшее.
  • Усиление мощности – среднее.

Также есть таковой показатель, как частота. Она обозначает возможность работы устройства до его определённых пределов.

Как работает биполярный транзистор

В стандартной работе соединение база-эмиттер смещено вперед. Это означает, что сторона соединения с легированием типа p имеет более положительный потенциал, чем сторона с легированием типа n. Соединение база-коллектор имеет оборотное смещение.

Когда прямое смещение применяется к переходу база-эмиттер, нарушается равновесие между термически генерируемыми носителями и отражающим электрическим полем области истощения эмиттера с n-присадкой. Это позволяет термически возбужденным электронам инжектироваться из эмиттера в область базы. Эти электроны диффундируют (соединяются) через основание из области высочайшей концентрации вблизи с эмиттером в область низкой концентрации поблизости коллектора. Электроны в основании именуются миноритарными носителями, так как основание легировано р-типом, что делает дырки главным носителем в основании.

Посмотрите, как работает биполярный транзистор.

Поток заряда в биполярном транзисторе обоснован диффузией носителей заряда через соединение между 2-мя областями с разной концентрацией заряда. Дискретный транзистор имеет три провода для подключения к этим областям. Обычно, область эмиттера сильно легирована по сопоставлению с 2-мя другими слоями. Коллектор легирован еще легче, чем основание (легирование коллектора обычно в 10 раз легче базисного легирования).

По собственной конструкции большая часть тока коллектора биполярного транзистора обоснована ​​потоком носителей заряда (электронов и/либо дырок), которые инжектируются из сильно легированного эмиттера в основание. Уже там они являются миноритарными носителями, которые диффундируют к коллектору.

  • обычный;
  • барьерный;
  • инверсный активный;
  • режим осечки.

Какие есть виды

Посреди более фаворитных встречается два типа биполярных резисторов – NPN и PNP.

Транзистор NPN

Узнайте, что такое биполярный транзистор.

Это один из 2-ух типов биполярных транзисторов, состоящих из слоя p-легированного полупроводника между 2-мя n-легированными слоями.

Маленькое количество тока, поступающего в базу, усиливается для того, дабы прирастить ток коллектора и эмиттера. Другими словами когда есть положительная разность потенциалов, измеренная от базы NPN-транзистора к его эмиттеру (другими словами когда база выше касательно эмиттера), также положительная разность потенциалов, измеренная от коллектора к эмиттеру, транзистор становится активным. В этом «включенном» режиме ток течет от коллектора к эмиттеру транзистора. Большая часть тока переносится электронами, которые идут от эмиттера к коллектору в качестве неосновных носителей в базисной области p-типа.

Дабы обеспечить больший ток и поболее резвую работу, большая часть биполярных транзисторов, применяемых сейчас, являются NPN. Это связано с тем, что у них подвижность электронов выше, чем подвижность дырок.

Транзистор PNP

Есть несколько основных характеристик биполярного транзистора.

Он состоит из слоя n-легированного слоя полупроводника между 2-мя p-легированными.

Когда маленький ток покидает базу, то он усиливается на выходе коллектора. Другими словами транзистор PNP включен, когда его основание опущено относительно эмиттера. В PNP-транзисторе область эмиттер-база смещена вперед. В связи с этим отверстия вводятся в базу в качестве миноритарных носителей. Основание очень тонкое, и большая часть отверстий пересекают оборотное смещение соединения база-коллектор с коллектором.

Стрелки на знаках транзистора NPN и PNP указывают на PN-соединение между базой и эмиттером. Когда устройство находится в прямом активном либо прямом насыщенном режиме, стрелка, расположенная на ножке эмиттера, показывает в направлении обыденного тока.

Биполярные транзисторы можно систематизировать по другим чертам.

Такие транзисторы имеют разную мощность и материал изготовления.

Большая распространяемая мощность:

  • 0-0,3 Вт;
  • 0,3-3 Вт;
  • выше 3 Вт.
  • кремний;
  • арсенид галия.
  • низкая (до 3 мГц);
  • средняя (до 30 мГц);
  • высочайшая (до 300 мГц)
  • сверхвысокая (выше 300 мГц).

Плюсы

Устройство биполярного транзистора несложное.

  • Устройство обладает большой пропускной способностью усиления.
  • Оно показывает доброкачественную производительность на высочайшей частоте.
  • Устройство имеет лучшее усиление напряжения.
  • Оно может работать как при низкой, так и при высочайшей мощности.
  • Обладает высочайшей плотностью тока.
  • Имеет низкое прямое падение напряжения.

