Как работает транзистор: зачем нужен, принцип и режимы простым языком

Что такое транзистор?

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

Масштабы размеров полупроводниковых приборов ошеломляют: от нескольких нанометров (некорпусные элементы, используемые в микросхемах) до сантиметров в диаметре для мощных транзисторов, предназначенных для электростанций и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключенных в оболочку. Полупроводники — это материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. В настоящее время ведутся исследования по подготовке некоторых типов полимеров и даже углеродных нанотрубок на роль полупроводниковых материалов. Судя по всему, в ближайшее время нам станут известны новые свойства графеновых полевых транзисторов.

Раньше полупроводниковые кристаллы размещались в металлических ящиках в виде трехлапых шляп. Такая конструкция была типичной для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства планарных полупроводниковых приборов, в том числе и кремниевых, выполняются на основе монокристалла, легированного в определенных частях. Их запрессовывают в пластиковые, стеклометаллические или металлокерамические оболочки. Некоторые из них имеют выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматического монтажа досок. Клеммы на корпусах не обозначены. Тип электрода определяют по справочникам или измерениям.

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

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

Рис. 1. Строение транзисторов

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

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не течет. Возникающее в результате взаимодействия слоев сопротивление эмиттерного перехода препятствует прохождению электрического тока. Для включения транзистора требуется подать небольшое напряжение на его базу.

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

Рис. 2. Принцип работы

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

Поэтому полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

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

Рис. 3. Триод в ключевом режиме

Условное обозначение транзисторов и внешний вид транзисторов

Ниже приведен символ транзистора в схеме и несколько примеров того, как выглядит транзистор:

Полевой транзистор (FET)	Внешний вид транзисторов

Обратите внимание, что три выхода на схеме обозначены G (Gate) — Gate, S (Source) — Source и D (Drain) — Drain.

Корпус транзисторов

На рисунке выше представлены три различных типа корпусов транзисторов. Тип корпуса слева называется ТО-92, средний корпус — ТО-220, а корпус справа называется транзистором в металлическом корпусе.

Что касается металлического ящика, то он уже практически не используется. Транзисторы малой и средней мощности выпускаются в корпусе ТО-92, а мощные — в корпусе ТО-220.

Ниже приведены наиболее распространенные сравнения выводов полевых транзисторов в корпусах ТО-92 и ТО-220.

Тестер транзисторов / Измеритель ESR / ГенераторМногофункциональный прибор для тестирования транзисторов, диодов, тиристоров…Подробнее

Корпус ТО-92	Корпус ТО-220

Виды транзисторов

По принципу действия и конструкции полупроводниковые триоды различают:

• сельская местность;
• биполярный;
• задавать.

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

Полевые

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

1. Управляющие транзисторы с p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным затвором (есть со встроенным каналом или с индуктивным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

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

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевого триода показаны на рис. 5.

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

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

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

Биполярные

Об этом типе транзисторов много сказано в подразделе «Основной принцип работы». Отметим только, что название «Биполярный» устройство получило из-за возможности пропускать по одному каналу заряды противоположных знаков. Его особенностью является низкий выходной импеданс.

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

Комбинированные

Для достижения определенных электрических параметров от использования дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них:

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

Комбинированные транзисторы — это, по сути, элементарная микросхема в едином корпусе.

Отличие биполярных транзисторов от полевых

Полевые транзисторы управляются электрическим полем, поэтому они очень энергоэффективны. Именно поэтому они используются при изготовлении процессоров.

С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это ваш тонкий pn-переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если во время работы вынуть их из устройства.

Схемы защиты от электростатического разряда не успевают сработать, и статическое электричество разрушает полевые транзисторы.

А вот биполярные транзисторы, наоборот, лучше переносят статику. Но при этом они потребляют больше энергии, так как для их открытия нужен электрический ток.

Характеристики

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

Также транзисторы имеют ВАХ (вольтамперные характеристики) которые, в отличие от вакуумной техники, быстро насыщаются.

Все транзисторы имеют следующие параметры:

• Текущий выигрыш;
• Коэффициент усиления по напряжению;
• Текущий выигрыш;
• Коэффициент обратной связи;
• Текущий коэффициент передачи;
• Входное сопротивление;
• Выходное сопротивление;
• Угол опережения зажигания;
• Максимально допустимый ток и т.д.

Для биполярного:

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

Режимы работы

В целом существует несколько режимов работы:

• Номинальный режим;
• Обратный;
• Насыщенность;
• Резать;
• Барьер.

