Схема биполярный транзистор: Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Содержание

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Приветствую всех снова на нашем сайте, сегодня продолжаем активно погружаться в нюансы работы транзисторов и переходим к практическому рассмотрению одной из схем – ключа на биполярном транзисторе.

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний – открытом (включенном) или закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Приступаем к детальному разбору.

И первым делом рассмотрим непосредственно саму схему:

Здесь у нас используется n-p-n транзистор. А вот вариант для p-n-p:

И по нашей уже устоявшейся традиции будем разбирать все аспекты работы на примере n-p-n транзистора. Суть и основные принципы остаются неизменными и для p-n-p. Так что работаем с этой схемой (здесь мы добавили протекающие по цепи токи):

Как вы уже заметили, схема очень напоминает включение транзистора с общим эмиттером.

И действительно именно схема с ОЭ чаще всего используется при построении ключей. Только здесь у нас добавились два резистора (R_б и R_к). Вот с них и начнем.

Зачем нужен резистор в цепи базы?

Итак, нам нужно подать на переход база-эмиттер напряжение прямого смещения. Его величина указывается среди параметров конкретного транзистора и обычно составляет в районе 0.6 В. Также мы знаем, какой управляющий сигнал мы будем подавать на вход для того, чтобы открыть транзистор. Например, при использовании микроконтроллера (возьмем STM32 к примеру) для управления ключом, на входе цепи у нас будет либо 0 В (транзистор в данном случае закрыт), либо 3.3 В (транзистор открыт). В данной схеме сигнал на вход подается не с контроллера, а напрямую с источника напряжения E_{вх} при замыкании переключателя S_1.

Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

U_{R_б} = E_{вх} \medspace - \medspace U_{бэ}

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы – а как его менять? Верно – изменяя сопротивление этого самого резистора. То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Мы уже несколько раз использовали термины “транзистор открыт” и “закрыт”. Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

  • для того, чтобы закрыть транзистор, мы стремимся перевести его в режим отсечки
  • а чтобы открыть – в режим насыщения

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе.

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_{вых}. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали:

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к). Для коллекторной цепи мы можем записать:

U_{кэ} + I_к R_к = E_{вых}

Или:

I_к = \frac{E_{вых} \medspace - \medspace U_{кэ}}{R_к}

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор – линейный элемент (U_R = I_R R), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют – нагрузочная прямая). Наносим ее на выходные характеристики транзистора и получаем следующее:

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_{кэ} и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может.

И по итогу нам нужно обеспечить, чтобы в открытом состоянии рабочая точка оказалась в положении 1.

В данном случае падение напряжения U_{кэ} на транзисторе будет минимальным, то есть почти вся полезная мощность от источника окажется на нагрузке. В закрытом же состоянии рабочая точка должна быть в положении 2. Тогда почти все напряжение упадет на транзисторе, а нагрузка будет выключена.

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими аспектами работы ключа на транзисторе, давайте рассмотрим как же на практике производятся расчеты и выбор номиналов элементов.

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

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

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В (U_д). При этом диод будет потреблять ток, равный 50 мА (I_д). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

  • Коэффициент усиления по току h_{21э} = 100. ..500 (всегда задан именно диапазон, а не конкретное значение)
  • Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_{бэ} = 0.6 \medspace В.
  • Напряжение насыщения: U_{кэ \medspace нас} = 0.1 \medspace В.

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_{21э}, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру. Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

  • E_{вх} = 3.3\medspace В. Я выбрал типовое значение, которое встречается на практике при разработке схем на контроллерах. В этом примере подача и отключение этого напряжения осуществляется переключателем S_1.
  • E_{вых} = 9\medspace В.

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

U_{кэ \medspace нас} + U_{R_к} + U_д = E_{вых}

При этом по закону Ома напряжение на резисторе R_{к} :

А ток у нас задан, поскольку мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Тогда:

U_{кэ \medspace нас} + I_д R_к + U_д = E_{вых}

Итак, в этой формуле нам известно все, кроме сопротивления, которое и требуется определить:

R_к = \frac{E_{вых} \medspace - \medspace U_д \medspace - \medspace U_{кэ \medspace нас}}{I_д} \enspace= \frac{9 \medspace В \medspace  - \medspace 3 \medspace В \medspace - \medspace 0.
1 \medspace В}{0.05 \medspace А} \medspace\approx 118 \medspace Ом.

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_{к} = 120\medspace Ом. Причем важно выбирать именно большее значение. Связано это с тем, что если мы берем значение чуть больше рассчитанного, то ток через нагрузку будет немного меньше. Это не приведет ни к каким сбоям в работе. Если же взять меньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке будут превышать заданные, что уже хуже.

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

I_к =  \frac{U_{R_к}}{R_к} \medspace = \frac{9 \medspace В \medspace - \medspace 3 \medspace В \medspace - \medspace 0.1 \medspace В}{120 \medspace Ом} \medspace\approx\medspace 49.17 \medspace мА

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

I_б =  \frac{I_к}{h_{21э}} = \frac{49.17 \medspace мА}{100} = 491. 7 \medspace мкА

А падение напряжения на резисторе R_б:

U_{R_б} = E_{вх} \medspace - \medspace 0.6 \medspace В = 3.3 \medspace В \medspace - \medspace 0.6 \medspace В = 2.7 \medspace В

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

R_б = \frac{U_{R_б}}{I_б}\medspace = \frac{2.7 \medspace В}{491.7 \medspace мкА} \approx 5.49 \medspace КОм

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, меньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии большая часть напряжения упадет на транзисторе (U_{кэ}), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним 👍 Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

  • R_{б} = 5.1\medspace КОм
  • R_{к} = 120\medspace Ом

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттера. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть – от теории к практике. Надеюсь, что материал был понятен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, будем разбираться.

1

5.      Структура и режимы работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей полупроводника с чередующимися типами проводимости, разделенными р-п-переходами. Из-за близкого расположения  р-п-переходов между ними существует взаимодействие. Каждая область транзистора выполняет определенную функцию, поэтому концентрации легирующих примесей в них и названия областей различны.

Средняя область транзистора, расположенная между двумя               р-п-переходами, называется базой (B). Одна из крайних областей с наивысшей концентрацией легирующей примеси называется эмиттером (E). Основным назначением эмиттера является инжекция неосновных носителей заряда в область базы. Соответствующий          р-п-переход называют эмиттерным. Инжектированные в базу носители диффундируют в сторону третьей области, называемой коллектором (C). Основным назначением коллектора является собирание инжектированных эмиттером носителей заряда. Соответствующий   р-п-переход, расположенный между базой и коллектором, называют коллекторным.

Существуют два типа биполярных транзисторов: п-р-п и р-п-р.  Буквы обозначают тип проводимости эмиттерной, базовой и коллекторной областей соответственно. Символическое изображение транзисторов разных типов приведено на рис. 3.18. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока.

 

Рис. 3.18. Символическое изображение транзисторов:

а – n-p-n-типа;  б – p-n-p-типа

 

При анализе работы биполярного транзистора ограничим наше рассмотрение приборами п-р-п-типа, которые в настоящее время используются гораздо чаще, имеют лучшие характеристики и большее усиление, особенно в интегральных схемах. Транзисторы  р-п-р-типа по принципу действия ничем не отличаются от п-р-п-транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений.

Известны три схемы включения биполярных транзисторов в электрическую цепь, при которых возможно усиление электрической мощности: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК), которые приведены на рис. 3.19 для транзистора п-р-п-типа. Кроме того на рис. 3.19 показаны внешние источники напряжений и токи, протекающие через транзистор, в нормальном режиме работы.

Любая из схем включения обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому выбор схемы включения транзистора в каждом конкретном случае зависит от требуемых условий. На практике чаще всего используется схема включения с общим эмиттером (ОЭ), которая позволяет получать наибольшее усиление по мощности.

 

            а)                     б)                            в)

 

Рис. 3.19. Схемы включения транзистора:

а – схема ОБ; б – схема ОЭ; в – схема ОК

 

 

.

 

 

Структура дискретного биполярного п-р-п-транзистора приведена на рис. 3.20.

 

Рис. 3.20. Структура дискретного       

биполярного n-p-n-транзистора 

 

Результирующее распределение примесей в областях транзистора (сплошная линия) распределения примесей при базовой и эмиттерной диффузиях (пунктирные линии) показаны на рис. 3.21.

 

Рис. 3.21. Распределение примесей в дискретном биполярном

 n-p-n-транзисторе

 

Здесь  и – поверхностные концентрации примесей при эмиттерной и базовой диффузиях, а  – концентрация примеси в коллекторной области, выполненной методом эпитаксии. Эмиттер представляет собой сильнолегированную область, о чем  свидетельствует знак “+” при обозначении типа проводимости эмиттернорного слоя – . У реальных транзисторов площади                    р-п-переходов существенно различаются. Эмиттерный переход имеет значительно меньшую площадь, чем коллекторный.

Каждый из р-п-переходов транзистора имеет донную и боковые части. Рабочей или активной областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3.20 эта область заштрихована). Остальные участки, наличие которых обусловлено технологическими  причинами, являются пассивными.

Идеализированная структура биполярного п-р-п-транзистора для его активной области приведена на рис. 3.22. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой щириной базы , которая у современных транзисторов, как правило не превышает 1 мкм.

 

Рис. 3.22. Идеализированная структура биполярного n-p-n-транзистора

 

 

Внешние напряжения  и  создают соответствующие смещения на переходах. В зависимости от полярности напряжений  и  различают четыре режима работы транзистора (рис. 3.23):

Рис. 3.23. Режимы работы n-p-n-транзистора

 

 

1) нормальный (активный) режим, когда на эмиттерном переходе действует прямое смещение, а на коллекторном – обратное;

2) инверсный режим, когда на эмиттерном переходе действует обратное смещение, а на коллекторном – прямое;

3) режим двойной инжекции (насыщения), когда на оба перехода поданы прямые смещения;

4) режим отсечки (запирания), когда на оба перехода поданы обратные смещения.

В режимах двойной инжекции и отсечки управление транзистором практически отсутствует. В нормальном режиме управление транзистором осуществляется наиболее эффективно. Только работая в нормальном режиме, транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы, т. е. усиливать, генерировать, переключать электрические сигналы и  т. д.

Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Существенное влияние на работу транзистора оказывает распределение легирующей примеси в базе. Если примесь в базе распределена равномерно (однородная база), то в ней отсутствует внутреннее поле и движение носителей заряда имеет чисто диффузионный характер. При неравномерном распределении примеси   в области базы (неоднородная база) в ней возникает внутреннее электрическое поле, а значит, появляется дополнительная дрейфовая составляющая в движении носителей заряда. При этом необходимо так распределить примесь в базе, чтобы внутреннее поле способствовало движению носителей заряда от эмиттера к коллектору. Это возможно в случае уменьшения концентрации некомпенсированной примеси в базе   в направлении от эмиттера к коллектору (см. рис. 3.21.).

Принцип работы биполярного транзистора заключается в управлении током через обратно смещенный коллекторный переход. Известно, что в обратно смещенном р-п-переходе ток очень мал и определяется только неосновными носителями заряда, которые генерируются в области объемного заряда или вблизи нее. Однако при появлении у границ такого перехода дополнительных источников неосновных носителей  ток через обратносмещенный переход увеличивается. Такими источниками, например, могут быть частицы высокой энергии, попадающие при внешнем излучении в диодные фотоприемники или датчики излучения.

Другой способ увеличения концентрации неосновных носителей заряда около обратно смещенного p-n-перехода заключается в размещении в непосредственной близости от него другого                      p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. Данный способ особенно удобен, так как обеспечивает электрическое управление концентрацией неосновных носителей, т. е. управление ею с помощью напряжения смещения, приложенного к этому прямо смещенному переходу.

Такая модуляция тока в одном  p-n-переходе с помощью изменения напряжения смещения другого перехода, расположенного рядом с ним, называется механизмом работы биполярного транзистора. Эта одна из самых важных идей во всей истории развития электронных приборов.  За исследования, в результате которых эта идея была разработана и реализована, изобретатели биполярного плоскостного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 г.

Типовые схемы включения Биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК) / Блог им. Celeron / Сообщество EasyElectronics.ru

Я новичок в схемотехнике, сейчас вдумчиво изучаю цикл статей «Основы на пальцах». И мне также хочется разобраться с особенностями разных каскадов включения биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК). Поэтому, для прояснения, решил промоделировать их в Proteus: «Bipolar transistor cascades modelling (Proteus 7.7).zip»

Тут 4 листа, на каждом рассмотрено по одной модели, снабжены графиками…
Прошу прощения, что надписи на листах на английском. Когда редактировал, то где-то вылезли кракозяблы — и мне показалось, что мой Proteus не принимает русскую кодовую страницу. ..

Уважаемые Знатоки, прошу обратить внимание на эти модели, проверить их на правильность, и возможно приложить к основному курсу / посту «Основы на пальцах. Часть 3» (в качестве «наглядных примеров»).

(Примечание: картинки кликабельны и ведут на полноразмерное изображение…)

Читая статьи, встретил чей-то вопрос в комментариях:
>>> Пытаюсь разобраться со схемами включения биполярного транзистора: Существует 3 схемы включения транзистора — ОК, ОЭ, ОБ… Представим, что транзистор не соединен ни одним из своих выводов с землей… Вопрос: Каким образом при таком включении понять по какой схеме включен транзистор?

Отличный вопрос! Меня это тоже волнует и интересует. Ведь чтобы понять суть метода, границы и условия его применения — нужно выйти за рамки этого правила, и осознать его место и положение в общем Знании… Поэтому четвёртой моделью в Proteus я рассмотрел некий гибридный каскад: смесь ОК и ОЭ (т. е. подключил нагрузку и в цепь коллектора, и к эмиттору).

Примечание: Такой каскад иногда используется в усилителях для получения одинаковых противофазных сигналов (для раскачки выходного каскада, например). В этом варианте нагрузочные резисторы в коллекторе и эмиттере одинаковы.
Vga

Что у меня из этого вышло? Если вкратце, то в плане задачи «усиления мощности» — неудача, и это очень поучительно рассмотреть. Далее, мои размышления поподробнее (поправляйте/дополняйте меня, если что)…

Полученная схема вобрала недостатки обоих исходных усилительных каскадов (с ОК и ОЭ), но при этом не демонстрировала их достоинств! Получившийся каскад также давал значительное усиление по току (усиливал мощность в 100 раз, равное «коэффициенту усиления по току» транзистора), но получившаяся мощность распределялась между потребителями в выходной цепи (Нагрузка1-ТранзисторКЭ-Нагрузка2), пропорционально их сопротивлению (поскольку они соединены последовательно). С одной стороны, это немного похоже на обычный каскад (ОК или ОЭ), к выходу которого последовательных подключено несколько потребителей… Но это не совсем так: тут ключевой момент в том, что сам транзистор также входит в эту цепочку!

