Принцип работы биполярного транзистора: схемы включения для чайников

Биполярные транзисторы

Транзисторы можно рассматривать как своего рода переключатели, как и многие электронные компоненты, такие как реле или электронные лампы. Транзисторы используются в различных схемах, и без них схема редко обходилась даже сейчас, при широком использовании микросхем. Существует два основных типа биполярных транзисторов: npn и pnp, они отличаются проводимостью.

Два одинаковых транзистора с разной проводимостью называются комплементарной парой. Если в какой-либо схеме, например, в усилителе заменить транзисторы одного типа на транзисторы другого типа с аналогичными параметрами (не забывая менять полярность питающих напряжений, электролитические конденсаторы и полупроводниковые диоды), то схема работает точно так же, за исключением СВЧ диапазона, так как npn-транзисторы более частотны, чем pnp-транзисторы, и здесь подобрать комплементарную пару может и не получиться.

Биполярный транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор, тип транзистора. Электроды соединены с тремя последовательными слоями полупроводника с переменным типом примесной проводимости.

Очень часто в схемах используются транзисторы npn. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов подключены к отрицательному источнику питания.

Следовательно, общий провод схемы также будет подключен к минусовой клемме источника питания, что является общепринятым стандартом.

Транзисторы бывают разных корпусов, но все они имеют три вывода (у высокочастотных транзисторов иногда бывает четвертый вывод, соединенный с металлическим корпусом, экраном):

• Основание — управляющий штифт;
• Коллектор имеет положительный потенциал (для транзистора npn);
• Эмиттер имеет отрицательный потенциал (для транзистора npn).

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• передатчик;
• очень тонкая база, изготовленная из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор: его площадь больше площади эмиттера.

К каждому участку припаяны металлические контакты, которые служат для подключения устройства к электрической цепи.

Электропроводность коллектора и эмиттера равна и противоположна электропроводности базы. По типу проводимости областей различают устройства pnp или npn. Устройства асимметричны из-за разницы в площади контакта: между эмиттером и базой она значительно меньше, чем между базой и коллектором. Следовательно, невозможно поменять местами К и Е, изменив полярность.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включен так, что его эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещен в обратном направлении. Для большей точности рассмотрим npn-транзистор, все рассуждения повторяются точно так же для случая pnp-транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также заменой всех подписанных напряжений противоположными.

В npn-транзисторе электроны, большая часть которых переносит ток в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в базовую область. Часть этих электронов рекомбинирует с большинством носителей заряда в базе (дырках), часть диффундирует обратно к эмиттеру.

Однако, поскольку база очень тонкая и слегка легированная, большая часть электронов, инжектируемых из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещенного коллекторного перехода захватывает электроны (помните, что они являются неосновными носителями в базе, поэтому переход открыт для них) и втягивает их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически такой же, как ток эмиттера, за исключением небольших рекомбинационных потерь в базе, формирующих ток базы (Ie = Ib + Ik).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Числовое значение коэффициента α 0,9 — 0,999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжений коллектор-база и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1-α)=(10-1000). Какой. Переключая базовый ток на низкий уровень, вы можете контролировать гораздо более высокий ток коллектора.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор электрического преобразования с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполнена на кремниевой, германиевой или другой полупроводниковой пластине, в которой созданы три области с разным типом электропроводности.

Средняя область называется базой, одна из крайних областей — эмиттерной, другая — коллекторной. Следовательно, транзистор имеет два p-n перехода: эмиттерный переход между базой и эмиттером и коллекторный переход между базой и коллектором.

Базовая область должна быть очень тонкой, намного тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие правильного функционирования транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме напряжение прямое на эмиттерном переходе и обратное на коллекторном переходе. В режиме отсечки на оба перехода подается обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Транзистор в ключевом режиме

Импульсный транзистор является одной из схем транзистора с общим эмиттером. Транзисторная схема в ключевом режиме используется очень часто. Эта транзисторная схема используется, например, когда мощной нагрузкой нужно управлять через микроконтроллер. Драйверная нога не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор — да. Получается, что контроллер управляет транзистором, а транзистор управляет мощной нагрузкой. Ну, обо всем по порядку.

Суть этого режима в том, что ток базы управляет током коллектора. Кроме того, ток коллектора намного больше, чем ток базы. Здесь невооруженным глазом видно, что происходит текущее усиление сигнала. Это усиление делается за счет мощности от блока питания.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны только токи. Так что если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора, то все хорошо.

В этом случае, даже если у нас на базу будет подано напряжение 5 вольт, а на коллекторную цепь 500 вольт, ничего страшного не произойдет, транзистор будет исправно переключать высоковольтную нагрузку.

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

Ну а теперь попробуем рассчитать номинал базового резистора.

Насколько нам известно, текущее значение является характеристикой нагрузки.

Те. Я=У/Р

Мы не знаем сопротивления лампочки, но знаем, что рабочий ток лампочки равен 100 мА. Чтобы транзистор открылся и гарантировал протекание указанного тока, он должен выбрать соответствующий базовый ток. Мы можем отрегулировать базовый ток, изменив значение базового резистора.