Нормальный активный режим

Переход база-эмиттер открыт в прямом направлении 2 (открыт), а переход база-коллектор открыт в обратном направлении (закрыт):

УЭБ>0; UKB<0 (для транзистора типа npn), для pnp условие будет рассматриваться как ueb<0; УКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом направлении: UKB>0; UEB<0 (для транзистора типа npn).

Режим насыщения

Оба pn-перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный p-n переходы подключены к внешним источникам в прямом направлении, то транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле от эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Ueb и Ucb. В результате потенциальный барьер, ограничивающий диффузию основных носителей заряда, уменьшится и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор потекут токи транзистор, называемый эмиттерным (ИЭ ус) и коллекторным (ИК ус) токами насыщения).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (УКЭ нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог открытого RSI для полевых транзисторов). Точно так же напряжение насыщения база-эмиттер (UBE.us) представляет собой падение напряжения между базой и эмиттером в открытом транзисторе.

Режим отсечки

В этом режиме коллекторный p-n переход смещен в противоположном направлении, а к эмиттерному переходу можно прикладывать как прямое, так и обратное смещение, не превышая порогового значения, при котором эмиссия носителей заряда меньше базовой области из эмиттера. (для кремниевых транзисторов около 0,6-0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UEB<0,6—0,7 В, или IB=056.

Барьерный режим

В этом режиме база постоянного тока транзистора через небольшой резистор замыкается на его коллектор, а резистор подключается к цепи коллектора или эмиттера транзистора, которая задает ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токорегулирующим резистором. Такие каскадные схемы отличаются малым количеством компонентов, хорошей высокочастотной развязкой, широким диапазоном рабочих температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

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

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и т д., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность — если добавить определенные примеси, они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) вызывают появление свободных электронов, другие (акцепторы) образуют «дырки».

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

Однонаправленное вождение.

Давайте проведем мысленный эксперимент: подключим два разнородных полупроводника к источнику питания и запитаем нашу конструкцию. Произойдет что-то неожиданное. Если вы подключите отрицательный вывод к кристаллу n-типа, цепь замкнется. Однако, если мы поменяем полярность, в цепи не будет электричества. Почему так происходит?

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

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

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где

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

Подключив плюс к p-проводнику, а минус к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В этом случае переход открыт. Но если полюса поменялись местами, переход будет закрытым. Отсюда вывод: p-n-переход образует однонаправленную проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

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

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

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

Рис. 7. Принцип работы триода

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

Устройство также может работать в режиме усилителя.

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

При изменении значения управляющего тока изменится интенсивность образования дырок в базе, что будет означать пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, сохраняя частоту сигнала. Этот принцип используется для усиления сигналов.

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

Транзисторы NPN работают аналогичным образом. Меняется только полярность напряжения. Устройства со структурой npn являются прямыми проводниками. Транзисторы типа pnp имеют обратную проводимость.

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

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Структура полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нем не проходит через области p-n перехода. Грузы перемещаются по регулируемой площади, называемой воротами. Полоса пропускания затвора регулируется напряжением.

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

Рис. 9. Полевой транзистор с pn-переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуктивным каналом. Вы видели свои схемы на рисунке 5.

Типы подключений

Основная задача транзистора — усиление поступающего сигнала. Проблема в том, что у любого триода всего три контакта, а у самого усилителя четыре полюса: два на входной сигнал и два на выход, т.е усиленный. Выход — использовать один из контактов транзистора дважды: как вход и как выход.

По этому принципу различают три типа соединения. Стоит отметить, что принципиальной разницы не имеет, какой тип прибора используется: полевой или биполярный.

1. Соединение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Данная схема подключения имеет самые высокие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его АЧХ значительно хуже. С этим негативным явлением борются несколькими способами: используют соединение с общей базой, применяют каскодное соединение двух транзисторов (к одному, подключенному через общий эмиттер, добавляется второй, подключенный через общую базу).
2. Соединение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь влияние эффекта Миллера полностью исключено. Однако за это приходится платить: в этой схеме практически нет усиления тока, зато есть широкий диапазон изменения частоты сигнала.
3. Подключение к общему коллектору (ОК) или общему стоку (ОС). Этот тип соединения часто называют истоковым эмиттером или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя вышеперечисленными типами схем: АЧХ и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между первыми двумя.