Минус 1: Транзистор всегда работает в линейном режиме и никогда не переходит в насышение — наследие схемы с ОК: очень сильна отрицательная обратная связь. А ток то течёт одинаковый через всех — и на транзисторе высаживается очень большая мощность (сравнимая с потреблением самой нагрузки), которая расходуется только на паразитный перегрев. Таким образом, большой ток в выходной цепи через эту схему не прогонишь — тогда спрашивается зачем было пихать дополнительную нагрузку в цепь коллектора? А обычно в коллекторную цепь ставят СИЛОВУЮ нагрузку, которой надо как можно большая мощность (т.е. ей повышение и напряжения, и тока — одинаково выгодны). А тут ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ НА НАГРУЗКЕ СИЛЬНО ОГРАНИЧЕНА.

Минус 2: «Эмитторный повторитель» (схема с ОК) хорош именно тем, что даёт на выходе напряжение практически равное тому что на входе усилительного каскада (т. е. усиливается только ток, причём значительно, в сотни раз) — этот каскад для специфических целевых применений.
Как например, для согласования низкоомного входа (мощного входа, которому требуется много тока для раскачки) <<== и сигнала снимаемого с высокоомного выхода (т.е. маломощного выхода, который может дать малый ток). Без усилительного каскада не обойтись — здесь «эмитторный повторитель» простое и дешёвое решение: ток усилит, а напряжение сохранит. Хотя конечно «эмитторный повторитель» при этом всё-таки немного уменьшит и напряжение сигнала (причём нелинейно, т.е. необратимо исказит) — поэтому в ответственных случаях используют другие схемы усилителей: на операционных усилителях…
А что я увидел на выходе этой гибридной схемы? Выходной сигнал снимаемый с эмиттера транзистора (output2 на модели Proteus) — уже нифига не повторяет входной сигнал, а стал меньше, пропорционально поделённый между сопротивлениями выходной цепи (Нагрузка1-ТранзисторКЭ-Нагрузка2). Таким образом, наличие нагрузки в коллекторной цепи убило «эмитторный повторитель» — ну и зачем тогда вообще нужна такая схема (риторический вопрос)?

Минус 3: Так как нагрузки в выходной цепи включены последовательно, то ток в них течёт одинаковый — следовательно, ОЧЕНЬ ЗАТРУДНЕНО ИХ СОГЛАСОВАНИЕ.
Нагрузки не могут слишком разниться по потребляемой мощности; и вообще, все должны быть рассчитаны на одинаковый рабочий ток; причём, изменения в потреблении одной из нагрузок (модуляции её сопротивления) радикально влияют на всю цепочку (помехи, вывод с режима)…
Короче, тут всё совсем плохо. Т.о. такая схема допустима только если все нагрузки статичны и одинаковые (например, гирлянда лампочек) — но тогда, вообще ВСЕ нагрузки гораздо лучше втулить только в одну цепь, либо коллектора (чаще всего), либо эмиттора.

Итак, вывод: смешивать схемы включения биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК) никогда не стоит — иначе, получится нечто бестолковое и бесполезное.

Правило: Нужно всегда применять конкретную (одну из этих трёх) типовую схему, в зависимости от схемотехнической задачи. Поэтому и в практических (чужих) схемах иных случаев не встретится. Поэтому тут не стоит и голову ломать над вопросом: «а что если трензистор включён как-то странно?» — транзистор всегда включён в одну из типовых схем, реализующих конкретную идею, цель.

Однако не совсем так… На самом деле: «нечистые», комбинированные схемы есть и используются. Действительно, здесь каскады рассмотрены только со стороны усиления мощности, как единственной задачи. Но ещё ж бывают и другие задачи:

Встречаются каскады, работающие одновременно в нескольких режимах, обычно с несколькими сигналами. Например смесители, гетеродины-смесители, сверхрегенераторы, дифференциальные усилители, etc. Ну и классический ОЭ каскад имеет некоторые черты ОК и ОБ — на эмиттерном резисторе выделяется сигнал, выходной для ОК и входной для ОБ (сигнал ООС).
Vga

Замечание: Кстати, в схемах ОК, ОЭ, ОБ не обязательно одна из ножек транзистора должна непременно находится на нулевом потенциале — не это является характерным признаком каскадов. Признак, это отсутствие сопротивления (потребителя мощности) в цепи одной из ножек транзистора — где отсутствует, то и считается «Общим». Привязка какой-то точки схемы к «нулевому потенциалу» (соединение с «землёй») — это условность, для отсчёта напряжений и согласования разных частей «целевой схемы», в которой этот каскад будет использоваться.
Т.е. вообще говоря, вопрос «где будем делать талию (т.е. землю) ?» — трансцендентен, выходит за рамки самого каскада.
Сначала проектируют отдельный усилительный каскад («трёхполюсник»), который принимает некий диаппазон напряжений A..C вольт, и на выходе у него некий диаппазон напряжений B..C вольт (в точке C соединяются два контура «входной» и «выходной», сюда же напрямую без резисторов подключён один из выводов транзистора — что определяет название и тип схемы включения).
А уже потом этот каскад включают в некоторое место целевой схемы (для его подключения можно выделить три точки). И вот только теперь появляется привязка каскада к «земле», потому что «земля» присутствует только в целевой схеме…

Исключения из правила: На практике, в реальных схемах, в эти типовые каскады могут вноситься некоторые дополнительные элементы (резисторы или др.) — защитные цепи (от нештатных ситуаций), компенсирующие (температурный дрейф характеристик), или вызывающие какие-то «смещения» или «подпирания» напряжения (настройка контура на конкретные значения A,C,B вольт)…

В последнем примере явно видно как работает электронщик, усложняя схему поэтапно: сначала DI HALT взял уже совершенно рабочий каскад на биполярном транзисторе (схема с ОЭ), и затем привнёс в него дополнительные свойства, внеся дополнительные элементы…
Но глядя на конечную схему — эти дополнительные элементы будут усложнять вид схемы и смущать неопытных электронщиков. Разумеется, эти дополнительные элементы также будут влиять и на передаточную ВАХ схемы, но не принципиально (передаточные характеристики всякого реального каскада всегда будут похожи на характеристики одной из типовых моделей).
Совет: при разборе чужой схемы, чтобы узнать какой используется каскад — нужно сперва очистить схему от этих дополнительных вспомогательных элементов (отбросить, будто их и не было, принципиально на работу схемы это не повлияет). Тогда будет ясно виден сам каскад, а его свойства известны, и станет понятно как он работает в схеме…

Как узнать какие элементы являются «дополнительными», которые внесены поздже основных для улучшения характеристик, и которые можно отбросить?
Нужен опыт… Внесённые «дополнительные элементы» по своим характеристикам значительно отличаются от «основных» по влиянию на схему — это признаки:

  • Если вносимые элементы подключаются ПАРАЛЛЕЛЬНО к основным, то их сопротивление выбирается на порядок(!) больше — и т. о. ток через них протекает значительно меньший, которым можно даже пренебречь в большинстве случаев (обычно, их малое влияние сглаживает некоторые участки передаточной ВАХ каскада)… Такие элементы довольно заметны и их можно смело отбрасывать.
  • Если вносимые элементы подключаются ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО в цепь к основным, то их сопротивление выбирается, напротив, на порядок меньше — по тем же причинам, чтобы ОКАЗЫВАТЬ МАЛОЕ ВЛИЯНИЕ…
  • Есть вносимые элементы, которые работают не всегда, а только в некоторых режимах — это обычно «защитные цепи», и в них как правило ПРИСУТСТВУЕТ ДИОДный вентиль, чтобы различить эту самую «специфическую ситуацию», когда добавочная цепь включается в работу (самый простой критерий — это когда ток идёт в обратную сторону; и он же — самый опасный случай для электрических элементов: т.н. «переполюсовка»).
  • Если дополнительно вносятся вспомогательные ёмкость (КОНДЕНСАТОР) или индуктивность (ДРОССЕЛЬ) — то это наверняка для сглаживания помех по напряжению или по току. Номиналы таких «сглаживающих» C или L также на порядок меньше, чем у «основных» ёмкостей и индуктивностей. Подключаются: дополнительная ёмкость — параллельно; дополнительная индуктивность — последоватено (Причём не наоборот! Например, учтите: если маленький конденсатор включён наоборот ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО? то это уже никакой не «дополнительный», а самый что ни на есть «основной» — разделительный конденсатор, что исполняет совершенно другую функцию в цепи…)
  • Стабилитроны и Варисторы (используются в силовых цепях) — это однозначно защитные «дополнительные элементы» в цепи, ими как правило всегда можно пренебречь при анализе схемы. (Хотя в реальном устройстве ими пренебрегать конечно никак нельзя, потому что там есть стартовые токи и переходные процессы — паразитные скачки тока случаются огромные, сгорит…)

Усилители на биполярных транзисторах

5.5.  Усилители на биполярных транзисторах

 

 В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора:  с общей базой (рис. 5.6; 5.9), с общим эмиттером (рис. 5.7; 5.10), с общим коллектором (рис. 5.8; 5.11).

На рисунках 5.6-5.8 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 5.9-5.11 – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

 Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Усилители в схеме включения транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.


Сравнительные характеристики усилителей приведены в таблице:

 

Параметр

Схема ОЭ

Схема ОБ

Схема ОК

коэффициент усиления по току

Десятки-сотни

Немного меньше единицы

Десятки-сотни

коэффициент усиления по напряжению

Десятки-сотни

Десятки-сотни

Немного меньше единицы

коэффициент усиления по мощности

Сотни-

десятки тысяч

Десятки-сотни

Десятки-сотни

Входное

сопротивление

Сотни ом – единицы килоом

Единицы-

десятки ом

Десятки –

сотни килоом

Выходное

сопротивление

Единицы – десятки килоом

Сотни килоом – единицы мегаом

Сотни ом –

единицы килоом

 

Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером (рис. 5.2 б). Такая простая схема усилителя используется очень редко. Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы коллекторной (рис. 5.12, 5.13) и эмиттерной (рис. 5.14, 5.15) стабилизации режима работы транзистора.

Коллекторная температурная стабилизация режима работы транзистора по схеме рисунка 5.12 используется редко, так как кроме температурной стабилизации происходит уменьшение коэффициента усиления за счет отрицательной обратной связи по переменному току. Устранить отрицательную обратную связь по переменному току позволяет конденсатор С1 в схеме, приведенной на рисунке 5.13. Такая стабилизация используется, например, в антенных усилителях для телевизионного приема.

Как в промышленных, так и в радиолюбительских конструкциях широко применяется эмиттерная температурная стабилизация режима работы транзистора. На рисунках 5.14 и 5.15 приведены схемы однокаскадных усилителей на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p типов с эмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора.

Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 5.14. Постоянный ток делителя напряжения протекает по цепи: плюс источника питания, резисторы R1, R2, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, резистор Rэ, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор RК, выводы коллектор-эмиттер транзистора, резистор Rэ, минус источника питания. Биполярный транзистор в составе усилителя работает в режиме, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном. Поэтому постоянное напряжение на резисторе R2 будет равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1 и напряжения на резисторе Rэ:  UR2=Uбэ+URэ. Отсюда следует, что постоянное напряжение на переходе база-эмиттер будет равно  Uбэ= UR2 – URэ.

Пусть температура окружающей среды увеличивается. В результате этого увеличиваются постоянные токи базы, коллектора и эмиттера, т.е. изменяется рабочая точка транзистора. Ток делителя напряжения на резисторах R1, R2 выбирают значительно больше тока базы транзистора.  Поэтому напряжение на резисторе R2 при изменении температуры остается практически неизменным (сопротивление резистора от температуры не зависит), а напряжение на резисторе Rэ с увеличением температуры увеличивается за счет увеличения тока эмиттера при неизменном сопротивлении резистора в цепи эмиттера. В результате этого напряжение база-эмиттер уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы, а, следовательно, и силы тока коллектора. Таким образом, рабочая точка транзистора будет стремиться к исходному состоянию. Наличие резистора в цепи эмиттера приводит к появлению отрицательной обратной связи как по постоянному, так и по переменному токам. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору Rэ подключают конденсатор. Емкость конденсатора Сэ выбирают так, чтобы его сопротивление переменному току на самой низкой частоте усиливаемого сигнала было значительно (примерно в десять раз) меньше сопротивления резистора в цепи эмиттера.

В усилителях низкой частоты на биполярных транзисторах применяются разделительные конденсаторы большой емкости. Это, как правило, электролитические конденсаторы, при подключении которых в электрическую цепь необходимо соблюдать полярность. Если источник усиливаемого сигнала не имеет постоянной составляющей и к выходу усилителя подключается нагрузка, не имеющая постоянного напряжения на своих зажимах, то полярность конденсаторов при использовании транзисторов n-р-n типа должна быть такой, как показано на рисунке 5. 14, а для транзистора р-n-р типа – на рисунке 5.15 (изменяется полярность включения источника питания и полярность подключения конденсаторов). Емкость разделительного конденсатора (конденсатор на выходе усилительного каскада) выбирают такой, чтобы его сопротивление было много меньше входного сопротивления следующего усилительного каскада, или много меньше сопротивления нагрузки на самой низкой частоте усиливаемого сигнала.

В последнее время широко применяются двухкаскадные усилители с непосредственной связью между транзисторами (рис. 5.16). Такие усилители применяются в качестве входных усилителей низкой частоты, в качестве антенных усилителей телевизионного сигнала и др. В этих усилителях обеспечивается температурная стабилизация режима обоих транзисторов. Рассмотрим цепи, по которым протекают постоянные токи. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по следующим цепям: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор R2, переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания; плюс источника питания, резистор Rк, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор  R2,

переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор Rэ, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор Rк, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор Rэ, общий провод, минус источника питания.

При увеличении температуры увеличивается ток базы первого транзистора. Это приведет к увеличению тока коллектора этого транзистора и уменьшению напряжения между коллектором первого транзистора и общим проводом. В результате уменьшится ток базы второго транзистора, что приведет к уменьшению тока коллектора второго транзистора. Напряжение на резисторе Rэ уменьшится, и ток базы первого транзистора будет стремиться к своему первоначальному значению.

Входные цепи чувствительного усилителя низкой частоты обязательно выполняются экранированным проводом, причем экран соединяется с корпусом усилителя в одной точке. От выбора этой точки зависит уровень мешающих напряжений.

Биполярный транзистор Tribotronic для механического контроля частоты и использования в качестве сенсорного переключателя

  • Мур, Г. Э. Добавление дополнительных компонентов в интегральные схемы. Проц. IEEE 86 , 82–85 (1998).

    Артикул Google ученый

  • Мур, Г. Прогресс в цифровой интегрированной электронике [Техническая литература, Copyright 1975 IEEE. Перепечатано с разрешения. Технический дайджест. Международная встреча по электронным устройствам, IEEE, 1975, с.11–13.]. IEEE Solid-State Circuits Newsl. 20 , 36–37 (2006).

    Артикул Google ученый

  • C. Y. Chen et al. Международная встреча IEEE по электронным устройствам (IEDM), 2015 г. 10.6.1–10.6.4. IEEE, Вашингтон, округ Колумбия, США, 2015 г.https://doi.org/10.1109/IEDM.2015.7409671

  • Роджерс Дж. А., Сомея Т. и Хуанг Ю. Материалы и механика для растягиваемой электроники. Наука 327 , 1603–1607 (2010).

    Артикул Google ученый

  • Ван, З. Л. и Ву, В. Сбор энергии с помощью нанотехнологий для автономных микро-/наносистем. Анжю. хим. – Междунар. Эд. 51 , 11700–11721 (2012).