Недочеты

Воздействие на транзистор ионизирующего излучения может вызывать радиационные повреждение. Радиация вызывает скопление «дефектов» в области базы, которое является центром процесса рекомбинации. Возникающее в итоге сокращение срока службы некоторых компонент устройства приводит к постепенной потере коэффициента усиления транзистора.

Транзисторы имеют «максимальные номинальные показатели»: мощность, наибольшие номиналы тока коллектора и базы, также номинальные характеристики упадка напряжения. Если характеристики будут выше этих номинальных характеристик, то устройство может выйти из строя либо, по последней мере, усугубить свою работу.

Схемы подключения

Существует несколько схем включения биполярных транзисторов.

Их конструкция находится в зависимости от общего вывода, и делятся они на 3 группы:

  • с общей базой;
  • с общим эмиттером;
  • с общим коллектором.

Схема включения с общей базой:

Схема включения биполярных транзисторов с общей базой.

В функции эмиттера заходит инжекция (поставка) главных носителей на базу. Как пример – электроны. Источники должны быть согласованы с условием E2 >> E1. За ограничение тока открытого перехода p-n отвечает резистор Rэ.

Электрический ток будет маленьким при условии E1 = 0. Также он является исходным коллекторным током (I к 0). Если E1 > 0 электроны сумеют попасть в базу, так как проходят через p-n-переход.

У базы должно быть достаточно огромное удельное сопротивления, что делает в ней концентрацию ней дырок низкой. В связи с этим некоторые электроны, которые достигнули базы, проходят процесс рекомбинации с дырками. Так, выходит базисный электрический ток Iб. В это время с областью E2 повлияет еще большее поле, по сопоставлению с переходом эмиттера. Это и заводит электроны в сам коллектор. Конкретно это и обуславливает достижение коллектора большей частью электронов.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером:

Так можно подключить биполярный транзистор с общим эмиттером.

Схема включения с общим коллектором. А – принципная схема, б – эквивалентная.

Есть разные схемы подключения в зависимости от типа биполярных транзисторов.

Подключение данных устройств является достаточно трудоёмким процессом, требующим особенного внимания и ответственности.

Применение биполярных транзисторов с микроконтроллерами

В современном цифровом мире микроконтроллерам часто требуется выполнять какие-то действия в физическом мире людей с помощью различных механических, оптических, акустических и других внешних устройств. Транзисторы призваны согласовать микроконтроллер с исполнительными устройствами. В статье рассмотрим применение биполярных транзисторов в ключевых режимах.

Биполярный транзистор является по сути токовым прибором, током управляется и током управляет. По типу проводимости биполярные транзисторы бывают pnp и npn типа.

Наиболее часто используется схема включения с общим эмиттером. В этой схеме управление подается на базу через токоограничивающий резистор относительно эмиттера. Нагрузка подключается в цепь коллектора.

Схема управления светодиодом с рабочим током 50 мА

Светодиодом с рабочим током 50 мА нельзя управлять непосредственно от микроконтроллера, так как допустимый выходной ток с ножки обычно ограничен значением 10 мА – 20 мА.

Например, нам нужно включать/выключать инфракрасный светодиод BL-L513IRBC которым мы планируем управлять кондиционером.

Рисунок 1. Управление светодиодом через эмиттерный повторитель

Резистор R1 задает ток базы транзистора при включении и при выключении. Транзистор BC847C довольно маломощный и при токе 50 мА на коллекторе в режиме насыщения будет падать около 200 мВ. Падение на светодиоде составит 2.0 В. Резистор R2 нужно выбрать таким, чтобы ток через светодиод был равен 50 мА. При питании 12 В, и суммарном падении напряжения на транзисторе и светодиоде 2.2 В на резисторе будет напряжение 9.8 В. Чтобы получить ток 50 мА сопротивление резистора R2 должно быть 196 Ом.

Если взять более мощный транзистор, например, BC817-25, то напряжение насыщения коллектора у него будет меньше, около 40 мВ при токе коллектора 50 мА, но у более мощных транзисторов, как правило, меньше коэффициент усиления.

При питании коллекторной цепи от 12 В мы можем соединить несколько светодиодов последовательно и управлять ими одновременно (например, чтобы увеличить дальность работы нашего пульта управления) соответственным образом пересчитав токоограничивающий резистор R2.