Описанные выше три типа подключения используются в зависимости от целей конструкторов.

Схемы включения

Поскольку у транзисторов три контакта, можно переключать вход и выход. Что это даст? Каждый контакт имеет свои особенности. Например, если мы подаем сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора и удаляем конечный сигнал с эмиттера и коллектора, эта схема будет называться общим эмиттером.

Такой тип включения позволяет передать в нагрузку максимальную мощность.

Подробнее о работе схемы с общим эмиттером вы можете прочитать в этой статье.

Аналогично можно подключить схему с общим коллектором и общей базой. По сути, общий контакт — это контакт, который работает и на вход, и на выход одновременно с разными контактами.

То же самое верно и для полевых транзисторов. Существуют схемы с общим стоком, истоком и затвором.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники применяют следующие схемы подключения: с общей базой, общими излучающими электродами и включение с общим коллектором (рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

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

Схемы с общим эмиттером имеют:

• высокие коэффициенты усиления по току и напряжению;
• низкий коэффициент усиления мощности;
• инверсия выходного напряжения по отношению к входному.

При таком подключении достаточно одного блока питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

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

Схемы включения полевого транзистора

На практике схемы подключения используются по аналогии с двухполюсным триодом:

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

На рис. 10 показаны различные схемы подключения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевого триода

Почти все схемы могут работать с очень низкими входными напряжениями.

Включение с общей базой (ОБ)

Схема применяется на высоких частотах, что позволяет оптимально использовать частотную характеристику. Подключив БТ по схеме с ОЭ, а затем с ОБ, его рабочая частота увеличится. Такая схема подключения используется в усилителях антенного типа. Уровень шума на высоких частотах снижен.

Преимущества:

1. Оптимальные температуры и широкий диапазон частот (f).
2. Великобритания высокой стоимости.

Недостатки:

1. Низкая победа.
2. Низкий вход Р.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

При подключении по этой схеме усиление происходит на U и I. Питание схемы возможно от одного источника. Часто используется в усилителях мощности (P).

Преимущества:

1. Высокий коэффициент усиления для I, U, P.
2. Источник питания.
3. Выходная переменная U инвертируется по отношению к входной.

Имеет существенные недостатки: меньшая температурная стабильность и частотные характеристики хуже, чем при соединении с ОВ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Вход U полностью передается обратно на вход, и Ki аналогичен при соединении с OE, но низкий при U.

Этот тип коммутации используется для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или с источником входного сигнала, имеющим высокий выходной R (микрофон конденсаторного или звукоснимателя). К достоинствам можно отнести следующее: большое значение входного и малое выходное R. Недостатком является малый коэффициент усиления по U.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Он позволяет усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любой электрический сигнал, как высокой, так и низкой частоты.
2. Они могут функционировать как ключ, включая и выключая поток электрического тока. При таком простом включении и выключении работают все современные процессоры. Транзисторы являются основой всей современной цифровой техники.
3. Генерировать электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
4. Они могут выравнивать сопротивление электрических цепей за счет различных схем коммутации и выполнять функции ограничителей тока. В источниках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также действовать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

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

• Устойчивость к высоким электромагнитным помехам и помехам. Это не означает, что полупроводниковая технология может выйти из строя из-за каких-либо помех. Но если от Солнца исходит сильная магнитная буря (или мощный удар ЭМИ от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за больших токов наводки. Вакуумные методы гораздо более устойчивы к таким помехам.
• Ламповая технология работает намного лучше и стабильнее на высоких частотах. И это конструктивные особенности. Поскольку у транзисторов есть p-n переходы, у них есть и своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Имеются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть лампы, имеющие несколько экранирующих сеток, что позволяет уменьшить влияние паразитных емкостей. Примером радиолампы является клистрон.

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

Преимущества и недостатки замены ламп транзисторами

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

• малые габариты и небольшой вес, что немаловажно для миниатюрной электроники;
• возможность применения автоматизированных процессов при производстве приборов и групповых каскадов, что снижает себестоимость;
• использование малых источников тока из-за необходимости низкого напряжения;
• мгновенный старт, не требуется прогрев катода;
• более высокая энергоэффективность за счет снижения рассеиваемой мощности;
• прочность и надежность;
• слаженное взаимодействие с дополнительными элементами в сети;
• устойчивость к вибрациям и ударам.