    Артикул Google ученый

  • Ван, З. Л. Прогресс в пьезотронике и пьезофототронике. Доп. Матер. 24 , 4632–4646 (2012).

    Артикул Google ученый

  • Ван, З. Л. Трибоэлектрические наногенераторы как новая энергетическая технология для автономных систем и как активные механические и химические датчики. ACS Nano 7 , 9533–9557 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Кроун, Б. и др. Крупномасштабные комплементарные интегральные схемы на основе органических транзисторов. Природа 403 , 521–523 (2000).

    Артикул Google ученый

  • Wu, H., Huang, Y., Xu, F., Duan, Y. & Yin, Z. Сборщики энергии для носимой и растяжимой электроники: от гибкости к растяжимости. Доп. Матер. 28 , 9881–9919 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Ларсон Л.E. Варианты технологии интегральных схем для текущего состояния RFIC и будущих направлений. in. Custom Integrated Circuits Conference, 1997., Proceedings of the IEEE 1997 , 169–176 (1997).

  • Fan, F. R., Tian, ​​Z. Q. & Lin Wang, Z. Гибкий трибоэлектрический генератор. Nano Energy 1 , 328–334 (2012).

    Артикул Google ученый

  • Чжоу Т. и др. Многослойные электретные пленки на основе трибоэлектрического наногенератора. Нано рез. 9 , 1442–1451 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Чжоу Т. и др. Тканый структурированный трибоэлектрический наногенератор для носимых устройств. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 6 , 14695–14701 (2014 г.).

    Артикул Google ученый

  • Чжан К., Тан В., Хань К., Фан Ф. и Ван З. Л. Теоретическое сравнение, эквивалентное преобразование и совместные операции генератора электромагнитной индукции и трибоэлектрического наногенератора для сбора механической энергии. Доп. Матер. 26 , 3580–3591 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Zhang, C. et al. Трибоэлектрический наногенератор постоянного тока на основе вращающегося диска. Доп. Энергия Матер. 4 , 1–7 (2014).

    Google ученый

  • Панг Ю.К. и др. Трибоэлектрические наногенераторы как датчик трехмерного ускорения с автономным питанием. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 7 , 19076–19082 (2015 г.).

    Артикул Google ученый

  • Чжан, Л. и др. Прозрачный трибоэлектрический наногенератор на бумажной основе в качестве метки страницы и датчика защиты от кражи. Нано рез. 7 , 1215–1223 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Bao Han, C. et al. Матрица датчиков скорости и траектории с автономным питанием, состоящая из планарных пикселей трибоэлектрического наногенератора. Nano Energy 9 , 325–333 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Fu, X. P. et al. Встроенные трибоэлектрические активные датчики для пневматического мониторинга в режиме реального времени. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 9 , 32352–32358 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Чжан С.-С. и другие. Моноблочные автономные гибкие микросистемы на основе трибоэлектрических наногенераторов. Nano Energy 47 , 410–426 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Zhang, X. S. et al. Мощный трибоэлектрический наногенератор с умножением частоты для устойчивого питания биомедицинских микросистем. Нано. лат. 13 , 1168–1172 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Пу, Х.и другие. Движение глаз активировало мехносенсационную систему связи с автономным питанием, использующую трибоэлектрический наногенератор. Науч. Доп. 3 , 1–8 (2017).

    Google ученый

  • Wang, Z. L. Сила волн в плавучих сетях. Природа 542 , 159–160 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Zhang, L.M. et al. Многослойный прочный трибоэлектрический наногенератор с волнистой структурой для сбора энергии водяных волн. Nano Energy 22 , 87–94 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Фэн, Л. и др. Гибридный наногенератор на основе трех сотовых электродов для эффективного сбора энергии океанских волн. Nano Energy 47 , 217–223 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Чжан С. и Ван З. Л. Триботроника — новая область, объединяющая трибоэлектричество и полупроводник. Nano Today 11 , 521–536 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Чжан, К., Тан, В., Чжан, Л., Хань, К. и Ван, З. Л. Полевой транзистор с контактной электризацией. ACS Nano 8 , 8702–8709 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Xi, F. et al. Универсальная стратегия управления питанием трибоэлектрического наногенератора. Nano Energy 37 , 168–176 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Цзян Т. и др. Теоретическое исследование триботронных транзисторов со скользящим затвором и логических устройств. Доп. Электрон. Мать . 4 , 1700337–1700344 (2018).

  • Пэн, В., Ю, Р., Хе, Ю. и Ван, З.Л. Теоретическое исследование полевого транзистора металл-оксид-полупроводник с трибоэлектрическим потенциалом, вентилируемым/управляемым. ACS Nano 10 , 4395–4402 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Ян, Б.З., Лин, Ю.С. и Ву, Дж.М. Гибкий полевой транзистор с контактной электризацией, изготовленный из тонкой пленки проводящего полимера P3HT:PCBM. Заяв. Матер. Сегодня 9 , 96–103 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Zhang, C. et al. Органический триботронный транзистор для контактно-затворного светодиода. Доп. Функц. Матер. 25 , 5625–5632 (2015).

    Артикул Google ученый

  • Ли, Дж.и другие. Гибкая органическая триботронная транзисторная память для визуальной и носимой сенсорной системы мониторинга. Доп. Матер. 28 , 106–110 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Панг Ю. и др. Триботронное усиление фоточувствительности фототранзистора МОП-2. Доп. наука . 3 , 1500419–1500425 (2015).

  • Ян, З. В. и др. Триботронная транзисторная матрица как активная тактильная сенсорная система. ACS Nano 10, 10912–10920 (2016).

  • Чжоу Т. и др. Триботронный настроечный диод для активной модуляции аналогового сигнала. ACS Nano 11 , 882–888 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Чжао Дж.и другие. Гибкий органический триботронный транзистор для измерения давления и магнитного поля. ACS Nano 11 , 11566–11573 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Дэвис, Д. К. Генерация заряда на диэлектрических поверхностях. J. Phys. Д заявл. физ. 2 , 1533–1537 (1969).

    Артикул Google ученый

  • Драйвер двигателя HBridge с биполярным транзистором

    Классическая схема драйвера двигателя постоянного тока для начинающих, которая встречается в каждом учебнике по электронике, представляет собой Н-мост на биполярном транзисторе.

    H-мост представляет собой схему транзисторов, которая позволяет схеме полностью управлять стандартным электродвигателем постоянного тока. То есть H-мост позволяет микроконтроллеру, логической микросхеме или пульту дистанционного управления электронным способом управлять двигателем для движения вперед, назад, торможения и движения по инерции.

    Для целей этой статьи я сосредоточусь на базовом H-мосте, который является хорошим выбором для большинства роботов (включая роботов BEAM) и портативных гаджетов.Этот Н-мост может работать от источника питания от двух почти разряженных батареек типа ААА (2,2 В) до свежей батареи 9 В (9,6 В).

    На следующих страницах я сравню производительность трех популярных транзисторов с разными номерами деталей. (2N3904/2N3906 по сравнению с 2N2222A/2N2907A по сравнению с Zetex ZTX1049A/ZTX968) используя обычный двигатель робота от Solarbotics.

    Схема H-моста (ниже) на первый взгляд выглядит сложной, но на самом деле это всего лишь четыре копии резистора + транзистора + диода.

    Схема мостовой схемы на биполярном транзисторе для управления двигателем постоянного тока. Вы видите букву «Х»?

    Существует множество различных способов рисования схемы, но приведенная выше схема подключения соответствует модели большинства h-мостов.

    • M1 : Это двигатель постоянного тока. Это очень распространено. Вы можете найти их в интернет-магазинах излишков или в старых игрушках.Двигатель должен иметь только два провода. Измерьте сопротивление двух проводов двигателя с помощью мультиметра. Если сопротивление двигателя меньше 5 Ом, то транзисторные детали, перечисленные в этой статье, слишком слабы для питания двигателя.

    Если вам нужна полная информация о том, как работает H-мост, или если вам нужны более простые или более мощные драйверы двигателей, см. тогда, пожалуйста, купите экземпляр моей книги «Создание роботов среднего уровня». Главы 9 и 10 подробно описаны и содержат множество вариаций, не показанных здесь.

    Управление драйвером двигателя H-Bridge

    Резисторы — это входы, управляющие H-мостом. Подключив резистор к +VDC или GND, он включает или выключает соответствующий транзистор. (+VDC — положительный конец батареи. GND — отрицательный конец батареи.) Когда определенная пара транзисторов включается, двигатель что-то делает.

    Команда R1 R2 R3 R4
    Самовыбег/Ролл/Выкл: GND или отсоединен +VDC или отсоединен GND или отсоединен +VDC или отсоединен
    Вперед: GND или отключен GND +VDC +VDC или отключен
    Реверс: +VDC +VDC или отключен GND или отключен GND
    Торможение/Замедление: +VDC +VDC или отключено +VDC +VDC или отключено

    Поскольку имеется 4 резистора, на самом деле существует шестнадцать возможных способов управления этой схемой. Не беспокойтесь о других вариантах (они есть в книге, если вам интересно). Кроме…

    Никогда не подавайте +VDC на R1 и GND на R2 одновременно! Вы закоротите батарею.

    Никогда не подавайте +VDC на R3 и GND на R4 одновременно! Вы закоротите батарею.

    Далее, давайте построим схему H-моста, используя реальные детали…


    Биполярный переходной транзистор Области применения

    Что такое транзистор?

    Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии.Или Транзистор — это устройство, которое регулирует поток тока или напряжения и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых способен проводить ток.

    Определение транзистора с биполярным переходом

    базовая структура биполярного переходного транзистора (BJT) определяет его рабочие характеристики. В этом разделе вы увидите, как полупроводящие материалы используются для формирования BJT, и вы узнаете стандартные символы BJT.

    BJT состоит из трех областей легированного полупроводника, разделенных двумя переходами PN , которые показаны в эпитаксиальной планарной структуре. Три области называются эмиттер, база, и коллектор . Физические представления двух типов BJT показаны на рис. Один тип состоит из двух областей n , разделенных областью p ( npn), , а другой тип состоит из двух областей p , разделенных областью . регион ( ПНП ).Термин биполярный относится к использованию как дырок, так и электронов в качестве носителей тока в структуре транзистора.

    Соединение PN , соединяющее область базы и область эмиттера, называется соединением база-эмиттер . Соединение PN , соединяющее область основания и область коллектора, называется соединением основание-коллектор. Показан вывод провода, который подключается к каждой из трех областей.Эти выводы помечены E, B и C для эмиттера, базы и коллектора соответственно. Базовая область слабо легирована и очень тонкая по сравнению с сильно легированной областью эмиттера и умеренно легированной областью коллектора. (Причина этого обсуждается в следующем разделе). Схематические обозначения биполярных транзисторов NPN и PNP .

                    

    Как работает биполярный транзистор?

    Чтобы BJT правильно работал в качестве усилителя, два перехода PN должны быть правильно смещены внешними напряжениями.В этом разделе мы в основном используем транзистор NPN для иллюстрации. Работа PNP такая же, как и у NPN , за исключением того, что роли электронов и дырок, полярность напряжения смещения и направления тока меняются местами.

    См. также: ОПМ

    Смещение

    Схема смещения для NPN и PNP BJT для работы в качестве усилителя . Обратите внимание, что в обоих случаях переход база-эмиттер (BE) смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор (BC) смещен в обратном направлении.Это состояние называется смещением вперед-назад.

    Операция:

    Чтобы понять, как работает транзистор, давайте рассмотрим, что происходит внутри структуры NPN . Сильнолегированная эмиттерная область типа n- имеет очень высокую плотность (свободных) электронов в зоне проводимости. Эти свободные электроны легко диффундируют через прямой BE-переход в слабо легированную и очень тонкую базовую область типа p , как показано широкой стрелкой.База имеет низкую плотность дырок, которые являются основными носителями, как показано белыми кружками.

    Небольшой процент от общего числа свободных электронов, инжектированных в базовую область, рекомбинирует с дырками и перемещается в виде валентных электронов через базовую область в эмиттерную область в виде дырочного тока, обозначенного красными стрелками.

    Когда электроны, рекомбинировавшие с дырками в качестве валентных электронов, покидают кристаллическую структуру базы, они становятся свободными электронами в металлическом свинце базы и производят внешний ток базы.

    Большинство свободных электронов, попавших в базу, не рекомбинируют с дырками, потому что база очень тонкая. Когда свободные электроны движутся к переходу BC с обратным смещением, они уносятся в область коллектора за счет притяжения положительного напряжения питания коллектора. Свободные электроны проходят через область коллектора во внешнюю цепь, а затем возвращаются в область эмиттера вместе с током базы, как показано.

    Ток эмиттера немного больше тока коллектора из-за небольшого тока базы, который выделяется из общего тока, инжектируемого в базовую область из эмиттера.

    Посмотрите еще как работает транзистор? .

    Ток транзистора

    Направления токов в транзисторе NPN и его условное обозначение показаны на рис. выше; они для транзистора PNP показаны на рисунке выше. Обратите внимание, что стрелка на эмиттере внутри символов транзистора указывает направление обычного тока. На этих диаграммах видно, что ток эмиттера ( I E ) представляет собой сумму тока коллектора ( I C ) и тока базы ( I B ), выраженную следующим образом:

    I E = I C + I B

    Как упоминалось ранее, I B очень мал по сравнению с I E или I C . Нижние индексы заглавными буквами указывают значения постоянного тока.

                  

    BJT Характеристики и параметры

    Два важных параметра, β DC (усиление постоянного тока) и α DC , вводятся и используются для анализа схемы BJT . Кроме того, рассматриваются кривые характеристик транзистора, и вы узнаете, как по этим кривым можно определить работу биполярного транзистора. Наконец, обсуждаются максимальные рейтинги BJT.

    Когда транзистор подключен к напряжениям устранения смещения для обоих типов NPN и PNP , V BB смещает переход база-эмиттер в прямом направлении, а V CC смещает переход база-коллектор в обратном направлении.Хотя в этой главе мы используем отдельные символы батарей для обозначения напряжения смещения, на практике напряжения часто получаются от одного источника питания.

    Например, V CC обычно берется непосредственно с выхода источника питания, а V BB (меньшего размера) может быть получен с делителем напряжения.

                 

    DC Beta (β
    DC ) и DC Alpha (α DC ):

    Постоянный ток усиление транзистора представляет собой отношение тока коллектора ( I C ) к току уменьшения базы ( I B ) и рассчитывается по бета DC ) ).

    Обычно значения β DC находятся в диапазоне от менее 20 до 200 или выше. β DC обычно обозначается как эквивалентный гибридный ( h ) параметр h FE , в описаниях транзисторов. Все, что вам нужно знать сейчас, это то, что:

    h FE = β DC

    Отношение тока коллектора ( I C ) к току деэмиттера ( I E ) равно de   альфа 0 95 (3α 95 ).Альфа – менее используемый параметр, чем бета, в транзисторных схемах.

    Обычно значения α DC находятся в диапазоне от 0,95 до 0,99 и выше, но α DC всегда меньше 1. Причина в том, что I C всегда немного меньше I E на сумма I B . Например, если I E = 100 мА и I B = 1 мА, то I C = 99 мА и α DC = 90,65499.