Как выбрать резистор в базе транзистора? Транзистор BC847C имеет коэффициент передачи по току hFE = 400 – 800. В линейном режиме это будет означать что ток базы (управляющий ток) во столько раз меньше тока коллектора (управляемый ток). Так как схема у нас работает в ключевом режиме, то ток базы необходимо установить больше. Чем больше ток базы, тем быстрей транзистор включится. Коэффициент во сколько раз ток базы превышает минимальный называется коэффициентом насыщения. Минимальный ток базы (с коэффициентом насыщения единица) который полностью откроет транзистор будет 50 мА / 400 = 0.125 мА. Так как характеристики транзистора меняются со временем, при изменении температуры, при изменении тока коллектора, от партии к партии, у разных производителей, правильным решением будет задавать коэффициент насыщения больше единицы, иначе может возникнуть ситуация при которой транзистор будет открываться не полностью и схема будет работать при этом не верно. Верхнее значение тока базы ограничено либо максимальным током базы по документации на транзистор, либо максимально допустимым током который может выдать выход микроконтроллера. Пусть максимальный ток базы у нас будет 10 мА.

Рассчитаем базовый резистор для схемы на рисунке 1. Напряжение на базе при насыщении принято считать 0.7 В. При питании микроконтроллера 3.3 В на базовом резисторе будет напряжение 2.6 В. Минимальный базовый ток 0.125 мА будет обеспечен сопротивлением 20800 Ом. Максимальный базовый ток 10 мА будет обеспечен сопротивлением 260 Ом. В данном случае у нас довольно широкий диапазон выбора сопротивления, можем взять 1 кОм.

Рассмотрим схему с другой нагрузкой

Рисунок 2. Управление мощной нагрузкой

Нам нужно включать мотор с рабочим током 0.7 А. Для включения нам потребуется более мощный транзистор. Возьмем транзистор SS8050 с максимально допустимым током коллектора 1.5 А. У этого транзистора минимальный коэффициент передачи тока 120. При токе коллектора 0.7 А, нам необходимо обеспечить минимальный ток базы 5.8 мА. С учетом того что необходимо реализовать коэффициент насыщения больше единицы, у нас остается рабочий вариант для тока базы 10 мА. При заданном токе коллектора 0.7 А напряжение насыщения базы этого транзистора составит около 1.2 В (по документации на транзистор). Напряжение на базовом резисторе получится 2.1 В, Минимальное сопротивление базового резистора получается 2.1 В / 0.010 А = 210 Ом. Максимальное сопротивление базового резистора получается 2.1 В / 0.0058 А = 360 Ом. Если мы поставим базовый резистор больше 360 Ом, транзистор заведомо не будет открываться полностью и не обеспечит ток на выходе в 0.7 А.

При токе коллектора 0.7 А напряжение насыщения коллектора составит около 0.2 В. Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора составит около 0.14 Вт, транзистор при этом будет заметно теплым.

Дополнительно отмечу, что электродвигатель постоянного тока является индуктивной нагрузкой и параллельно ему обязательно нужно ставить защитный диод который защитит транзистор от ЭДС самоиндукции при выключении транзистора. Номинальный ток этого диода должен быть равен или больше рабочего тока индуктивной нагрузки. Рабочее напряжение диода должно быть больше напряжения питания нагрузки.

Нужно указать на важный момент. Чем больше ток базы, тем быстрей включится транзистор, тем больше коэффициент насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, там медленней транзистор будет выключаться. Задержка выключения может достигать нескольких сотен наносекунд. На первый взгляд эта величина кажется слишком маленькой чтобы обращать на нее внимание. Фактически, если вы станете управлять током через нагрузку с помощью ШИМ, или постараетесь увеличить скорость передачи данных через инфракрасный канал, вы увидите что задержка выключения транзистора будет очень сильно искажать сигнал.

Например, возьмем ШИМ частотой 20 кГц с разрешением 8 бит. Период ШИМ-а будет 50 микросекунд, разрешение одного шага составит около 200 наносекунд. Задержка выключения транзистора на 400 наносекунд поглотит разрешение двух младших бит и оставит от разрешения 8 бит всего 6 бит динамического диапазона.

Для увеличения скорости выключения транзистора есть способы которые мы рассмотрим позже.

Рассмотрим еще одну схему, которая обладает рядом интересных свойств

Рисунок 3. Схема стабилизации тока

Эта схема также с общим эмиттером. В ней отсутствует резистор в цепи базы, и ток базы задается сопротивлением резистора в цепи эмиттера. Через этот резистор течет ток базы и ток коллектора (ток управления и ток нагрузки). Получается отрицательная обратная связь: при увеличении тока нагрузки, будет увеличиваться ток через эмиттерный резистор и при этом будет увеличиваться падение напряжения на эмиттерном резисторе. Так как напряжение на базе у нас фиксированное, 3.3 В, то при увеличении напряжения на эмиттерном резисторе напряжение на эмиттерном переходе транзистора будет уменьшаться, при этом будет уменьшаться ток базы и транзистор будет закрываться. Таким образом, будет стабилизироваться эмиттерный ток транзистора. Так как базовый ток в коэффициент усиления раз меньше коллекторного, то его влияние на напряжение эмиттерного резистора незначительное и, при первом приближении, его можно не учитывать при расчете и считать что ток эмиттера приблизительно равен току коллектора .