Недостатки проявляются в следующих положениях:

• кремниевые транзисторы не работают при напряжении выше 1 кВт, лампы эффективны при мощности выше 1-2 кВт;
• при использовании транзисторов в сетях передачи большой мощности или СВЧ-передатчиках требуется адаптация параллельно включенных маломощных усилителей;
• уязвимость полупроводниковых элементов к воздействию электромагнитного сигнала;
• чувствительная реакция на космические лучи и радиацию, требующая разработки в связи с этим радиационно-стойких микросхем.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы используются во многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

1. Схемы усилителя.
2. Генераторы сигналов.
3. Электронные ключи.

Во всех устройствах связи необходимо усиление сигнала. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, часто бывает, что амплитуда одного из параметров сигнала недостаточна для корректной работы устройства. Информация передается электрическими сигналами. Для того, чтобы доставка была гарантированной и качество информации было высоким, нам необходимо усилить сигналы.

Транзисторы могут влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.

Электронные ключи нужны для контроля силы тока в цепи. Эти переключатели содержат много транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На его основе работают компьютеры, телевизоры и другие электроприборы, незаменимые в современной жизни.

Транзистор в качестве переключателя

Транзисторы можно рассматривать как электронные переключатели. Транзистор используется для питания различных устройств, таких как двигатели, лампы и т д. Подобно выключателю света в комнате, транзистор может включать и выключать лампу накаливания.

Это очень удобно, так как источник небольшого напряжения можно использовать для переключения источника большого напряжения. Давайте посмотрим на это на простом примере с обычной лампочкой.

На изображении выше у нас есть транзистор, подключенный к лампочке, и два разных источника питания. Давайте сначала посмотрим на левую половину диаграммы:

• Минус низковольтной батареи подключен к истоку транзистора.
• Плюс низковольтной батареи соединен с затвором транзистора.

В этой конфигурации транзистор открыт. Вы можете видеть, как небольшой ток течет через транзистор от затвора к истоку. Теперь давайте посмотрим на правую половину диаграммы:

• Минус высоковольтной батареи подключен к истоку транзистора.
• Плюс высоковольтной батареи подключается к одной из клемм лампы.

Другой конец лампочки подключен к стоку транзистора.

Поскольку транзистор открыт, через лампочку протекает больший ток, а затем через транзистор от стока к истоку. Если отсоединить низковольтную батарею от транзистора, транзистор закроется и свет погаснет.

Обратите внимание, что транзистор здесь работает как переключатель, включая и выключая лампочку под действием низкого напряжения.

Эта схема не особенно полезна на практике. Однако, когда мы заменяем низковольтную батарею другим источником напряжения, транзисторный переключатель становится намного интереснее.

Вместо того, чтобы включать транзистор с помощью низковольтной батареи, мы можем включать и выключать его с помощью других источников напряжения. В качестве примера приведем несколько источников сигналов, которые могут повлиять на переключение транзистора:

• Микрофон, который производит переменный электрический сигнал в зависимости от уровня звука.
• Солнечная батарея, вырабатывающая постоянное напряжение при освещении ее поверхности.
• Датчик влажности.

Обратите внимание, что все вышеперечисленные датчики реагируют на разные источники сигнала. Используя низкое выходное напряжение, он может управлять гораздо более мощным устройством.

Следующий пример применения транзистора

В этом примере у нас есть микрофон, подключенный к затвору полевого транзистора, и лампа накаливания, подключенная к транзистору, и усиленный источник питания. Теперь при улавливании звука микрофоном будет включаться свет. И чем громче звук, тем ярче будет светить лампа.

Это связано с тем, что микрофон создает напряжение, подаваемое на затвор полевого транзистора. При появлении сигнала на затворе транзистор отпирается, в результате через транзистор начинает протекать ток от стока к истоку.

Фактически в этой схеме полевой транзистор играет роль усилителя сигнала. Для еще большего усиления можно использовать еще один транзистор.

Примечание. В этой схеме мы использовали динамик в качестве микрофона, поскольку динамик генерирует более высокое напряжение, чем электродинамический микрофон.

Эта схема похожа на предыдущую, только теперь вместо лампы подключается электродвигатель. Это позволяет управлять скоростью вращения электродвигателя по силе звука, поступающего в динамик.

Чем громче вы кричите в микрофон, тем быстрее будет вращаться мотор.

Транзистор в режиме инвертора

До сих пор все наши примеры основывались на включении нагрузки при подаче напряжения на затвор транзистора. Транзистор также может работать в обратном режиме, то есть когда он проводит ток при отсутствии входного напряжения на затворе.