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

Нужный нам ток известен. Напряжение на базовом резисторе будет равно Это значение напряжения на резисторе получилось из-за того, что на переходе база-эмиттер падает 0,6В-0,7В и это нельзя забывать учитывать.

В итоге мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось подобрать конкретный номинал ряда резисторов и вуаля.

Теперь вы, наверное, думаете, что транзисторный ключ будет работать как надо? Что, когда базовый резистор подключен к +5V, свет горит, когда он выключен, свет не горит? Ответ может быть да, а может и нет.

Дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампа погаснет, когда потенциал резистора сравняется с потенциалом земли. Если резистор просто отключается от источника напряжения, то тут все не так просто. Напряжение на базовом резисторе может чудесным образом возникнуть в результате наводок или еще какой-то потусторонней нечисти

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

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

В случае, если на базу не подается напряжение, база возводится к потенциалу земли, что избавляет нас от всевозможных помех.

Здесь мы в принципе выясняем работу транзистора в ключевом режиме, а как видите, ключевой режим работы это некое усиление сигнала напряжения. Ведь с помощью небольшого напряжения 5В мы управляем напряжением 12В.

Эмиттерный повторитель

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

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

На самом деле, допустим, мы подаем на базу 10 вольт, при этом мы знаем, что на переходе база-эмиттер посажено около 0,6-0,7В. Получается, что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rn) будет базовое напряжение минус 0,6 В.

Получилось 9,4В, словом почти сколько входило и выходило. Следим, чтобы эта схема не увеличивала наш сигнал по напряжению.

«Какой смысл тогда так включать транзистор?», — спросите вы. Но оказывается, у этой схемы есть еще одно очень важное свойство. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал мощности. Мощность — это произведение тока и напряжения, но поскольку напряжение не меняется, мощность увеличивается только за счет тока! Ток нагрузки представляет собой сумму тока базы и тока коллектора. Но если сравнить ток базы и ток коллектора, то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получается эта формула.

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

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

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет достаточно. А если еще поэкспериментировать с паяльником в руках, то восприятие просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией, а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Физические процессы

Возьмем npn-транзистор в режиме холостого хода, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений Е1 и Е2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном — обратное. Следовательно, сопротивление эмиттерного перехода мало и напряжения Е1 в десятые доли вольта достаточно для получения нормального тока. Сопротивление коллекторного перехода высокое, а напряжение E2 обычно составляет десятки вольт.

Следовательно, как и прежде, маленькие темные кружки со стрелками — электроны, красные — дырки, большие кружки — положительно и отрицательно заряженные донорные и акцепторные атомы. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода является прямоточной характеристикой полупроводникового диода, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода аналогична вольт-амперной характеристике обратного диода.

Принцип работы транзистора следующий. Прямое напряжение эмиттерного перехода ub-e влияет на токи эмиттера и коллектора, и чем оно больше, тем больше будут эти токи. Изменения тока коллектора лишь незначительно меньше, чем изменения тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т.е входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы показаны в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

С увеличением прямого входного напряжения ub-e потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается и, следовательно, ток через этот переход ie увеличивается. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в сторону базы и за счет диффузии проникают через базу в сторону коллекторного перехода, увеличивая коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход работает с обратным напряжением, в этом переходе возникают объемные заряды (большие кружки на рисунке). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (отводу) пришедших сюда из эмиттера электронов через коллекторный переход, т е они притягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок мала, то большая часть электронов, прошедших через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достичь перехода коллектора. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует с дырками в базе. Это приводит к базовому току.

Базовый ток бесполезен и даже вреден. Желательно, чтобы она была как можно меньше. Поэтому базовая область сделана очень тонкой и концентрация дырок в ней уменьшена. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками, и снова базовый ток будет пренебрежимо мал.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что ток в этом переходе отсутствует. Таким образом, область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, так как основные носители заряда удаляются от этого перехода и на обеих границах создаются области без этих носителей. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный движением неосновных носителей навстречу друг другу.

Однако если под действием входного напряжения возникает значительный эмиттерный ток, то с эмиттерной стороны в базу инжектируются электроны, являющиеся для этой области неосновными носителями. Они достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинироваться с отверстиями по мере прохождения базы.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов достигает коллектора, тем меньше его сопротивление, следовательно, увеличивается ток коллектора. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа pnp, необходимо только поменять местами электроны и дырки, а также полярность истоков Е1 и Е2.

Как работает транзистор.

Помимо рассмотренных процессов, существует ряд других явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы, так как при увеличении напряжения на коллекторном переходе на нем происходит лавинное размножение заряда, в основном за счет ударной ионизации.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрическую неисправность, которая при увеличении тока может стать тепловой неисправностью. Все происходит так же, как и для диодов, но в транзисторе с избыточным коллекторным током может произойти тепловой пробой без предварительного электрического пробоя.