Сопротивление эмиттерного резистора рассчитать довольно просто. При управляющем напряжении 3.3 В, и падении на эмиттерном переходе 0.7 В напряжение на эмиттерном резисторе получается 2.6 В. При целевом токе в нагрузке 50 мА, сопротивление эмиттерного резистора должно быть около 52 Ом.

Эта схема позволяет стабилизировать ток нагрузки, то есть, при изменении напряжения питания нагрузки (или при изменении сопротивления нагрузки) ток через нагрузку останется постоянным. Мы можем поставить один светодиод, два или три при этом эмиттерный резистор менять не придется и ток через светодиоды будет один и тот же. При этом нужно отметить, что в этой схеме избыточное напряжение падает на транзисторе и нужно учитывать мощность рассеиваемую на транзисторе.

Транзистор в этой схеме работает в линейном режиме и не входит в насыщение. Это позволяет транзистору быстро открываться и быстро закрываться.

В этой схеме только один резистор вместо двух, что так же может иметь важное значение в практическом применении.

Важно чтобы напряжение управления базы было стабильным, так как оно является опорным для стабилизации тока.

Для питания коллекторной цепи этой схемы требуется напряжение большее чем напряжение управляющего сигнала.

Способы сократить время выключения транзистора

Если у нас стоит базовый резистор и мы управляем транзистором от вывода микроконтроллера с питанием 3.3 В, то получается что мы включаем транзистор током с 3.3 В , а выключаем транзистор током через тот же резистор, но током с напряжения 0.7 В, то есть ток базы на выключение транзистора получится меньше.

Рисунок 4. Время выключения транзистора 1200 нсек

Это одна из причин почему выключается транзистор медленней. Для увеличения скорости выключения транзистора мы можем применить такую схему.

Рисунок 5. Время выключения транзистора 400 нсек

В схеме на рисунке 5, при выключении, когда выходной сигнал с микроконтроллера становится равным 0 В, получается что оба резистора 300 Ом и 200 Ом соединяются параллельно и суммарное сопротивление становится меньше, что приводит к увеличению тока базы транзистора при выключении. Это увеличивает скорость выключения транзистора.

Еще один способ увеличить скорость выключения транзистора, это сократить глубину насыщения транзистора при включении. Диод подключенный от базы на коллектор уменьшит глубину насыщения. Вначале включения на коллекторе высокое напряжение, диод закрыт и весь ток базового резистора течет через эмиттерный переход транзистора. Когда напряжение на коллекторе станет ниже напряжения базы, этот диод начнет шунтировать эмиттерный переход и часть тока базового резистора потечет через диод при этом ток через эмиттерный переход уменьшится и это сократит глубину насыщения транзистора.

Рисунок 6. Задержка выключения транзистора составляет около 20 нсек

Каскад увеличения выходного тока на биполярных транзисторах.

Эта схема позволяет увеличить ток на выходе. Это полумостовая схема. В ней используется два транзистора различной проводимости, комплементарная пара транзисторов. Оба транзистора, и верхний и нижний, в этой схеме включены по схеме с общим коллектором. Включение с общим коллектором обладает такой особенностью, что выходное напряжение не может быть больше входного напряжения, при этом происходит усиление тока.

Рисунок 7. Схема увеличения выходного тока

При построении полумоста на полевых транзисторах нужно особым образом проектировать схему управления, и если оба транзистора управлять от одного сигнала, то в момент переключения будет течь сквозной ток с питания на землю, так как один транзистор уже включился, а другой еще не успел выключиться.

Сквозной ток плох тем, что он будет увеличивать потребление, сквозной ток будет создавать мощную помеху и может вывести транзисторы из строя. Для устранения этого для управления полумостом полевых транзисторов используют два сигнала, на один транзистор подается сигнал отключения, затем пауза на время отключения транзистора (мертвое время, deadtime), затем подается сигнал на включение второго транзистора. Такой способ заметно усложняет схему управления и требует два различных сигнала управления. Полумостовая схема на биполярных транзисторах включенных с общим эмиттером тоже требует мертвое время при переключении для исключения сквозного тока.