    Транзистор постоянного тока Модель:

    Вы можете рассматривать понимание BJT как устройства с токовым входом и зависимым источником тока в выходных цепях для NPN . Входная цепь представляет собой диод с прямым смещением, через который протекает базовый ток. Выходная цепь представляет собой зависимый источник тока (ромбовидный элемент) со значением, зависящим от тока базы, I B, и равным β DC I B .Напомним, что символы независимых источников тока имеют круглую форму.

    Анализ цепи BJT:

    Рассмотрим базовую конфигурацию цепи смещения транзистора. Можно определить токи de транзистора и три напряжения de.

    I I B : B : DC Базовый ток I E : DC Emitter Ток I C : Коллектор постоянного тока V Быть : постоянного напряжения у основания относительно эмиттера V CB : постоянное напряжение на коллекторе относительно базы В CE : постоянное напряжение на коллекторе относительно эмиттера.

    Источник напряжения смещения база, V BB , «смещает в прямом направлении переход база-эмиттер, а источник напряжения смещения коллектор-смещение, V CC , смещает переход база-коллектор в обратном направлении. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, он похож на диод с прямым смещением и имеет номинальное падение напряжения в прямом направлении.

    В BE ≅ 0,7 В

    Хотя в реальном транзисторе V BE может достигать 0,9 В и зависит от тока, мы будем использовать 0.7 V по всему тексту, чтобы упростить анализ основных понятий. Имейте в виду, что характер перехода база-эмиттер такой же, как и у нормальной диодной кривой, как на рисунке выше.

    В РБ = В ВВ – В ВВ

          

    Кривые характеристик коллектора:

    Используя схему, подобную показанной на рис. выше, можно построить набор кривых характеристик коллектора, которые показывают, как ток коллектора I C зависит от напряжения коллектор-эмиттер, В CE , для заданные значения тока базы, I B . Обратите внимание на принципиальную схему, что V BB и V CC являются регулируемыми источниками напряжения.

    Предположим, что V BB настроен на получение определенного значения I B , а V CC равно нулю. В этом случае и переход база-эмиттер, и переход база-коллектор смещены в прямом направлении, потому что на базе примерно 0,7 В, а на эмиттере и коллекторе 0 В. Базовый ток проходит через переход база-эмиттер, потому что пути с низким импедансом к земле и, следовательно, I C равно нулю.Когда оба перехода смещены в прямом направлении, транзистор находится в области насыщения своей работы. Насыщение — это состояние биполярного транзистора, при котором ток коллектора достигает максимума и не зависит от тока базы.

    При увеличении V CC V CE увеличивается при увеличении тока коллектора. На это i указывает участок характеристической кривой между точками A и B. I C увеличивается по мере увеличения V CC , поскольку V CE остается меньше 0.7 В из-за перехода база-коллектор с прямым смещением.

    В идеале, когда V CE превышает 0,7 В, переход база-коллектор становится смещенным в обратном направлении, и транзистор переходит в активную или линейную область своей работы. Как только переход база-коллектор смещен в обратном направлении, I C выравнивается и остается практически постоянным для заданного значения I B , поскольку V CE непрерывно увеличивается. На самом деле, I C увеличивается очень незначительно по мере увеличения V CE из-за расширения области истощения база-коллектор.Это приводит к меньшему количеству отверстий для рекомбинации в базовой области, что фактически вызывает небольшое увеличение β DC . Это показано на участке характеристической кривой между точками B и C. Для этого участка характеристической кривой значение I C определяется только соотношением, выраженным как I C = β DC I B .

    Когда V CE достигает достаточно высокого напряжения, переход база-коллектор с обратным смещением выходит из строя; а ток коллектора быстро возрастает, на что указывает часть кривой справа от точки C.Транзистор никогда не должен работать в этой области пробоя.

    Семейство кривых характеристик коллектора получается, когда I C в сравнении с V CE строятся для нескольких значений I B . Когда I B = o, транзистор находится в области отсечки, хотя ток утечки коллектора, как показано, очень мал. Отсечка   — это непроводящее состояние транзистора. Величина тока утечки коллектора для I B = o преувеличена на графике для иллюстрации.

    Отсечка:

    Как упоминалось ранее, когда   I = 0, транзистор находится в области отсечки для своей работы. При разомкнутом выводе базы базовый ток равен нулю. В этом случае возникает очень небольшой ток утечки коллектора I CEO , в основном из-за термически произведенных носителей. Поскольку I CEO чрезвычайно мало, им обычно пренебрегают при анализе схемы, так что V CE = V CC .В отсечке ни переход база-эмиттер, ни переход база-коллектор не смещены в прямом направлении. Нижний индекс CEO представляет коллектор-эмиттер с открытой базой.

    Насыщенность:

    Когда переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении и ток базы увеличивается, ток коллектора также увеличивается ( I C = β DC I B ) и V 90 в результате большего падения на коллекторном резисторе (V CE = V CC I C R C ). Когда V CE достигает своего значения насыщения, V CE( sat) , переход база-коллектор становится смещенным в прямом направлении, и I C больше не может увеличиваться даже при постоянном увеличении I B . В точке насыщения соотношение I C = β DC I B перестает быть действительным V CE( sat) 90 90 кривых коллектора, и обычно составляет всего несколько десятых долей вольта.

    Линия нагрузки постоянного тока:

    Отсечку и насыщение можно проиллюстрировать по отношению к характеристикам коллектора с помощью линии нагрузки. Линия разгрузки проводится на семействе кривых, соединяющих точку отсечки и точку насыщения. Нижняя часть грузовой линии находится в идеальном месте, где I C = 0 и V CE = V CC . Вершина нагрузочной линии находится в состоянии насыщения, вдоль нагрузочной линии находится активная область работы транзистора.

    Подробнее о β
    DC :

    Важный параметр BJT, который нам необходимо изучить далее. β DC на самом деле не является постоянной величиной, но изменяется как в зависимости от тока коллектора, так и в зависимости от температуры. Поддержание постоянной температуры перехода и увеличение I C приводит к тому, что β DC увеличивается до максимума. Дальнейшее увеличение I C за пределы этой максимальной точки β DC к уменьшению.Если I C поддерживается постоянным, а температура изменяется, β DC изменяется непосредственно с температурой. Если температура повышается, β DC повышается, и наоборот. Изменение β DC с I C и температуры перехода (T J ) для типичного BJT.

    В технических характеристиках транзистора обычно указывается β DC ( h FE ) при определенных значениях I C . Даже при фиксированных значениях I C и температуре β DC варьируется от одного устройства к другому для данного типа транзистора из-за несоответствий в производственном процессе, которые неизбежны. β DC , указанное при определенном значении I C , обычно является минимальным значением. β DC(min) , хотя иногда также указываются максимальные и типичные значения.

    Максимальные номиналы транзисторов:

    BJT, как и любое другое электронное устройство, имеет ограничения по своей работе.Эти ограничения указываются в виде максимальных значений и обычно указываются в паспорте производителя. Как правило, максимальные номинальные значения даны для напряжения коллектор-база, напряжения коллектор-эмиттер, напряжения эмиттер-база, тока коллектора и рассеиваемой мощности. Производство V CE и I C не должно превышать максимальную рассеиваемую мощность. Оба V CE и I C не могут быть максимальными одновременно. Если V CE является максимальным, I C можно рассчитать как.

    Если I C является максимальным, V CE можно рассчитать, перестроив предыдущее уравнение следующим образом:

    Снижение номинальных характеристик P
    D (макс.) :

    P D (макс.) обычно указывается при 25°C. Для более высоких температур P D (max) меньше. В спецификациях часто указываются коэффициенты снижения номинальных характеристик для определения P D (макс.) при любой температуре выше 25°C. Например, коэффициент снижения 2 мВт/°C означает, что максимальная рассеиваемая мощность уменьшается на 2 мВт при повышении температуры на каждый градус Цельсия.

    DC и AC Количество:

    Прежде чем обсуждать концепцию транзисторного усиления, необходимо объяснить обозначения, которые мы будем использовать для величин тока, напряжения и сопротивления в цепи, поскольку в схемах усилителя есть величины как постоянного, так и переменного тока.

    В этом тексте заглавные курсивные буквы используются как для постоянного, так и для переменного тока (I) и напряжения (V). Это правило применяется к среднеквадратичным, средним, пиковым и размахам переменного тока. Значения переменного тока и напряжения всегда являются среднеквадратичными, если не указано иное.Хотя в некоторых текстах строчные буквы i и v используются для переменного тока и напряжения, мы оставляем за собой использование строчных букв i и v только для мгновенных значений. В этом тексте различие между постоянным током или напряжением и переменным током или напряжением указано в нижнем индексе.

    Величины постоянного тока всегда имеют нижний индекс в верхнем регистре (не курсивом). Например, I B , I C и I E представляют собой постоянные токи транзистора. V BE , V CB и V CE представляют собой напряжения постоянного тока от одной клеммы транзистора к другой.Напряжения с одним индексом, такие как V B , V C и V E , представляют собой напряжения постоянного тока от выводов транзистора к земле.

    AC и все изменяющиеся во времени величины всегда имеют строчный курсивный индекс. Например, I b , I c и I e представляют собой токи транзисторов переменного тока. V be , V cb и V ce представляют собой переменные напряжения от одной клеммы транзистора к другой. Напряжения с одним индексом, такие как V b , V c и V e , представляют собой напряжения переменного тока от выводов транзистора к земле.

    Правило другое для внутренних сопротивлений транзисторов. Как вы увидите позже, транзисторы имеют внутреннее сопротивление переменному току, которое обозначается строчными буквами r ¿  с соответствующим нижним индексом. Например, внутреннее сопротивление эмиттера переменного тока обозначается как r À e .

    Сопротивление цепи, внешнее по отношению к самому транзистору, обозначается стандартной курсивной заглавной буквой R с нижним индексом, который идентифицирует сопротивление как постоянное или переменное (если применимо), точно так же, как для тока и напряжения. Например, RE — внешнее сопротивление эмиттера постоянного тока, а Re — внешнее сопротивление эмиттера переменного тока.

    Усиление напряжения:

    Как вы узнали, транзистор усиливает ток, потому что ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент усиления по току, β . Ток базы в транзисторе очень мал по сравнению с токами коллектора и эмиттера. Из-за этого ток коллектора примерно равен току эмиттера.

    Имея это в виду, давайте посмотрим на схему.Переменное напряжение V s накладывается на постоянное напряжение смещения V BB за счет емкостной связи, как показано. Напряжение смещения постоянного тока V CC подключено к коллектору через коллекторный резистор R C .

    Входное напряжение переменного тока создает переменный базовый ток, что приводит к гораздо большему переменному току коллектора. Переменный ток коллектора создает переменное напряжение на резисторе R C , таким образом создавая усиленное, но инвертированное воспроизведение входного переменного напряжения в активной области работы.

    Переход база-эмиттер с прямым смещением имеет очень низкое сопротивление для сигнала переменного тока. Это внутреннее сопротивление эмиттера переменного тока обозначается r À e и появляется последовательно с R B . Базовое напряжение переменного тока:

    Напряжение коллектора переменного тока, В c , равно падению напряжения переменного тока на R C .

    Поскольку I C ≅ I e , напряжение коллектора переменного тока составляет:

    V b можно рассматривать как входное напряжение транзистора переменного тока, где V b = V s – I b R B .V C можно рассматривать как выходное напряжение транзистора переменного тока. Поскольку коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению, отношение V C к V b представляет собой коэффициент усиления по переменному напряжению A V транзистора. Замена I e R C на V C и I e r на e на V b дает:

    Условия I и отменяются; следовательно,

    Это уравнение показывает, что транзистор обеспечивает усиление в виде усиления по напряжению, которое зависит от значений R C и r À e .

    BJT как переключатель

    В предыдущем разделе вы видели, как биполярный транзистор можно использовать в качестве линейного усилителя. Второй важной областью применения является переключение приложений. При использовании в качестве электронного переключателя BJT обычно работает попеременно в режимах отсечки и насыщения. Многие цифровые схемы используют биполярный транзистор в качестве переключателя.

    Операция переключения:

    иллюстрирует базовую работу биполярного транзистора в качестве коммутационного устройства. В части (а) транзистор находится в области отсечки, потому что переход база-эмиттер не смещен в прямом направлении. В этом состоянии, в идеале, между коллектором и эмиттером имеется разрыв, на что указывает эквивалент переключателя. В части (b) транзистор находится в области насыщения, потому что переход база-эмиттер и переход база-коллектор смещены в прямом направлении, а ток базы сделан достаточно большим, чтобы ток коллектора достиг своего значения насыщения. В этом случае в идеале должно быть короткое замыкание между коллектором и эмиттером, на что указывает эквивалент переключателя. На самом деле обычно происходит небольшое падение напряжения на транзисторе до нескольких десятых вольта, что является напряжением насыщения, V CE(sat) .

    Условия отсечки:

    Как упоминалось ранее, транзистор находится в области отсечки, когда переход база-эмиттер не смещен в прямом направлении. Если пренебречь током утечки, все токи равны нулю, а V CE равно V CC .

    В CE (отсечка) = В CC

    Условия насыщения:

    Как вы узнали, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении и ток базы достаточен для создания максимального тока коллектора, транзистор насыщается. Формула для тока насыщения коллектора: Поскольку V CE(sat) очень мала по сравнению с V CC, , обычно им можно пренебречь. Минимальное значение тока базы, необходимое для насыщения, составляет: Обычно I B должно быть значительно больше, чем I B(min) , чтобы обеспечить насыщение транзистора.

    Простое применение транзисторного переключателя

    Транзистор используется в качестве переключателя для включения и выключения светодиода.Например, прямоугольное входное напряжение с периодом 2 с подается на вход, как указано. Когда прямоугольная волна равна 0 В, транзистор находится в отсечке; а поскольку тока коллектора нет, светодиод не излучает свет. Когда прямоугольная волна переходит на высокий уровень, транзистор насыщается. Это смещает светодиод в прямом направлении, и результирующий ток коллектора через светодиод заставляет его излучать свет. Таким образом, светодиод горит 1 секунду и выключается на 1 секунду.

    Фототранзистор:

    В фототранзисторе базовый ток возникает, когда свет попадает на фоточувствительную полупроводниковую базовую область.Переход коллектор-база PN освещается падающим светом через линзовое отверстие в корпусе транзистора. Когда нет падающего света, возникает только небольшой термически генерируемый ток утечки между коллектором и эмиттером, I CEO ; этот темновой ток, 90 534 I  90 535 λ, производится прямо пропорционально интенсивности света. Это действие создает ток коллектора, который увеличивается с I λ . За исключением способа генерации базового тока, фототранзистор ведет себя как обычный биполярный транзистор.Во многих случаях электрическое соединение с базой отсутствует.

    Соотношение между током коллектора и генерируемым светом базовым током фототранзистора:

    I C = β DC I λ

    Схематическое обозначение и некоторые типичные фототранзисторы показаны на рисунке выше. Поскольку реальная фотогенерация тока базы происходит в области коллектор-база, чем больше физическая площадь этой области, тем больше генерируется ток базы.Таким образом, типичный фототранзистор предназначен для обеспечения большой площади падающего света, как показано на упрощенной структурной схеме на рисунке выше:

    .

                 

    Типовая структура фототранзистора.