Рассмотрим этот режим работы транзистора на примере простой охранной сигнализации, которая издает звуковой сигнал при обрыве тонкого провода охранной цепи.

В первую очередь нужно поговорить о типах полевых транзисторов. Все транзисторы бывают двух разных типов привода: P-канальный и N-канальный.

N-канал	P-канал
Транзистор открыт при подаче напряжения на затвор	Транзистор закрыт, когда на затвор подается напряжение

Единственная разница в символах — это направление стрелки затвора.

До сих пор во всех наших примерах использовались полевые транзисторы с каналом N. Транзисторы этого типа доминируют в электронных схемах, поскольку они дешевле в производстве. Однако в приведенном ниже примере мы используем P-канальный полевой транзистор.

Напомним, что P-канальный полевой транзистор находится в закрытом состоянии в момент подачи управляющего напряжения на его затвор. Поэтому, как видно из схемы выше, звуковой генератор (зуммер) будет выключен до тех пор, пока кабель цел. Как только провод оборвется, напряжение на затворе исчезнет, ​​а транзистор начнет пропускать ток и активировать звуковой генератор.

Хотя цепь безопасности не прерывается, основной аккумулятор неактивен и, следовательно, сохраняет свой заряд. В то же время для обеспечения напряжения на затворе транзистора нужен небольшой ничтожный ток от маленькой батарейки, и его хватит надолго.

Мы также можем оптимизировать эту схему и использовать только один источник питания. Все, что нам нужно сделать, это подключить предохранительный трос к двери и над большой батареей и исключить маленькую батарею.

Какие параметры учитывают при выборе транзистора?

• Материал, из которого он изготовлен, — арсенид галлия или кремний.
• Частота. Это может быть — сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя — (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
• Максимальная рассеиваемая мощность.

Расчет ключа на транзистор

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. При этом резистор R_k остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Предположим, что для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В (U_d). При этом диод будет потреблять ток равный 50 мА (I_d). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения взяты из документации используемого транзистора):

• Коэффициент усиления по току h_{21e} = 100…500 (всегда устанавливается диапазон, а не конкретное значение)
• Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для размыкания этого перехода: U_{be} = 0,6 медспейс В.
• Напряжение насыщения: U_{ke medspace us} = 0,1 medspace V.

Мы берем для расчетов конкретные значения, но на практике все происходит немного иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. И температура окружающей среды, конечно, может меняться. В этом случае определить четкие значения по характеристикам не так просто, поэтому следует постараться предусмотреть небольшой запас. Например, при расчете коэффициент усиления по току лучше принимать равным минимуму из значений, приведенных в техпаспорте. Ведь если коэффициент действительно выше, то это не нарушит работоспособность схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но схема будет работать. А если взять максимальное значение h_{21e}, то

Итак, возвращаясь к примеру, исходными данными для расчета, в том числе, являются напряжения источников. В этом случае:

• E_{in} = 3.3medspace B. Я выбрал типичное значение, встречающееся на практике при разработке схем в микроконтроллерах. В этом примере это напряжение включается и выключается переключателем S_1.
• E_{выход} = 9medspace B.

В первую очередь нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и токи выходной цепи в открытом состоянии связаны следующим образом:

U_{ke medspace us} + U_{R_k} + U_d = E_{out}

В этом случае по закону Ома:

U_{R_k} = I_k R_k

И ток у нас установлен, так как мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Потом:

U_{R_k} = I_d R_kU_{ke medspace us} + I_d R_k + U_d = E_{out}

Итак, в этой формуле мы знаем все, кроме сопротивления, которое необходимо определить:

R_k = frac{E_{out} медицинское помещение — медицинское помещение U_d медицинское помещение — медицинское помещение U_{ke медицинское помещение us}}{I_d} enspace= frac{9 медицинское помещение B медицинское помещение — медицинское помещение 3 медицинское помещение B медицинское помещение — medspace 0,1 medspace B}{0,05 medspace A} medspaceок. 118 medspace Ом.