Схема изображенная на рисунке 7 с биполярными транзисторами включенными по схеме с общим коллектором лишена такого недостатка, и полумост может управляться одним сигналом. То есть сквозной ток через оба транзистора при переключении в схеме на рисунке 7 отсутствует.

Дополнительным достоинством этой схемы, является отсутствие резисторов.

Так же, транзисторы в этой схеме работают без насыщения, то есть максимально быстро включаются и отключаются, что позволяет применять эту схему как усилитель ШИМ.

Недостатком этой схемы является падение на транзисторах. На примере нижнего транзистора. Когда мы переводим сигнал управления на базе с 3.3 В на 0 В, нижний транзистор начинает включаться. При этом напряжение на эмиттере транзистора не может стать равным нулю, так как в этом случае через эмиттерный переход будет отсутствовать ток открывающий транзистор. Таким образом минимальное напряжение на выходе этого каскада составит около 0.7 В. Аналогичная ситуация и с верхним транзистором, максимальное напряжение на выходе каскада не может быть больше чем напряжение питания минус 0.7 В.

Как можно использовать каскад усиления тока

Если взять два таких полумоста с питанием равным напряжению питания микроконтроллера, сделать сигнал ШИМ и его инверсию (либо отдельным инвертором, либо конфигурацией выходов в микроконтроллере) и подать каждый сигнал на свой полумост, то получится довольно мощный усилитель, например для генерации звука.

Рисунок 8

При питании усилителя от 3.3 В Размах напряжения на выходе составит 3.3 В — 2 * 0.7 В = 1.9 В. При использовании динамической головки сопротивлением 4 Ом ток через нее составит около 0.4 А и максимальная мощность на нагрузке получится чуть больше половины Ватта. Что довольно таки хорошо для такого простейшего усилителя ШИМ. Питание этой схемы усилителя нужно качественно фильтровать, так как любое изменение напряжения питания будет отражаться на изменении тока через нагрузку.

При применении микроконтроллера с питанием 5 В так же можно увеличить напряжение питания усилителя до 5 В, при этом выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом получится около 3 Вт. При этом нужно взять транзисторы с большим допустимым током коллектора, например комплементарную пару SS8550 (pnp) и SS8050 (npn), они допускают ток коллектора до 1.5 А, транзисторы придется дополнительно охлаждать.

Эту же схему можно использовать для управления коллекторными моторами с применением ШИМ. Схема позволяет менять направление вращения электромотора. При использовании более высокого напряжения питания этого усилителя тока требуется также увеличить напряжение управляющего сигнала.

Рисунок 9. Мост управления коллекторным двигателем

Для приведения уровня управляющего сигнала с 3.3 В до 15 В применен транзистор.

В этой схеме для управления каждым полумостом используется логическая микросхема 4069 (CD4069UB). В этой микросхеме шесть логических инверторов, питание микросхемы может осуществляться от 3 В до 18 В. Для управления мостом необходимо подать питание на эту микросхему от того же напряжения питания что и мост. Эта же микросхема используется для формирования инверсного сигнала для второго полумоста. Для того чтобы на нагрузку можно было подать максимальное напряжение 12 В с учетом падения на транзисторах, увеличено напряжение питания моста до 15 В. В этой схеме реализован режим управления током нагрузки fast decay. Для реализации режима slow decay потребуется отдельное управление для каждого полумоста.

Для упрощения понимания в статье рассматриваются только основные параметры, и характеристики реальных каскадов будут несколько отличаться. Все схемы приведенные в статье промоделированы в LTspice

Раз вы дочитали до этого момента – значит статья вас заинтересовала. Поддержите автора донатом!

NPN транзистор

На заре прошлых веков конца 19 века ученые физики и практики (Гутри, Браун, Эдисон, Боус, Пикард, Флеминг) разных стран совершили принципиальное открытие и получили патенты на «детектор», «выпрямитель» — так тогда называли диод. Вслед за диодом последовало эпохальное открытие транзистора. Перечисление имен ученых разных стран, приложивших голову и руки к открытию транзистора, заняло бы много строк.

Основными теоретиками считаются Шокли, работавший в Bell Telephone Laboratories, а также его коллеги Бардин и Браттейн.

Шокли, Бардин и Браттейн

Слева направо: Шокли, Бардин и Браттейн

В итоге их работ, в 1947 году, получен первый образец работающего точечного германиевого транзистора, и на его основе, в том же году, был разработан первый усилитель, имевший коэффициент усиления 20 дБ (в 10 раз) на частоте 10 Мгц.