    Фототранзистор может быть как двухвыводным, так и трехвыводным устройством. В конфигурации с тремя отведениями основной вывод выведен наружу, так что устройство можно использовать как обычный BJT с дополнительной функцией светочувствительности или без нее.В конфигурации с двумя отведениями база электрически недоступна, и устройство можно использовать только со светом в качестве входа. Во многих приложениях фототранзистор используется в двухвыводном варианте.

    фототранзистор со схемой смещения и типовыми коллекторными характеристиками. Обратите внимание, что каждая отдельная кривая на графике соответствует определенному значению интенсивности света (в данном случае единицами измерения являются мВт/см 2 ) и что ток коллектора увеличивается с увеличением интенсивности света.

    Фототранзисторы чувствительны не ко всему свету, а только к свету в определенном диапазоне длин волн. Они наиболее чувствительны к определенным длинам волн в красной и инфракрасной части спектра, как показано пиком кривой инфракрасного спектрального отклика на рисунке выше:

    .

    Применение фототранзистора

    Фототранзисторы

    используются в различных приложениях. Схема реле с управлением светом: Фототранзистор Q 1 управляет BJT Q 2 .Когда на Q 1 поступает достаточное количество света, транзистор Q 2 переходит в состояние насыщения, и ток коллектора через катушку реле включает реле. Диод, установленный на катушке реле, своим ограничивающим действием предотвращает появление больших переходных процессов напряжения на коллекторе Q 2 при выключении транзистора.

    Цепь, в которой реле деактивируется падающим на фототранзистор светом. Когда света недостаточно, транзистор Q 2 смещается, удерживая реле под напряжением. При достаточном освещении включается фототранзистор Q 1 ; это переводит базу Q 2 в низкий уровень, тем самым отключая Q 2 и обесточивая реле.

                

    Оптопары:

    Оптопары

    используют светодиод, оптически связанный с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе. Два основных типа — это светодиод-фотодиод и светодиод-фототранзистор, как показано на рисунке выше. Примеры типовых упаковок показаны на рисунке:

    Базовые оптопары:

                   

    Ключевым параметром оптронов является CTR (коэффициент передачи тока).CTR показывает, насколько эффективно сигнал передается от входа к выходу, а id выражается как отношение изменения тока светодиода к соответствующему изменению тока фотодиода или фототранзистора. Обычно выражается в процентах.

     Примеры комплектов оптронов:

    Ключевым параметром оптронов является CTR (коэффициент передачи тока). CTR является косвенным показателем того, насколько эффективно сигнал передается от входа к выходу, и выражается как отношение изменения тока светодиода к соответствующему изменению тока фотодиода или фототранзистора.Обычно выражается в процентах.

    CTR в зависимости от ПЧ для типичной оптопары:

    Типовой график зависимости CTR от прямого тока светодиода. В этом случае он варьируется от примерно 50% до примерно 110%.

    Оптопары

    используются для изоляции участков цепи, которые несовместимы с точки зрения требуемых уровней напряжения или тока. Например, они используются для защиты пациентов больницы от ударов током, когда они подключены к приборам для мониторинга или другим устройствам.Они также используются для изоляции слаботочных цепей управления или сигнальных цепей от шумных цепей электропитания или сильноточных цепей двигателя и машины.

    Категории и упаковка транзисторов

    :

    BJT s доступны в различных упаковках для различных применений. Те, у кого есть монтажные шпильки или радиаторы, обычно представляют собой силовые транзисторы. Транзисторы малой и средней мощности обычно находятся в небольших металлических или пластиковых корпусах. Еще одна классификация пакетов предназначена для высокочастотных устройств.Вы должны быть знакомы с распространенными корпусами транзисторов и уметь идентифицировать клеммы эмиттера, базы и коллектора.

    Транзистор Категории:

    Производители обычно классифицируют транзисторы с биполярным переходом на три широкие категории: устройства общего назначения/слабого сигнала, силовые устройства и радиочастотные (радиочастотные/микроволновые) устройства. Хотя каждая из этих категорий в значительной степени имеет свои уникальные типы пакетов, вы найдете определенные типы пакетов, используемые более чем в одной категории устройств.Давайте посмотрим на корпуса транзисторов для каждой из трех категорий, чтобы вы могли распознать транзистор, когда увидите его на печатной плате, и иметь хорошее представление о том, к какой общей категории он относится.

    Транзисторы общего назначения/малосигнальные:

    Транзисторы общего назначения/малосигнальные обычно используются в усилителях малой или средней мощности или переключающих схемах. Упаковки бывают пластиковые или металлические. Некоторые типы корпусов содержат несколько транзисторов.два обычных пластиковых корпуса и металлическая банка. многотранзисторные пакеты. Некоторые из корпусов с несколькими транзисторами, такие как двухрядный (DIP) и малогабаритный (SO), аналогичны тем, которые используются во многих интегральных схемах. Показаны типичные соединения контактов, чтобы вы могли идентифицировать эмиттер, базу и коллектор.

    Силовые транзисторы:

    Силовые транзисторы используются для работы с большими токами (обычно более 1 А) и/или большими напряжениями. Например, в финальном звуковом каскаде стереосистемы для управления динамиками используется усилитель на мощных транзисторах.Некоторые распространенные корпуса показаны на рисунке: Пластиковые и металлические корпуса для транзисторов общего назначения/малосигнальных. Конфигурации контактов могут различаться. Примеры корпусов с несколькими транзисторами: Примеры силовых транзисторов и корпусов: Значительно увеличенный вид в разрезе крошечного чипа транзистора, установленного в герметизированном корпусе. Металлический выступ или металлический корпус являются общими для коллектора и термически соединены с радиатором для отвода тепла. Обратите внимание в части (e) на то, как маленький транзисторный чип смонтирован внутри гораздо большего корпуса.

    РЧ транзисторы:

    Радиочастотные транзисторы

    предназначены для работы на чрезвычайно высоких частотах и ​​обычно используются для различных целей в системах связи и других высокочастотных приложениях. Их необычная форма и конфигурация выводов предназначены для оптимизации некоторых высокочастотных параметров.

    Устранение неполадок:

    Как вы уже знаете, критически важным навыком в работе с электроникой является способность определить неисправность цепи и, при необходимости, локализовать неисправность в одном компоненте. В этом разделе рассматриваются основы поиска и устранения неисправностей цепей смещения транзисторов и тестирования отдельных транзисторов.

    Поиск и устранение неисправностей транзистора со смещением:

    В простой цепи смещения транзистора может возникнуть несколько неисправностей. Возможными неисправностями являются открытые резисторы смещения, открытые или резистивные соединения, закороченные соединения, а также обрыв или короткое замыкание внутри самого транзистора. Базовая схема смещения транзистора со всеми напряжениями относительно земли. Два напряжения смещения: V BB 3 В и V CC 9 В.Показаны правильные измерения напряжения на базе и коллекторе. Аналитически эти напряжения проверяются следующим образом. Значение β DC   = 200 принимается как среднее между минимальным и максимальным значениями h FE , указанными в техническом описании для 2N3904. Различные h FE DC ), конечно, будут давать разные результаты для данной схемы.

    Базовая схема смещения транзистора.

    Несколько неисправностей, которые могут возникнуть в цепи и сопутствующие симптомы.Симптомы проявляются в виде неправильных измеренных напряжений. Если транзисторная схема работает неправильно, рекомендуется убедиться, что V CC и заземление подключены и работают. Простая проверка в верхней части резистора коллектора и на самом коллекторе быстро установит, присутствует ли V CC и нормально ли проводит транзистор, находится ли он в состоянии отсечки или насыщения. Если он в отсечке, то напряжение коллектора будет равно V CC ; если он находится в состоянии насыщения, напряжение коллектора будет близко к нулю.Еще одно неверное измерение можно увидеть, если на пути коллектора есть обрыв. Термин с плавающей запятой относится к точке в цепи, которая электрически не связана с землей или «твердым» напряжением. Обычно очень малые и иногда флуктуирующие напряжения в диапазоне от мкВ до низких мВ обычно измеряются с плавающей запятой. Неисправности типичны, но не представляют все возможные неисправности, которые могут возникнуть.

    Проверка транзистора с помощью цифрового мультиметра:

    Цифровой мультиметр можно использовать как быстрый и простой способ проверить транзистор на наличие открытых или короткозамкнутых переходов.Для этого теста вы можете рассматривать транзистор как два диода, подключенных к транзисторам NPN и PNP . Переход база-коллектор — это один диод, а переход база-эмиттер — другой. Примеры неисправностей и симптомов в цепи смещения базового транзистора.     Транзистор в виде двух диодов:

    Напомним, что хороший диод будет показывать чрезвычайно высокое сопротивление (или обрыв) при обратном смещении и очень низкое сопротивление при прямом смещении.Неисправный открытый диод будет показывать чрезвычайно высокое сопротивление (или открытый) как для прямого, так и для обратного смещения. Неисправный закороченный или резистивный диод будет показывать нулевое или очень низкое сопротивление как для прямого, так и для обратного смещения. Обрыв диода является наиболее распространенным типом неисправности. Поскольку p-n-переходы транзистора, по сути, являются диодами, применяются те же основные характеристики.

    Позиция проверки диодов цифрового мультиметра:

    Многие цифровые мультиметры (DMM) имеют положение для проверки диода, которое обеспечивает удобный способ проверки транзистора.Типичный цифровой мультиметр имеет небольшой символ диода, обозначающий положение функционального переключателя. Типичный цифровой тест исправного npn-транзистора с помощью цифрового мультиметра. Выводы перепутаны для транзистора pnp.

    Если транзистор исправен:

    Красный (положительный) вывод измерителя подключен к базе npn-транзистора, а черный (отрицательный) вывод подключен к эмиттеру для прямого смещения перехода база-эмиттер.Если переход в порядке, вы получите показание примерно от 0,6 В до 0,8 В, при этом 0,7 В является типичным для прямого смещения.

    Выводы переключаются на соединение база-эмиттер с обратным смещением, как показано. Если транзистор работает правильно, вы обычно получаете индикацию OL.

    Только что описанный процесс повторяется для перехода база-коллектор. Для транзистора pnp полярность выводов измерителя меняется на противоположную для каждого теста.

    Если транзистор неисправен:

    Когда транзистор вышел из строя из-за открытого перехода или внутреннего соединения, вы получаете показания напряжения разомкнутой цепи (OL) как для условий прямого, так и для обратного смещения для этого перехода.Если соединение закорочено, счетчик показывает 0 В как при прямом, так и при обратном смещении, как указано в части (b). Некоторые цифровые мультиметры имеют на передней панели тестовое гнездо для проверки транзистора на значения h FE DC ). Если транзистор неправильно вставлен в гнездо или если он не работает должным образом из-за неисправного соединения или внутреннего соединения, типичный измеритель будет мигать 1 или отображать 0. Если значение β DC в пределах нормального диапазона для отображается конкретный транзистор, устройство работает нормально. Нормальный диапазон β DC можно определить из таблицы данных.

    Проверка транзистора с помощью омов Функция:

    Цифровые мультиметры

    , не имеющие положения для проверки диода или гнезда h FE , можно использовать для проверки транзистора на наличие открытых или короткозамкнутых переходов, установив функциональный переключатель в положение Ом. Для проверки прямого смещения хорошего транзистора pn перехода вы получите значение сопротивления, которое может варьироваться в зависимости от внутренней батареи измерителя.Многие цифровые мультиметры не имеют достаточного напряжения в диапазоне омов для полного прямого смещения перехода, и вы можете получить показания от нескольких сотен до нескольких тысяч ом. При проверке обратного смещения исправного транзистора на большинстве цифровых мультиметров вы получите индикацию выхода за пределы диапазона, поскольку обратное сопротивление слишком велико для измерения. Индикацией выхода за пределы диапазона может быть мигающая 1 или отображение тире, в зависимости от конкретного цифрового мультиметра. Несмотря на то, что вы можете не получить точных показаний прямого и обратного сопротивления на цифровом мультиметре, относительных показаний достаточно, чтобы указать на правильно функционирующий переход транзистора p-n .Индикация выхода за пределы диапазона показывает, что обратное сопротивление очень велико, как и следовало ожидать. Показание от нескольких сотен до нескольких тысяч Ом для прямого смещения указывает на то, что прямое сопротивление мало по сравнению с обратным сопротивлением, как и следовало ожидать. Проверка неисправного npn-транзистора. У pnp-транзистора выводы перепутаны.  

    Транзисторные тестеры:

    Отдельный транзистор можно проверить как в цепи, так и вне цепи с помощью тестера транзисторов. Например, предположим, что усилитель на определенной печатной плате (ПК) вышел из строя.Хорошая практика устранения неполадок требует, чтобы вы не отпаивали компонент от печатной платы, если только вы не уверены, что он неисправен, или вы просто не можете локализовать проблему до одного компонента. При удалении компонентов существует риск повреждения контактов и дорожек печатной платы.

    Вы можете выполнить внутрисхемную проверку транзистора с помощью тестера транзисторов, аналогичного . Три зажимных вывода подключены к клеммам транзистора, и тестер показывает положительный результат, если транзистор исправен. Тестер транзисторов (любезно предоставлено B + K Precision).

    Биполярный транзистор – Удивительный мир электроники

    Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, которое можно использовать для переключения или усиления.

    В учебниках по диодам мы увидели, что простой диод состоит из двух частей полупроводникового материала, образующих простой pn-переход, а также узнали об их свойствах и характеристиках.

    Если теперь мы соединим два отдельных сигнальных диода вплотную друг к другу, это даст нам два последовательно соединенных PN-перехода, которые будут иметь общую положительную клемму , (P) или отрицательную , (N). Слияние этих двух диодов дает трехслойное, двухпереходное, трехконтактное устройство, формирующее основу биполярного переходного транзистора или BJT для краткости.

    Транзисторы представляют собой активные устройства с тремя выводами, изготовленные из различных полупроводниковых материалов, которые могут действовать как изолятор или проводник при приложении небольшого сигнального напряжения.Способность транзистора переключаться между этими двумя состояниями позволяет ему выполнять две основные функции: «переключение» (цифровая электроника) или «усиление» (аналоговая электроника). Затем биполярные транзисторы могут работать в трех различных областях:

    • Активная область   –   транзистор работает как усилитель, и Ic = β*Ib
    • Насыщение   –   транзистор полностью включен, работает как переключатель, и Ic = I(насыщение)
    • Отсечка   –   транзистор ” Fully-OFF» работает как переключатель, а Ic = 0

    Типовой биполярный транзистор

    Слово «транзистор» представляет собой комбинацию двух слов «переносной варистор», которые описывают их режим работы еще на заре развития электроники. Существует два основных типа конструкции биполярных транзисторов, PNP и NPN, которые в основном описывают физическое расположение полупроводниковых материалов P-типа и N-типа, из которых они сделаны.

    Базовая конструкция биполярного транзистора состоит из двух PN-переходов, образующих три соединительных клеммы, причем каждой клемме дается имя, позволяющее отличить ее от двух других. Эти три терминала известны и обозначены как Излучатель (E), База (B) и Коллектор (C) соответственно.