Термический пробой может произойти без повышения напряжения коллектора до напряжения пробоя. При изменении напряжений на переходах коллектора и эмиттера изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, так как в этом случае толщина коллектора увеличивается, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть замыкающий эффект (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом базовая область исчезает и транзистор перестает нормально работать.

С увеличением инжекции носителей от эмиттера к базе происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т е увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. Но с уменьшением инжекции концентрация и суммарный заряд этих же носителей в базе уменьшаются, и этот процесс получил название реабсорбции неосновных носителей заряда в базе.

И, наконец, одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если цепь коллектора не находится под напряжением. Также необходимо включить питание базовой цепи, а затем коллекторной, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные возможности БТ:

1. Я выигрываю.
2. R вход и выход.
3. Ик-е реверс.
4. Включите питание вовремя.
5. Частота передачи Iб.
6. Ик реверс.
7. Максимальное значение И.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы OB является напряжение между эмиттером и базой UBX = UEB; выход — напряжение, отдаваемое нагрузке Uвых = IкРн; входной ток – ток эмиттера Iвх = IE; выходной ток — ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UEB является управляющим напряжением для транзистора, поэтому незначительное его изменение (на доли вольта) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах, практически от нуля до максимума. Максимальный ток определяется назначением транзистора (малой мощности, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Поскольку напряжение UΚB обратное, значение напряжения внешнего источника Ek может быть в десять раз больше, чем значение напряжения UEB. Падение напряжения на нагрузке будет тем больше, чем больше ток коллектора, в то время как на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UKB, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольта входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, несколько меньшему, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматриваются входные броски и вызванные ими броски выходных значений. Рассматривая транзистор как усилитель, его свойства принято характеризовать коэффициентами усиления и величиной входного сопротивления. Существует три вида заработка:

• • коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх;
• • коэффициент усиления по напряжению Ку = ΔUвых/ΔUвх;
• • коэффициент усиления по мощности КР = КИ • КУ.

Соотношение между изменением входного напряжения и изменением входного тока: Rin = ΔUin/ΔIin. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала имеет некоторое внутреннее сопротивление, и при подключении к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Следовательно, чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет приходиться на это сопротивление и усиливаться, а меньшая часть — на внутреннее сопротивление самого источника. Поэтому КРБ определяется еще и соотношением резисторов. Так как коэффициент усиления схемы с током ОБ КИБ меньше единицы, применения она не нашла.

Размеры биполярного транзистора.

Режимы работы биполярных транзисторов

Нормальный активный режим

В этом режиме на переходе ЭП протекает U, которое является прямым и называется напряжением ЭП (Ue-b). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. E-переход инжектирует заряды в базовую область, которые движутся к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект буста.

Режим отсечки

Переходы закрыты, устройство не работает. Этот режим получается при повторном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают небольшие обратные токи коллектора и эмиттера. Часто считается, что устройство в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Это промежуточное значение. Переход BC открыт, а эмиттер-база закрыта. Ток базы в этом случае намного меньше токов Е и К. При этом отсутствуют усилительные характеристики биполярного транзистора. Этот режим имеет низкий спрос.

Режим насыщения

Устройство полностью открыто. Оба перехода подключены к источникам тока в прямом направлении. Это снижает потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают протекать токи, которые называются «токами насыщения».

Барьерный режим

База БТ подключена через резистор к К. В цепь включен резистор К или Э, который задает значение тока (I) через БТ. БР часто используется в схемах, поскольку позволяет работать РН на любой частоте и в более широком диапазоне температур.

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).

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольший прирост вольт-амперных характеристик (ВАХ), что делает ее наиболее популярной. Недостатком этого варианта является ухудшение усилительных свойств устройства с увеличением частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется выбирать другую схему.

С общей базой

Он используется для высокочастотных операций. Уровень шума снижен, коэффициент усиления не очень высокий. Каскады устройств, собранных по этой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостатком варианта является необходимость двух источников питания.

С общим коллектором

Этот вариант характеризуется передачей входного сигнала обратно на вход, что значительно снижает его уровень. Коэффициент усиления по току велик, коэффициент усиления по напряжению мал, что является недостатком этого метода. Схема приемлема для каскадов устройств в случаях, когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление.

Какие параметры учитывают при выборе биполярного 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.

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех сферах деятельности человека. Основное применение устройство получило в устройствах для усиления, генерации электрических сигналов, а также в качестве коммутационного элемента. Применяются в различных усилителях мощности, в обычных и импульсных источниках питания с возможностью регулировки значений U и I, в вычислительной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различных защит потребителей от перегрузки, перенапряжения U и короткого замыкания. Они широко используются в горнодобывающей и металлургической промышленности.

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

К преимуществам биполярных транзисторов по сравнению с аналоговыми относятся:

• контроль электрических нагрузок;
• надежность в работе;
• устойчивость к частотным помехам;
• низкие шумовые характеристики;

К недостаткам относятся:

• имеет низкое значение входного сопротивления, из-за чего ухудшаются характеристики усиления сигнала;
• острая чувствительность к статическим нагрузкам;
• схема включения предполагает наличие 2-х источников питания;
• высокие температуры могут повредить транзистор.