Серийный выпуск точечных транзисторов фирмой Western Electric начался в 1951 году и достиг около 10 000 штук в месяц в 1952 году. В СССР первый точечный транзистор был создан в 1949 г. Серийный выпуск точечных транзисторов был налажен в 1952 году, а плоскостных — в 1955 году. Затем последовали следующие открытия в теории и технологиях: транзисторы на выращенных переходах (1950 г.), сплавные транзисторы (1952 г.), диффузные мета-транзисторы (1958 г.), планарные транзисторы (1960 г.), эпитаксиальные транзисторы (1963 г.), многоэмиттерные транзисторы (1965 г.) и т. д.

Как же появился среди них наш герой — транзистор Дарлингтона (далее по тексту ТД)? Дарлингтон (англ. Darlingtone) — город в в Великобритании. Однако и люди могут иметь фамилии по имени городов или наоборот. Таким является сотрудник все той же фирмы Bell — Сидни Дарлингтон

Сидни Дарлингтон

Сидни Дарлингтон

Зачем же потребовалась эта «сладкая парочка»? Дело в том, что первые транзисторы имели весьма посредственные характеристики, если смотреть на сегодняшние успехи. Прежде всего — невысокий коэффициент усиления. Сейчас это кажется странным — подумаешь, каскадное соединение — это элементарно! Но тогда, в 1953 году — это были пионерские работы.

Что такое NPN транзистор?

Транзисторы вытеснили электролампы, позволили уменьшить количество реле, переключателей в устройствах. Это полупроводниковые триоды — радиоэлектронные компоненты из полупроводников, стандартно имеют 3 вывода.

устройство полевого транзистора

Транзисторы, предназначенные для управления током, то есть основным силовым фактором электросхем, именно его удар (не напряжения) несет опасность для человека.

полевые транзисторы

Элемент способен контролировать чрезвычайно высокие величины в выходных цепях при подаче слабого входного сигнала. Транзисторы повышают, генерируют, коммутируют, преобразовывают электросигналы, это основа микроэлектроники, электроустройств.

• биполярный транзистор

Разновидности по принципу действия:

  • биполярный транзистор из 2 типов проводников, в основе функционирования – взаимодействие на кристалле соседних p-n участков. Состоят из эмиттера/коллектора/базы (далее, эти термины будем сокращать): на последнюю идет слабый ток, вызывающий модификацию сопротивления (дальше по тексту «сопр.») в линии, состоящей из первых 2 элементов. Таким образом, протекающая величина меняется, сторона ее однонаправленности (n-p-n или p-n-p) определяется характеристиками переходов (участков) в соответствии с полярностью подключения (обратно, прямо). Управление осуществляется модулированием тока на сегменте база/эмит., вывод последнего всегда общий для сигналов управления и выхода;
  • полевой. Тип проводника один — узкий канал, подпадающий под электрополе обособленного затворного прохода. Контроль основывается на модуляции количества Вольт между ним и истоком. А между последним и стоком течет электроток (2 рабочие контакты). Величина имеет силу, зависящую от сигналов, формируемых между затвором (контакт контроля) и одной из указанных частей. Есть изделия с p-n участком управления (рабочие контакты подключаются к p- или n-полупроводнику) или с обособленными затворами.

полевой транзистор

У полевиков есть варианты полярности, для управления требуется низкий вольтаж, из-за экономичности их ставят в радиосхемы с маломощными БП. Биполярные варианты активируются токами. В аналоговых сборках превалируют вторые (БТ, BJT), в цифровых (процессоры, компьютеры) — первые. Есть также гибриды — IGBT, применяются в силовых схемах.

полевые и биполярные транзисторы

Конструкция NPN транзистора

Конструктивная схема транзистора NPN транзистора состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

pnp транзистор

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока (“внутрь” для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

pnp транзистор

Схема NPN транзистора

Когда NPN транзистор связан с ресурсами напряжения, базовый ток будет проходить через транзистор. Даже небольшое количество базы контролирует циркуляцию большого количества тока через эмиттер к коллектору. Напряжение базы выше, чем напряжение на эмиттере.

Будет интересно➡ Что делать, если искрит розетка: расписываем суть

Когда VB базовое напряжение не -ve по сравнению с VE напряжение эмиттера, ток не может проходить в цепи. Таким образом, необходимо обеспечить подачу напряжения обратного смещения> 0.72 Вольт.

Резисторы RL и RB включены в цепь. Это ограничивает ток, проходящий через максимально возможную высоту транзистора.