    Биполярные транзисторы

    — это устройства регулирования тока, которые контролируют величину тока, протекающего через них от терминалов эмиттера к терминалам коллектора, пропорционально величине напряжения смещения, приложенного к их базовым терминалам, таким образом, действуя как управляемый током переключатель. Поскольку небольшой ток, протекающий в базовый вывод, контролирует гораздо больший ток коллектора, формирующий основу работы транзистора.

    Принцип работы двух транзисторов типов PNP и NPN абсолютно одинаков, разница только в их смещении и полярности питания для каждого типа.

    Конструкция биполярного транзистора

    Конструкция и символы схемы для биполярного транзистора PNP и NPN приведены выше со стрелкой на символе схемы, всегда указывающей направление «обычного протекания тока» между базовой клеммой и эмиттерной клеммой. Направление стрелки всегда указывает от положительной области P-типа к отрицательной области N-типа для обоих типов транзисторов, точно так же, как и для стандартного символа диода.

    Конфигурации биполярных транзисторов

    Поскольку биполярный транзистор представляет собой устройство с тремя клеммами, существует три основных возможных способа его подключения к электронной схеме, при этом одна клемма является общей как для входа, так и для выхода.Каждый метод соединения по-разному реагирует на свой входной сигнал в цепи, поскольку статические характеристики транзистора меняются в зависимости от схемы.

    • Общая базовая конфигурация   –   имеет усиление по напряжению, но не усиление по току.
    • Конфигурация с общим эмиттером   –   имеет усиление как по току, так и по напряжению.
    • Конфигурация общего коллектора   –   имеет усиление по току, но не усиление по напряжению.

    Конфигурация общей базы (CB)

    Как следует из названия, в конфигурации Common Base или заземленной базы соединение BASE является общим как для входного сигнала, так и для выходного сигнала.Входной сигнал подается между базой транзистора и выводами эмиттера, а соответствующий выходной сигнал снимается между выводами базы и коллектора, как показано на рисунке. Базовая клемма заземлена или может быть подключена к какой-либо фиксированной точке опорного напряжения.

    Входной ток, протекающий в эмиттер, довольно велик, поскольку он представляет собой сумму тока базы и тока коллектора соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, что приводит к усилению тока для этого типа схемы «1». ” (единица) или меньше, другими словами, общая базовая конфигурация «ослабляет» входной сигнал.

    Транзисторная схема с общей базой

    Этот тип конфигурации усилителя представляет собой неинвертирующую схему усилителя напряжения, в которой напряжения сигналов Vin и Vout «синфазны». Этот тип расположения транзисторов не очень распространен из-за его необычно высоких характеристик усиления по напряжению. Его входные характеристики соответствуют характеристикам диода со смещением в прямом направлении, а выходные характеристики соответствуют характеристикам освещенного фотодиода.

    Кроме того, этот тип конфигурации биполярного транзистора имеет высокое отношение выходного сопротивления к входному или, что более важно, сопротивления нагрузки ( RL ) к сопротивлению “входа” ( Rin ), что дает ему значение «Усиление сопротивления».Таким образом, коэффициент усиления по напряжению (Av) для общей базовой конфигурации определяется как:

    .

    Коэффициент усиления по напряжению с общей базой

    Где: Ic/Ie — усиление по току, alpha ( α ) и RL/Rin — усиление по сопротивлению.

    Схема с общей базой обычно используется только в схемах однокаскадных усилителей, таких как микрофонный предусилитель или радиочастотный ( Rƒ ) усилитель из-за очень хорошей высокочастотной характеристики.

    Конфигурация с общим эмиттером (CE)

    В конфигурации с общим эмиттером или с заземленным эмиттером входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал поступает между коллектором и эмиттером, как показано.Этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для транзисторных усилителей и представляет собой «обычный» метод подключения биполярных транзисторов.

    Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций биполярных транзисторов. В основном это связано с тем, что входной импеданс НИЗКИЙ, так как он подключен к PN-переходу с прямым смещением, а выходной импеданс ВЫСОКИЙ, поскольку он берется с PN-перехода с обратным смещением.

    Схема усилителя с общим эмиттером

    В этом типе конфигурации ток, вытекающий из транзистора, должен быть равен току, втекающему в транзистор, поскольку ток эмиттера определяется как Ie = Ic + Ib.

    Поскольку сопротивление нагрузки ( R L ) включено последовательно с коллектором, коэффициент усиления по току в конфигурации транзистора с общим эмиттером довольно велик, поскольку он составляет отношение Ic/Ib. Коэффициент усиления по току транзистора обозначается греческим символом бета (β).

    Поскольку ток эмиттера для конфигурации с общим эмиттером определяется как Ie = Ic + Ib, отношение Ic/Ie называется альфа, учитывая греческий символ α. Примечание: значение Альфы всегда будет меньше единицы.

    Поскольку электрическое соотношение между этими тремя токами, Ib, Ic и Ie, определяется физической конструкцией самого транзистора, любое небольшое изменение тока базы ( Ib ) приведет к гораздо большему изменению тока коллектора ( Ic ).

    Таким образом, небольшие изменения тока, протекающего в базе, будут управлять током в цепи эмиттер-коллектор. Обычно бета имеет значение от 20 до 200 для большинства транзисторов общего назначения. Таким образом, если транзистор имеет значение бета, скажем, 100, то один электрон будет течь от базовой клеммы на каждые 100 электронов, протекающих между клеммой эмиттер-коллектор.

    Объединив выражения для альфа, α и бета, β, математическое соотношение между этими параметрами и, следовательно, коэффициентом усиления транзистора по току можно представить следующим образом: «Ib» — это ток, протекающий через вывод базы, а «Ie» — ток, протекающий через вывод эмиттера.

    Тогда подведем небольшой итог. Этот тип конфигурации биполярного транзистора имеет больший входной импеданс, коэффициент усиления по току и мощности, чем у конфигурации с общей базой, но его коэффициент усиления по напряжению намного ниже. Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Это означает, что результирующий выходной сигнал имеет фазовый сдвиг на 180 o по отношению к сигналу входного напряжения.

    Конфигурация с общим коллектором (CC)

    В конфигурации с общим коллектором или с заземленным коллектором коллектор соединен с землей через источник питания, поэтому клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода.Входной сигнал подключается непосредственно к клемме базы, а выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора эмиттера, как показано на рисунке. Этот тип конфигурации широко известен как цепь повторителя напряжения или эмиттерного повторителя .

    Конфигурация с общим коллектором или эмиттерным повторителем очень удобна для приложений согласования импеданса из-за очень высокого входного импеданса, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

    Схема транзистора с общим коллектором

    Конфигурация с общим эмиттером имеет коэффициент усиления по току, примерно равный значению β самого транзистора. Однако в конфигурации с общим коллектором сопротивление нагрузки подключается последовательно с выводом эмиттера, поэтому его ток равен току эмиттера.

    Поскольку ток эмиттера является комбинацией токов коллектора и базы, сопротивление нагрузки в этом типе конфигурации транзистора также имеет ток коллектора и входной ток базы, протекающие через него.Тогда текущий коэффициент усиления схемы определяется как:

    Коэффициент усиления по току с общим коллектором

    Этот тип конфигурации биполярного транзистора представляет собой неинвертирующую схему, в которой напряжения сигналов Vin и Vout находятся «в фазе». Конфигурация с общим коллектором имеет усиление по напряжению около «1» (единичное усиление). Таким образом, его можно рассматривать как буфер напряжения, поскольку коэффициент усиления по напряжению равен единице.

    Сопротивление нагрузки транзистора с общим коллектором принимает как ток базы, так и ток коллектора, что дает большой коэффициент усиления по току (как и в конфигурации с общим эмиттером), следовательно, обеспечивая хорошее усиление тока с очень небольшим коэффициентом усиления по напряжению.

    Рассмотрев три различных типа конфигураций биполярных транзисторов, мы можем теперь обобщить различные отношения между отдельными постоянными токами транзисторов, протекающими через каждую ветвь, и коэффициентами усиления по постоянному току, приведенными выше, в следующей таблице.

    Взаимосвязь между постоянными токами и коэффициентами усиления

    Обратите внимание, что хотя мы рассмотрели здесь конфигурации NPN Bipolar Transistor , транзисторы PNP можно использовать в каждой конфигурации, так как все расчеты будут такими же, как и для неинвертирующего транзистора. усиленного сигнала.Единственная разница будет заключаться в полярности напряжения и направлении тока.

    Обзор биполярного транзистора

    Подводя итог, можно сказать, что поведение биполярного транзистора в каждой из приведенных выше схемных конфигураций очень отличается и дает разные характеристики схемы в отношении входного импеданса, выходного импеданса и усиления, будь то усиление по напряжению, усиление по току или усиление по мощности. и это обобщено в таблице ниже.

    Конфигурации биполярных транзисторов

    с обобщенными характеристиками различных конфигураций транзисторов, приведенными в следующей таблице:

    В следующем руководстве по биполярным транзисторам мы более подробно рассмотрим транзистор NPN при использовании в конфигурации с общим эмиттером. в качестве усилителя, так как это наиболее широко используемая конфигурация из-за ее гибкости и высокого коэффициента усиления.Мы также построим кривые выходных характеристик, обычно связанные со схемами усилителя, в зависимости от тока коллектора по отношению к току базы.

    Родственные

    Применение и принципы работы схем

    Транзистор NPN_ Так же, как и мозг, компьютеры содержат миллиарды миниатюрных ячеек, называемых транзисторами. Все они представляют собой полупроводниковые устройства, сделанные из кремния, химического соединения, обнаруженного в большом количестве в песке. С тех пор как они были впервые изобретены, транзисторы произвели революцию во многих различных отраслях промышленности, в том числе в электронной промышленности.Транзистор был изобретен Джоном Бардином, Уильямом Шокли и Уолтером Хаузером Браттейном в 1947 году. Это много разных типов транзисторов, которые можно разделить на PNP, NPN, JFET и MOSFET.

    Что такое транзистор?

    Транзисторы — это электронные компоненты, которые используются в схемах для усиления или переключения электрических сигналов или мощности и позволяют использовать их в большом количестве электронных устройств. Транзистор состоит из двух PN-диодов, соединенных встречно-параллельно.Кроме того, он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Фундаментальная идея и физический закон, лежащие в основе транзистора, заключаются в том, что он должен позволять вам управлять потоком тока по одному каналу, изменяя интенсивность гораздо меньшего тока, протекающего по другому каналу.

    Другими словами, транзистор работает как электронный переключатель, который может включать и выключать ток. Когда он включен, ток течет от коллектора к эмиттеру, который является основным током. Необходимо, чтобы на базе было напряжение около 0.7В, чтобы обеспечить протекание основного тока. Это может произойти из-за того, что база-эмиттерная часть транзисторов работает как диод, который имеет прямое напряжение, которое он «захватывает» из доступного напряжения. Мы автоматически получим около 0,7 В, добавив резистор. Итак, это как использовать транзисторы как электронные переключатели. Мы собираемся углубиться в транзисторы NPN и сделать это более понятным. Транзисторы представляют собой полупроводниковые устройства с тремя выводами, способные усиливать и выпрямлять. (Ссылка: byjus.com)

    Выводы транзисторов

    Как обсуждалось в предыдущем разделе, транзистор состоит из трех выводов: эмиттер , коллектор, и база . В этом разделе мы подробно обсудим функциональные возможности каждого терминала.

    Основание служит в качестве устройства управления воротами для более крупного электроснабжения. Коллектор — это более крупный источник электропитания, а выход этого источника — эмиттер. Ток, протекающий через затвор от коллектора, можно регулировать, посылая различные уровни тока от базы.Таким образом, очень небольшое количество тока может использоваться для управления большим током, как в усилителях. Транзистор работает как переключатель или как усилитель. Как обсуждалось ранее, транзистор состоит из трех выводов: эмиттер , база, и коллектор . В этой части мы подробно обсудим работу каждого терминала.

    База работает как инструмент управления воротами для более высокого электроснабжения. Коллектор – это высший источник электропитания, а выход этого источника – эмиттерная часть.Ток, проходящий через затвор от коллектора, можно нормализовать, подавая переменные уровни тока с базы. В результате небольшое количество тока можно использовать для управления значительным током, как в усилителях. Как упоминалось ранее, транзисторы работают как переключатель или усилитель в системах.

    Физические характеристики клемм можно описать следующим образом:

    Излучатель: t его часть транзистора находится с левой стороны от него. Он среднего размера и сильно легирован.

    Основание: t его сегмент расположен в центре транзистора. Он тонкий и легирован слегка.

    Коллектор:  этот элемент находится с правой стороны от транзисторов. Он больше эмиттера и легирован умеренно.

    F или вперед Смещенный переход база-эмиттер

    У нас есть поток электронов (дырок) в направлении эмиттера к базе и дырок (электронов) в обратном направлении от базы к эмиттеру, но поскольку концентрация эмиттерных электронов (дырок) более значительна, чем базовых дырок (электронов), этот ток в основном состоит из электронов (дырок).

    Эти эмиттерные электроны (дырки) выращивают неосновные носители в базе; хотя, поскольку база узкая, в базе происходит очень небольшая рекомбинация электронов и дырок, и эти электроны (дырки) перемещаются к переходу коллектор-база.

    Соединение коллектор-база с обратным смещением

    Когда эти эмиттерные электроны (дырки) касаются перехода коллектор-база, они втягиваются через переход в коллектор электрического поля из-за истощения ионов.

    Разновидности транзисторов и их применение

    У нас есть много типов транзисторов, и каждый транзистор имеет свою особую конструкцию в зависимости от области применения. Одна из основных классификаций транзисторов проиллюстрирована на рисунке ниже:

    BJT и FET — это два основных типа транзисторов, и каждый тип имеет свой вид. (Ссылка: byjus.com)

    Транзистор с биполярным переходом

    Транзисторы с биполярным переходом, кратко называемые BJT, представляют собой управляемое током устройство, состоящее из двух переходов PN по своей функции.Они сконфигурированы в двух системах как транзисторы PNP и NPN. Среди этих двух транзистор NPN является наиболее предпочтительным из соображений удобства. NPN-транзистор создается путем помещения материала, легированного P, между двумя материалами, легированными N. С другой стороны, PNP-транзистор состоит из материала, легированного N, между двумя материалами, легированными P.

    Полевой транзистор

    Полевые транзисторы, кратко называемые полевыми транзисторами, являются устройствами, управляемыми напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, которые являются устройствами, управляемыми током.Полевой транзистор представляет собой униполярное устройство, и это означает, что все они сделаны с использованием материалов как p-типа, так и n-типа в качестве основной подложки. Одним из многих их преимуществ является то, что все они имеют очень высокое входное сопротивление. Импеданс этих типов порядка мегаом. Кроме того, у них есть много других преимуществ, таких как низкое энергопотребление и низкое тепловыделение.

    В чем разница между биполярным транзистором и полевым транзистором?

    В этой части мы сравним различные различия между BJT и FET.

    1. Биполярный переходной транзистор является биполярным устройством, а полевой транзистор — униполярным устройством.
    2. Биполярный транзистор — это устройство, управляемое током, а полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением.
    3. Биполярные переходные транзисторы имеют низкий входной импеданс, а полевые транзисторы имеют высокий входной импеданс.
    4. Биполярные переходные транзисторы имеют низкий уровень шума, а полевые транзисторы имеют высокий уровень шума.
    5. Транзисторы с биполярным переходом имеют меньшую термостойкость, в то время как полевые транзисторы имеют хорошую термостойкость.