Будет интересно➡ Понятие и методы измерения светового потока

Выбираем имеющееся значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_{k} = 120 мед.п.Ом. И важно выбрать именно наибольшее значение. Это связано с тем, что если взять значение чуть больше расчетного, то ток через нагрузку будет чуть меньше. Это не приведет к неисправности. Если взять меньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке превысят указанные, что уже хуже

Пересчитаем значение коллекторного тока для выбранного номинала резистора:

I_c = frac{U_{R_c}}{R_c} medspace = frac{9 medspace B medspace — medspace 3 medspace B medspace — medspace 0,1 medspace V}{120 medspace Ом} medspace приблизительно medspace 49,17 medspace мА

Пришло время определить ток базы, для этого используем минимальное значение коэффициента усиления:

I_b = дробь{I_c}{h_{21e}} = дробь{49,17 среднего пространства мА}{100} = 491,7 среднего пространства мкА

А падение напряжения на резисторе R_b:

U_{R_b} = E_{in} медицинское помещение — медицинское помещение 0,6 медицинское помещение B = 3,3 медицинское помещение B медицинское помещение — медицинское помещение 0,6 медицинское помещение B = 2,7 медицинское помещение B

Теперь мы можем легко определить номинал резистора:

R_b = frac{U_{R_b}}{I_b}medspace = frac{2,7 medspace V}{491,7 medspace мкА} около 5,49 medspace KΩ

Мы снова прибегаем к ряду допустимых номиналов. Но теперь мы должны выбрать значение меньше расчетного. Если сопротивление резистора больше расчетного значения, то ток базы, наоборот, будет меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не полностью, и во включенном состоянии большая часть напряжения будет падать на транзисторе (U_{кэ}), что конечно нежелательно.

Поэтому для базового резистора выбираем значение 5,1 кОм. И этот этап расчета был последним! Напомним, наши расчетные номиналы были:

• R_{b} = 5,1 кОм медицинское помещение
• R_{k} = полупространство 120 Ом

Кстати, в схеме транзисторного ключа обычно между базой и эмиттером добавляют резистор, номиналом, например, 10 КОм. Подтягивать базу нужно при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере при разомкнутом S1 ввод просто висит в воздухе. А под воздействием помех транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому добавляется подтягивающий резистор, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы равнялся потенциалу эмиттера. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы рассмотрим классическую схему, которой я стараюсь следовать, то есть от теории к практике. Надеюсь, материал был полезен, а если возникнут вопросы, пишите в комментариях, буду рад вам помочь!

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзистора зависят от фактического режима работы и температуры, и с повышением температуры параметры транзистора могут измениться. Справочник содержит, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т д.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым, например, не стоит заменять транзистор на аналогичный, но меньшей мощности, это касается не только мощности , но и к другим параметрам транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы могут быть соединены параллельно, где эмиттер соединен с эмиттером, коллектор с коллектором, а база с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например перенапряжением, для защиты от перенапряжения часто используют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, то температурный режим транзисторов не только влияет на величину параметров, но и определяет надежность их работы. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор не перегревался во время работы; в выходных каскадах усилителей транзисторы необходимо размещать на больших радиаторах. Защита транзисторов от перегрева должна обеспечиваться не только при эксплуатации, но и при пайке. При лужении и пайке необходимо принимать меры во избежание перегрева транзистора; Транзисторы во время пайки желательно придерживать пинцетом для защиты от перегрева.

Почему все так полюбили транзисторы

До транзисторов у ученых уже был какой-то компьютер. Например, счеты — там оператор управлял движением бусинок в регистрах и таким образом складывал числа. Но оператор медленный и может ошибаться, поэтому система была несовершенной.

Были механические счетные машины, которые могли складывать и умножать числа, используя сложные шестерни, цилиндры и пружины, например, арифмометр. Они были медленными и слишком дорогими для масштабирования.

Были компьютеры на основе механических переключателей — реле. Они были очень большие, те самые «компьютерные комнаты». Наши родители, бабушки и дедушки могли их поймать.

Позже придумали электронные лампы — управлять током уже можно было с помощью другого тока. Но лампы перегревались, ломались, на них могла летать моль.

И только в конце сороковых ученые изобрели твердотельные транзисторы — вся кухня с включенным и выключенным током проходила внутри чего-то твердого, стабильного и безопасного, не привлекая внимания моли. Они взяли за основу германий и кремний и начали развивать эту технологию.

Суть твердотельных транзисторов в том, что взаимодействия происходят со скоростями, близкими к скорости света. Чем меньше сам транзистор, тем быстрее через него проходят электроны и тем меньше времени требуется для вычислений. Ну а разбить твердотельный транзистор в хорошем прочном корпусе гораздо сложнее, чем хрупкую стеклянную лампу или механическое реле.