Напряжение эмиттера VEB как входная сторона. Здесь ток эмиттера (IE) течет со стороны входа и течет в двух направлениях; один яB а другое это яC.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

pnp npn транзисторы

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

Как работает NPN транзистор

Когда мы с вами, друзья мои, разобрались в том, что вообще такое этот транзистор, давайте узнаем, как он работает. Устроен он довольно просто, нужно просто понять принцип. Для этого введем два очень важных понятия: эмиттер и коллектор. Эмиттер (как и в слове эмиссия) выпускает заряды и они двигаются в сторону коллектора. Так вот, в состоянии покоя, когда, грубо говоря, все выключено, ток в транзисторе не протекает, потому что между эмиттером и коллектором есть полупроводниковый переход. Однако, когда подается незначительное напряжение на базу транзистора, ток начинает течь и при этом даже можно его усиливать. Как? Колебания небольшого тока в точности повторяются, но уже с большей амплитудой. Вот схема простого транзистора:

Схема транзистора
Схема транзистора

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

pnp npn транзисторы

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB.

В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий.

Проверка биполярных типов

Проверка биполярных типов

Ниже схема проверки npn, pnp транзисторов тестером, после нее распишем процедуру по пунктам.

схема проверки npn, pnp транзисторов тестером

Биполярный транзистор снабжен p-n линиями — условно, это диоды, а точнее, 2 таковых расположенных встречно, точка их пересечения — «база».

npn, pnp транзисторы

Один условный диод сконструирован контактами базы/коллект., иной — базы/эмит. Для анализа хватит посмотреть сопр. (прямо и обратно) указанных участков: если там нет неполадок, то деталь без изъянов.

принцип работы биполярного транзистора

Проверка своими руками без выпаивания биполярного pnp, npn транзистора предполагает прозвонку 3 комбинаций ножек:

прозвонка

Вариант p-n-p

Структуры (типы) показывает стрелка эмит. участка: p-n-p/n-p-n (к базе/от нее). Начнем с проверки первого варианта. Раскрываем p-n-p деталь подачей на базу минусового напряжения. На мультиметре селектор ставим на замеры Ом на отметку «2000», допускается также выставлять на «прозвонку».

Жила «−» (черная) — на ножку базы. Плюс (красная) — поочередно к коллект., эмит. Если участки не поврежденные, то отобразят около 500–1200 Ом.

p-n-p

Дальше опишем, как прозвонить обратное сопр.: «+» – на базу, «−» — на колл. и эмит. Должно отобразиться высокое сопр. на обоих p-n участках. У нас появилась «1», то есть для выставленной рамки в «2000» значение превышает 2000. Значит, 2 перехода без обрывов, изделие исправное.

Будет интересно➡ Что такое сетевой фильтр, для чего он нужен и где применяется

p-n-p 2

Аналогично, как описано, можно прозвонить на исправность транзистор, не выпаивая из схемы. Реже есть сборки, где к переходам применено основательное шунтирование, например, резисторами. Тогда, если отобразится слишком низкое сопр., потребуется выпаивать деталь.

коллектор

Структура n-p-n

Элементы n-p-n проверяются аналогично, только на базу от тестера идет щуп «+».

Структура n-p-n

Признаки неисправности

Если сопр. (прямое и обратное) одного из участков (p-n) стремится к бесконечности, то есть на отметке «2000» и выше на дисплее «1», значит, данный участок имеет обрыв, транзистор не годный. Если же «0» — изделие также с изъяном, пробит участок. Прямое сопр. там должно быть 500–1200 Ом.

Проверка простой схемой включения транзистора

Соберите схему с транзистором, как показано на рисунке. В этой схеме транзистор работает как “ключ”. Такая схема может быть быстро собрана на монтажной печатной плате, например. Обратите внимание на 10Ком резистор, который включается в базу транзистора.

Это очень важно, иначе транзистор “сгорит” во время проверки. Если транзистор исправен, то при нажатии на кнопку светодиод должен загораться и при отпускании – гаснуть. Эта схема для проверки npn-транзисторов. Если необходимо проверить pnp-транзистор, в этой схеме надо поменять местами контакты светодиода и подключить наоборот источник питания.
Проверка транзистора мультиметром более проста и удобна. К тому же, существуют мультиметры с функцией проверки транзисторов. Они показывают ток базы, ток коллектора и даже коэффициент усиления транзистора.

Пошаговая инструкция проверки мультимером

проверка транзистора мультиметром

Перед началом проверки, прежде всего определяется структура триодного устройства, которая обозначается стрелкой эмиттерного перехода. Когда направление стрелки указывает на базу, то это вариант PNP, направление в сторону, противоположную базе, обозначает NPN проводимость.