     

     

    Хотя транзистор работает как усилитель, он служит усилителем энергии. Он входит в практичные устройства, такие как слуховые аппараты, поскольку это один из первых гаджетов, которые мы используем вместо транзистора. Слуховые аппараты включают крошечный микрофон, который улавливает звуки для ваших целей и преобразует их в различные электрические токи. Кроме того, микрофоны подключены к транзистору, который поддерживает миниатюрный громкоговоритель, и мы слышим гораздо более громкую версию шума вокруг нас.

    Транзисторы также могут работать как переключатели. Электрический ток, протекающий через одну часть транзисторов, может вызвать гораздо больший ток в другой части, и так работают все компьютерные микросхемы. Например, микросхема памяти имеет сотни транзисторов, каждый из которых можно включать и выключать отдельно. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, они могут хранить два числа, равные нулю, и единицу по отдельности.Чип может использовать миллиарды транзисторов, чтобы хранить миллиарды нулей и единиц и столько букв и цифр, сколько нам нужно.

    Применение транзистора

    Полупроводниковые вещества делают возможной работу транзисторов. Большинство из нас может быть знакомо с электрически непроводящими и проводящими материалами. Металлы обычно считаются проводящими, в то время как пластик, дерево, керамика и стекло являются изоляторами или непроводящими. Группа инженеров и ученых обнаружила, как использовать определенные типы кристаллов и тестировать их в качестве электронных устройств управления, используя их полупроводниковые свойства.

    Термовыключатель

    Термистор является одним из основных компонентов в цепи термовыключателя. Это своего рода резистор, который реагирует на окружающую температуру. При повышении температуры сопротивление уменьшается, и наоборот.

    Более высокая доля напряжения питания уменьшается на R , когда тепло подается на термистор, и сопротивление термистора падает. Ток базы увеличивается, а следовательно, увеличивается и ток коллектора.В результате звучит сирена, и загорается лампочка. Эти специальные схемы полностью используются в системах пожарной сигнализации.

    Интегральные схемы

    Интегральные схемы состоят из резисторов, диодов, транзисторов и конденсаторов, объединенных с тонкой полупроводниковой кремниевой микросхемой, известной как микрочипы. Интегральные схемы потребляют меньше электроэнергии и занимают небольшое пространство, что делает схему небольшого размера, поэтому ее можно построить с низкой стоимостью.

    Что такое транзистор NPN?

    Транзистор NPN — это один из типов транзисторов с биполярным переходом (BJT).Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, и их разделяет тонкий слой полупроводника p-типа. В транзисторах этого типа большинство носителей заряда представляют собой электроны. Поток электронов в направлении эмиттера к коллектору формирует ток в транзисторе NPN. Как правило, транзистор NPN является наиболее популярным типом биполярных транзисторов и используется гораздо чаще, поскольку подвижность электронов выше, чем подвижность дырок. Как обсуждалось ранее, транзистор NPN имеет три вывода — эмиттер, базу и коллектор, как и другие типы.Транзистор NPN в основном используется для усиления и переключения сигналов.

    Схема транзистора NPN

    На рисунке ниже показаны символ и структура транзистора NPN. Мы можем наблюдать токи цепи, три вывода транзистора и значения напряжения в этой структуре. Теперь обсудим работу транзисторов NPN.

    Символ и структура транзистора NPN в схеме (Ссылка: electronicshub.org)

     

    Работа транзистора NPN

    На рисунке ниже показана схема транзистора NPN с резистивными нагрузками и напряжениями питания.Клемма коллектора всегда имеет соединение с положительным напряжением. Клемма эмиттера имеет соединение с отрицательным источником питания, а клемма базы управляет состояниями ВКЛ/ВЫКЛ транзистора в зависимости от приложенного к нему напряжения.

    Транзистор NPN в цепи с резисторами и источниками напряжения (Ссылка: electronicshub.org)

    Работа транзистора NPN очень сложна. Как видно из приведенных выше схемных соединений, напряжение питания V B подключено к клемме базы через нагрузку R B .Вывод коллектора подключен к напряжению V CC через нагрузку R L . Обе нагрузки R B и R L могут ограничивать ток с помощью соответствующих клемм. В этой системе выводы коллектора и выводы базы всегда имеют положительное напряжение по отношению к выводу эмиттера.

    Если базовое напряжение эквивалентно напряжению эмиттера, то транзистор выключен. В то время как базовое напряжение превышает напряжение эмиттера, транзистор переключается в полностью открытое состояние.Если на базовую клемму подается достаточное положительное напряжение, т. е. состояние полностью включено, генерируется поток электронов, и ток IC проходит через эмиттер к коллектору. Теперь базовый вывод работает как вход, а область коллектор-эмиттер служит как выход.

    Необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было положительным и превышало напряжение на эмиттере транзистора, чтобы ток между эмиттером и коллектором протекал должным образом. Между эмиттером и базой имеется некоторое падение напряжения, около 0.7В. В результате требование к базовому напряжению больше, чем падение напряжения 0,7 В; иначе транзистор не заработает. Уравнение тока базы биполярного NPN-транзистора:

    I_{B} = (V_{B}-V_{BE})/R_{B}

     

    где,

    В B = Напряжение смещения базы

    I B  = Ток базы

    R B  = Сопротивление базы

    В BE  = 0,7 В = Входное напряжение база-эмиттер

    Выходной ток эмиттера NPN обычный рассчитывается с использованием закона Кирхгофа о напряжении (KVL). Уравнение для напряжения питания коллектора представлено в виде:

     

    V_{CC}=I_{C}R_{L}+V_{CE}

     

    Из приведенного выше уравнения ток коллектора NPN-транзистора с общим эмиттером равен определяется как

     

    I_{C} = (V_{CC}-V_{CE})/R_{L}

     

    В обычном транзисторе NPN соотношение между током эмиттера и током коллектора представлено как:

     

    I_{C}=\beta I_{B}

     

    В активной области транзистор NPN работает как отличный усилитель.В общем эмиттере общий ток транзистора NPN определяется как отношение тока коллектора к току базы как I_{C}/I_{B} . Это соотношение также известно как «усиление постоянного тока» и не имеет единиц измерения. Это отношение обычно выражается через β, а максимальное значение β составляет около 200. В базовом NPN-транзисторе общий коэффициент усиления по току определяется отношением тока коллектора к току эмиттера как I_{C}/I_{E}. Это отношение известно как α, и его значение обычно равно единице.

    Взаимосвязи α, β и γ в транзисторах NPN

    Существует взаимосвязь между двумя параметрами отношения β и α, как будет описано ниже.

    α = Выходной ток/Входной ток = Коэффициент усиления по постоянному току для базовой цепи

    В транзисторе NPN с общей базой ток коллектора (IC) является выходным током, а ток эмиттера является входным током (IE).

     

    \alpha =I_{C}/I_{E}

     

    Значение коэффициента усиления по току (α) очень близко к единице и немного меньше единицы.Как мы знаем, ток эмиттера равен сумме малого тока базы в дополнение к большому току коллектора:

     

    I_{E}= I_{C} + I_{B}

    I_{B}= I_ {E} – I_{C}

     

    На основании предыдущего уравнения α коллектор:

     

    I_{c} = \alpha I_{E}

    I_{B} = I_{E}-\ alpha I_{E}

    I_{B}=  I_{E} (1-\alpha)

     

    β = выходной ток/входной ток = коэффициент усиления по постоянному току эмиттерной цепи

    Здесь ток коллектора – это выходной ток, а базовый ток – это входной ток.

     

    \beta  = I_{C}/I_{B}

    \beta  = I_{C}/I_{E} (1-\alpha)

    \beta  = \alpha/(1-\alpha)

     

    Основываясь на вышеприведенных уравнениях, мы можем представить связь между α и β как: \alpha (1+\beta ) =\alpha / (1-\alpha )

     

    Значение β может варьироваться в пределах от 20 до 1000 для маломощных транзисторов, работающих на высоких частотах.Но обычно значение β может иметь значения в диапазоне 50-200.

    В транзисторах NPN с коллектором коэффициент усиления по току известен как отношение тока эмиттера IE к току базы IB. Этот коэффициент усиления по току определяется как γ.

     

    \gamma = I_{E}/I_{B}

     

    Как мы знаем, ток эмиттера: = (I_{C} + I_{B} )/I_{B}

    \gamma  = (I_{C}/I_{B}) + 1

    \gamma  = \beta +1

     

    Вот соотношения между α, β и γ, как показано ниже:

     

    \alpha  = \beta / (\beta +1)

    \beta  = \alpha / (1-\alpha )

    \gamma  = \beta +1

     

    Пример для NPN-транзистора

    Здесь мы хотим рассчитать базовый ток I B для переключения резистивной нагрузки 4 мА NPN-транзистора. {-3})/100 =40 мкА

    В другом случае для расчета тока базы NPN-транзистора при напряжении смещения 10 В и сопротивлении базы 200 кОм.

    I_{B} = (V_{B}-V_{BE})/R_{B}

    Для значений V B = 10 В, V BE = 0,7 В, V B = 10 В , R B = 200 кОм.

    При подстановке этих значений в уравнение имеем:

    I_{B} = (V_{B}-V_{BE})/R_{B}= (10-0,7)/200 кОм = 46,5 мкА.

    Конфигурация NPN-транзистора с общим эмиттером

    Типичные схемы конфигурации эмиттера представляют собой одну из трех конфигураций BJT.Эти схемы со стандартной конфигурацией эмиттера используются в качестве усилителей напряжения в системах. Как правило, транзисторы BJT включают три вывода, но нам нужно взять любой из выводов как общий в схемных соединениях. Следовательно, мы используем один из этих трех терминалов в качестве общего терминала как для действий вывода, так и для действий ввода. В этой конфигурации, если мы используем терминал эмиттера в качестве общего терминала, это называется конфигурацией с общим эмиттером.

    Эта конфигурация принята как схема однокаскадного усилителя с общим эмиттером.В этой конфигурации база работает как входная клемма, коллектор как клемма, а эмиттер как общая клемма. Функция этой схемы начинается со смещения клеммы базы, которая смещает вперед переход база-эмиттер. Небольшой ток управляет протеканием тока в транзисторе и в базе. Эта конфигурация всегда работает в линейной области для усиления сигналов на выходе.

    Этот усилитель с общим эмиттером имеет инвертированный выход и может иметь очень высокий коэффициент усиления.На это значение усиления влияют температура и токи смещения. Схемы усилителя с общим эмиттером являются наиболее часто используемой конфигурацией по сравнению с другими конфигурациями BJT из-за их низкого выходного импеданса и высокого входного импеданса, и эта конфигурация усилителя также обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению и мощности.

    Коэффициент усиления по току в этой конфигурации всегда выше единицы, и обычное значение составляет около 50. Усилитель этой конфигурации в основном используется в приложениях, где нам нужны усилители низкой частоты и радиочастотные схемы.Схема схемы для конфигурации усилителя с общим эмиттером представлена ​​ниже:

    Схема конфигурации усилителя с общим эмиттером (Ссылка: electronicshub.org)

    Выходные характеристики транзистора NPN

    семейства транзисторов представлены ниже. Кривые показывают взаимосвязь между напряжением коллектор-эмиттер (VCE) и током коллектора (IC) при изменении тока базы (IB).Транзистор «включен», когда на его базовую клемму подается хотя бы небольшое количество тока и небольшое напряжение по отношению к эмиттеру; если это не так, транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ».

    Кривые отношения между напряжением коллектор-эмиттер (VCE) и током коллектора (IC) по отношению к изменяющемуся току базы (IB) (Ссылка: electronicshub.org)

    На ток коллектора (IC) больше всего влияет коллектор напряжение (V CE ) на уровне 1,0 В, но это значение не сильно влияет на это значение. Поскольку мы знаем, что ток эмиттера является дополнением токов базы к току коллектора: I_{E} =I_{C}+ I_{B} .

    Ток, проходящий через резистивную нагрузку (R L ), равен току коллектора транзистора. Уравнение для тока коллектора представлено следующим образом:

    I_{C}= (V_{CC}-V_{CE})/ R_{L}

     

    Прямая линия показывает «линию динамической нагрузки», которая представляет собой точки соединения A (с VCE = 0) и B (с IC = 0). Область вдоль этой линии нагрузки описывает «активную область» транзисторов.

    Кривые характеристик конфигурации с общим эмиттером используются для расчета тока коллектора в зависимости от заданного напряжения коллектора и тока базы. Красная линия нагрузки используется для определения точки Q на графике. Наклон красной линии нагрузки пропорционален обратному сопротивлению нагрузки: -1/R L .

    Применение транзисторов NPN

    Здесь перечислены некоторые области применения транзисторов NPN:

    • Транзисторы NPN в основном используются в коммутационных устройствах.
    • Транзисторы NPN используются в схемах усиления. Транзисторы
    • NPN используются в схемах пары Дарлингтона для усиления слабых сигналов.
    • Транзисторы NPN используются в приложениях, в которых нам нужен потребляемый ток. Транзисторы
    • NPN используются в некоторых классических схемах усилителей, так же как и в двухтактных схемах усилителей.
    • Транзисторы NPN используются в датчиках температуры.
    • Транзисторы NPN используются в высокочастотных устройствах.
    • Транзисторы NPN используются в логарифмических преобразователях.

    Введение в BJT (транзистор с биполярным переходом)

    Привет, ребята! Надеюсь, у тебя все отлично. Сегодня я собираюсь обсудить детали Введение в BJT (транзистор с биполярным переходом) . Это электронный компонент, в основном используемый для целей усиления и переключения. Как следует из названия, он состоит из двух переходов, называемых переходом эмиттер-база и переходом коллектор-база.

    Не путайте биполярные транзисторы с обычными транзисторами.Транзистор — это полупроводниковое устройство с тремя выводами, которые используются для внешнего соединения с электронными схемами. Транзистор называется транс-резистором, который используется в качестве переключателя или затвора для электронных сигналов. Небольшие сигналы, подаваемые между одной парой его терминалов, используются для управления гораздо большими сигналами на другой паре терминалов.

    На самом деле транзисторы делятся на две категории: униполярные транзисторы и биполярные транзисторы. Биполярный переходной транзистор использует два носителя заряда i.е. электронов и дырок, в то время как униполярные транзисторы, такие как FET (полевые транзисторы), используют только один носитель заряда. Надеюсь, вы знаете о другом типе транзисторов, называемом MOSFET.

    Я постараюсь рассказать обо всем, что связано с этим биполярным транзистором, чтобы вы могли найти всю информацию в одном месте. Давайте начнем.