Проверка мультимером NPN транзистора состоит из таких последовательных операций:

  1. Проверяем обратное сопротивление, для этого присоединяем «плюсовой» щуп прибора к его базе.
  2. Тестируется эмиттерный переход, для этого «минусовой» щуп подключаем к эмиттеру.
  3. Для проверки коллектора перемещаем на него «минусовой» щуп.

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

Для проверки прямого сопротивления меняем щупы местами:

  1. «Минусовой» щуп прибора присоединяем к базе.
  2. «Плюсовой» щуп поочередно перемещаем от эмиттера к коллектору.
  3. На экране мультиметра показатели сопротивления должны составить от 500 до 1200 Ом.

Данные показания свидетельствуют о том, что переходы не нарушены, транзистор технически исправен.

Многие любители имеют сложности с определением базы, и соответственно коллектора или эмиттера. Некоторые советуют начинать определение базы независимо от типа структуры таким способом: попеременно подключая черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – поочередно ко второму и третьему.

База обнаружится тогда, когда на приборе начнет падать напряжение. Это означает, что найдена одна из пар транзистора – «база – эмиттер» или «база – коллектор». Далее необходимо определить расположение второй пары таким же образом. Общий электрод у этих пар и будет база.

Основные причины неисправности

транзистор

Наиболее часто встречающиеся причины выхода из рабочего состояния триодного элемента в электронной схеме следующие:

  1. Обрыв перехода между составными частями.
  2. Пробой одного из переходов.
  3. Пробой участка коллектора или эмиттера.
  4. Утечка мощности под напряжением цепи.
  5. Видимое повреждение выводов.

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

Советы

  1. Существует множество способов определения неисправности, но для начала нужно разобраться в строении самого элемента, и четко понимать конструкционные особенности.
  2. Выбор прибора для проверки – это важный момент, касающийся качества результата. Поэтому при недостатке опыта не стоит ограничиваться подручными средствами.
  3. Проводя проверку, следует четко понимать причины выхода из строя тестируемой детали, чтобы не вернуться со временем к тому же состоянию неисправности бытовой электротехники.

Как работает транзисторный ключ

Типы полупроводниковых структур биполярных транзисторов

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Обозначение биполярных транзисторов в схемах

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

Схема замещения транзистора диодами

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Схема включения транзисторов

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Будет интересно➡ Блуждающие токи и способы борьбы с ними

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Схема транзисторного ключа

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1~b2 и b3~b4 . Различие можно компенсировать за счёт подбора пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13~b24 (см. табл. 1).

  • Схема на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведённых схем: требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или раздельные радиаторы) и обеспечивает наименьший размах напряжения, поскольку между базами СТ должно падать ~2 В, в противном случае сильно проявятся искажения типа «ступенька».
  • Схема на рис. 3б досталась в наследство с тех времён, когда ещё не выпускались комплементарные пары мощных транзисторов. Единственный плюс по сравнению с предыдущим вариантом – меньшее падение напряжения ~1,8 В и больше размах без искажений.
  • Схема на рис. 3в наглядно демонстрирует преимущества СТШ: между базами СТ падает минимум напряжения, а мощные транзисторы можно посадить на общий радиатор без изоляционных прокладок.

На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:

NPN транзистор

Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.

NPN транзистор

Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ

NPN транзистор

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

В линейных цепях можно использовать любые подходящие комбинации транзисторов. Автору встречалась бытовая советская техника, в которой использовались СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принято /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве комплементарной пары можно взять C945 и A733, часто встречающиеся в старых компьютерных БП.

Для коммутации электромеханических приводов и, тем более, в импульсных схемах следует использовать готовые СТ с нормированными параметрами включения и выключения, паразитными ёмкостями. Типичный пример – широко распространённые импортные комплементарные СТД серии TIP12х.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Мощность и сложность транзистора Дарлингтона может регулироваться через увеличение количества включённых в него биполярных транзисторов. Существует также IGBT-транзистор, который включает в себя биполярный и полевой транзистор, используется в сфере высоковольтной электроники.

Главным достоинством составных транзисторов считается их способность давать большой коэффициент усиления по току. Дело в том, что, если коэффициент усиления у каждого из двух транзисторов будет по 60, то при их совместной работе в составном транзисторе общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов входящих в его состав транзисторов (в данном случае — 3600). Как результат — для открытия транзистора Дарлингтона потребуется довольно небольшой ток базы.

Недостатком составного транзистора считается их низкая скорость работы, что делает их пригодными для использования только в схемах работающих на низких частотах. Зачастую составные транзисторы фигурируют как компонент выходных каскадов мощных низкочастотных усилителей.