    Знакомство с BJT
    • Представленный в 1948 году компанией Shockley, BJT представляет собой электронный компонент, в основном используемый для переключения и усиления.
    • Он состоит из трех выводов, называемых эмиттером, базой и коллектором, которые обозначаются как E, B и C соответственно.
    • Этот транзистор имеет два PN-перехода. PN-переход между эмиттером и базой называется переходом эмиттер-база, а PN-переход между коллектором и базой называется переходом коллектор-база. Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.
    • Сначала биполярные транзисторы изготавливались из германия, однако в последнее время транзисторы изготавливаются из кремния.
    • BJT выпускается двух типов: NPN-транзистор и PNP-транзистор.
    • Это биполярное устройство, в котором проводимость осуществляется обоими носителями заряда, то есть электронами и дырками. Количество электронов, диффундирующих в базовой области, больше числа дырок, диффундирующих в области эмиттера. Электроны ведут себя как неосновные носители в базовой области.
    • В нормальных условиях, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, он позволяет току течь от эмиттера к коллектору.Когда на клемму базы подается напряжение, она смещается и потребляет ток, который напрямую влияет на ток на других клеммах.
    • BJT называется устройством с регулируемым током, в котором слабый ток на стороне базы используется для управления большим током на других клеммах. Все три вывода BJT отличаются концентрацией легирования. Эмиттер сильно легирован по сравнению с базой и коллектором.


    • Коллектор умеренно легирован, и его площадь больше по сравнению с площадью эмиттера, что позволяет ему выдерживать большую мощность.
    • При подаче напряжения большинство электронов из эмиттера диффундирует в базу, где эти электроны действуют как неосновные носители заряда, делая дырки в области базы основными носителями заряда.
    • Поскольку база очень тонкая и слегка легированная, она не может удерживать некоторое количество электронов в течение слишком долгого времени, позволяя электронам диффундировать от базы к коллектору.
    • Небольшое изменение напряжения на клеммах база-эмиттер может привести к значительному изменению тока между клеммами эмиттер и коллектор.
    • Этот процесс используется для амплификации .
    • Когда переход эмиттер-база не смещен в прямом направлении, величина тока на выводах базы и коллектора равна нулю, независимо от того, какое напряжение приложено к выводу базы.
    • Коэффициент усиления по току с общим эмиттером — это термин, который в основном используется для биполярных транзисторов. Это отношение между током коллектора и током базы. Точно так же коэффициент усиления по току с общей базой определяется как отношение между током коллектора и током эмиттера.Большую часть времени его значение принимается за единицу.
    • Конструкция BJT не является симметричной по своей природе. Отсутствие симметрии BJT связано с разницей в концентрации легирования между выводами.
    • Как правило, биполярные транзисторы работают в режиме с прямым смещением. Замена эмиттера и коллектора позволяет изменить режим с прямым смещением на режим с обратным смещением. Этот обмен оказывает сильное влияние на значения коэффициентов усиления по току, делая их намного меньше, поскольку они находятся в режиме с прямым смещением.
    • Режим работы, при котором переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении, называется активной областью.
    Типы биполярных транзисторов

    Биполярные транзисторы делятся на два типа в зависимости от характера и конструкции транзистора. Ниже приведены два основных типа BJT.

    NPN

    • NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) — это тип BJT, в котором между двумя слоями материала, легированного азотом, находится полупроводниковый слой, легированный фосфором.
    • Область, легированная фосфором, представляет собой базу транзисторов, а два других слоя представляют эмиттер и коллектор соответственно.
    • Транзисторы
    • NPN также называют устройствами с неосновными носителями, потому что неосновные носители заряда на стороне базы используются для управления большим током на других выводах транзистора.
    • Ток движется от эмиттера к коллектору, где электроны действуют как неосновные носители на стороне базы.

    PNP

    • PNP (положительно-отрицательно-положительно) транзистор представляет собой тип BJT, в котором полупроводниковый слой, легированный азотом, который действует как основа, расположен между двумя слоями материала, легированного фосфором.
    • База использует небольшой ток базы и отрицательное напряжение базы для управления большим током на стороне эмиттера и коллектора, а напряжение на стороне коллектора больше, чем напряжение на стороне базы.
    • В транзисторе PNP направление тока и полярность напряжения изменены на противоположные по сравнению с транзисторами NPN.
    • Транзисторы
    • PNP работают так же, как и транзисторы NPN, за некоторыми исключениями, т. е. отверстия рассеиваются через базу от эмиттера и собираются коллектором.
    • Этот транзистор редко используется для приложений, поскольку проводимость, осуществляемая движением электронов, считается быстрой и имеет большее значение, чем проводимость движением дырок.


    Области применения BJT

    Транзисторы с биполярным переходом поставляются с различными областями работы. Эти режимы работы задают тон для тока, протекающего от эмиттера к коллектору.

    Прямой активный режим
    • BJT имеет два перехода: переход эмиттер-база и переход коллектор-база.Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.
    • В целях усиления большинство транзисторов имеют высокий коэффициент усиления по току с общим эмиттером, который показывает точный коэффициент усиления по току и мощности, необходимый для усиления.
    • Ток коллектор-эмиттер в значительной степени зависит от тока базы, где небольшой ток на стороне базы используется для управления большим током на стороне эмиттера и коллектора.
    Обратный активный режим
    • Поменяв местами эмиттер и коллектор, транзистор переходит из активного режима в обратно активный режим.
    • Большинство транзисторов сконструированы таким образом, чтобы обеспечивать высокий коэффициент усиления по току, но изменение ролей эмиттера и коллектора делает коэффициент усиления по току очень маленьким по сравнению с областью с прямым смещением. Этот тип режима используется редко, если только не требуется отказоустойчивое состояние.
    Насыщение
    • BJT демонстрирует режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении. Этот режим работы называется замкнутой цепью, которая допускает протекание большого количества тока от эмиттера к коллектору.
    Отсечка
    • Когда переход эмиттер-база не смещен в прямом направлении, говорят, что транзистор находится в области отсечки, где ток коллектора и ток базы будут равны нулю, независимо от того, какое напряжение приложено к базовый терминал.

    Три основные конфигурации BJT

    BJT — это устройство с управлением по току, которое в основном используется для целей усиления и переключения. Существует три способа подключения этого устройства к внешним электронным схемам, которые называются:

    1.Конфигурация с общей базой

    2. Конфигурация с общим коллектором

    3. Конфигурация с общим эмиттером

    Характер тока, контролируемого на выходе, различен для разных конфигураций.

    Конфигурация с общей базой
    • Конфигурация с общей базой — это конфигурация, в которой общая база является общей для входного и выходного сигналов.
    • На переход эмиттер-база подается напряжение, и соответствующий выходной сигнал получается на выходе через переход база-коллектор.
    • Базовое напряжение подключается к некоторому опорному напряжению или в некоторых случаях может быть заземлено с целью создания общей базы между входным и выходным сигналами.
    • На следующем рисунке показана принципиальная схема конфигурации с общей базой.

    • Ток на стороне эмиттера довольно большой, где электроны диффундируют в базу. Эти электроны составляют пару с некоторыми дырками, присутствующими в базе, в то время как большинство из них покидает базу и собирается коллектором.
    • Этот тип транзистора обладает замечательными характеристиками высокого напряжения, что не делает его идеальным выбором для многих приложений. В этой конфигурации выходное и входное напряжение соответствуют друг другу. Входные характеристики этого транзистора полностью идентичны диоду с прямым смещением, а выходные характеристики аналогичны обычному диоду и имеют высокое отношение выходного сопротивления к входному.
    • Коэффициент усиления по току общей базы — очень важный коэффициент, используемый в этой конфигурации, который представляет собой соотношение между током коллектора и током эмиттера.Обозначается α альфа.
    • α = Ic/Ie
    • Значение альфа находится в диапазоне от 0,95 до 0,99, однако в большинстве случаев его значение принимается за единицу. Высокочастотная характеристика общей базовой конфигурации делает его идеальным выбором для однокаскадного усилителя.
    Конфигурация с общим коллектором
    • Эта конфигурация также известна как повторитель напряжения, в которой вход подается на клемму базы, а выход снимается с клеммы эмиттера.
    • Эта конфигурация в основном используется для согласования импеданса, так как входной импеданс этой конфигурации очень высок, а выходной импеданс очень низок.
    • Конфигурация с общим коллектором называется неинвертирующим усилителем, в котором выходной сигнал и входной сигнал находятся в фазе друг с другом.
    • Коэффициент усиления по току этого транзистора очень велик, поскольку сопротивление нагрузки находится на приемном конце как тока коллектора, так и тока базы, что делает его подходящим для целей усиления.
    • Следовательно, очень небольшое усиление по напряжению, около единицы, может помочь в получении очень большого усиления по току.
    • На следующем рисунке показана принципиальная схема конфигурации с общим коллектором.


    Конфигурация с общим эмиттером
    • Эта конфигурация широко используется в транзисторных усилителях, где входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной сигнал снимается с эмиттера и коллектора.
    • Эта конфигурация обеспечивает максимальное усиление по току и мощности, что делает ее идеальным выбором для усиления. Входной импеданс подключен к PN-переходу с прямым смещением, который показывает низкое значение, в то время как выходной импеданс подключен к PN-переходу с обратным смещением, который показывает высокое значение.
    • Большинство транзисторов обычно поставляются с конфигурацией с общим эмиттером, поскольку это обеспечивает идеальную мощность и ток, необходимые для усиления.
    • Конфигурация с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя, в которой входной сигнал не совпадает по фазе с выходным сигналом.
    • На следующем рисунке показана принципиальная схема конфигурации с общим эмиттером.

     

    • Коэффициент усиления по току с общим эмиттером этого транзистора очень велик по сравнению с коэффициентом усиления по току конфигурации с общей базой, который представляет собой отношение между током коллектора и током базы. Он обозначается β бета, что является мерой усиления тока.
    • β = Ic/Ib
    • Выходной ток на стороне коллектора и эмиттера сильно зависит от тока на стороне базы.
    • Ток на стороне эмиттера представляет собой сумму токов на стороне базы и коллектора, поскольку сторона эмиттера сильно легирована по сравнению с базой и коллектором.
    • То есть = Ib + Ic
    • При подаче напряжения на клемму базы вызывается реакция электронов, которая заставляет электроны двигаться в сторону коллектора.
    • Любое небольшое изменение напряжения, подаваемого на клемму базы, приводит к очень большому изменению тока, получаемого на стороне коллектора.
    Плюсы BJT
    • Биполярный переходной транзистор имеет большой коэффициент усиления.
    • Этот тип транзистора обеспечивает лучший коэффициент усиления по напряжению.
    • Этот транзистор может работать в четырех областях, т. е. в активной области, в обратном режиме, в области насыщения и в области отсечки.
    • BJT обеспечивает лучший отклик на более высоких частотах.
    • BJT также действуют как переключатель.
    Минусы BJT
    • BJT очень чувствителен к теплу и в некоторых случаях производит шум.
    • Коммутационная способность биполярных транзисторов очень мала по сравнению с униполярными транзисторами, такими как полевые транзисторы.
    Приложения
    • BJT поставляются с двумя основными приложениями, называемыми усилением и коммутацией.
    • Они являются строительными блоками большинства электронных схем, особенно там, где требуется усиление звука, тока или напряжения.
    • Транзисторы
    • NPN предпочтительнее транзисторов PNP для целей усиления, потому что проводимость, осуществляемая за счет подвижности электронов, лучше, чем проводимость за счет подвижности дырок.

    На сегодня все. Я изо всех сил старался разобрать все, что связано с BJT, чтобы вы могли легко усвоить основную концепцию. Если вы не уверены или у вас есть какие-либо вопросы, вы можете задать их мне в разделе комментариев ниже. Я хотел бы помочь вам в соответствии с моим опытом.

    Не стесняйтесь сообщать нам свои ценные предложения, они позволяют нам предоставлять вам качественную работу. Спасибо за прочтение статьи.

    Автор: Adnan Aqeel

    Он блогер и технический писатель, который любит исследовать новые вещи из любопытства. Он верит в постоянную тяжелую работу, честность и страсть, которые являются важными составляющими для достижения окончательного успеха. Он не хвастается своими писательскими способностями, но хвастается своим мастерством. [helloworld]

    Базовый транзисторный усилитель — биполярные транзисторы

    БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

    Прежде чем перейти к базовому транзисторному усилителю, вам следует ознакомиться с двумя терминами: УСИЛЕНИЕ и УСИЛИТЕЛЬ.Усиление – это процесс увеличения мощности СИГНАЛА. Сигнал — это просто общий термин, используемый для обозначения любого конкретного тока, напряжения или мощности в цепи. Усилитель — это устройство, которое обеспечивает усиление (увеличение тока, напряжения или мощности сигнала) без заметного изменения исходного сигнала.

    Транзисторы часто используются в качестве усилителей. Некоторые транзисторные схемы являются усилителями ТОКА, с малым сопротивлением нагрузки; остальные схемы рассчитаны на усиление НАПРЯЖЕНИЯ и имеют высокое сопротивление нагрузки; другие усиливают СИЛУ.

    Базовый транзисторный усилитель (версия NPN)

    Теперь взгляните на NPN-версию базового транзисторного усилителя на рисунке выше и давайте посмотрим, как он работает.

    Вставляя в цепь один или несколько резисторов, можно добиться различных методов смещения, и эмиттер-база батарея устранена. В дополнение к устранению батареи, некоторые из этих методов смещения компенсируют небольшое изменения характеристик транзисторов и изменения проводимости транзисторов в результате температурных неравномерностей.Обратите внимание, что на рисунке выше батарея эмиттер-база удалена, а резистор смещения Rb добавлен. между коллектором и основанием. Резистор Rb обеспечивает необходимое прямое смещение для перехода эмиттер-база. Ток течет в цепи смещения эмиттер-база от земли к эмиттеру, от базы и через Rb к Vcc. Так как ток в базовой цепи очень мал (несколько десятков микроампер) и прямое сопротивление транзистор низкий, только несколько десятых вольта положительного смещения будут ощущаться на базе транзистора.Однако, это достаточное напряжение на базе вместе с землей на эмиттере и большим положительным напряжением на коллекторе, для правильного смещения транзистора.

    При правильно смещенном транзисторе Q1 постоянный ток течет непрерывно, с входным сигналом или без него, на протяжении всего схема. Постоянный ток, протекающий через цепь, создает больше, чем просто базовое смещение; он также разрабатывает напряжение коллектора (Vc) при протекании через Q1 и Rl. Обратите внимание на напряжение коллектора на выходном графике.Так как он присутствует в схеме без входного сигнала, то выходной сигнал начинается с уровня Vc и либо увеличивается, либо уменьшается. Эти постоянные напряжения и токи, существующие в цепи до применения сигнала известны как СПОКОЙСТВУЮЩИЕ напряжения и токи (состояние покоя цепи).

    Резистор Rl, нагрузочный резистор коллектора, помещается в цепь, чтобы сохранить полное влияние коллектора. напряжение питания с коллектора. Это позволяет напряжению коллектора (Vc) изменяться с входным сигналом, что, в свою очередь, позволяет транзистору усиливать напряжение.Без Rl в цепи напряжение на коллекторе всегда будет равно Vcc.

    Конденсатор связи (Cc) — еще одно новое дополнение к транзисторной схеме. Он используется для передачи входного сигнала переменного тока и заблокировать постоянное напряжение от предыдущей цепи. Это предотвращает появление постоянного тока в цепи слева от муфты. конденсатор от влияния смещения на Q1. Конденсатор связи также блокирует смещение Q1 от попадания на вход источник сигнала.

    На вход усилителя подается синусоидальная волна, которая изменяется на десятки милливольт выше и ниже нуля.Он вводится в цепь конденсатором связи и применяется между базой и эмиттером. Когда входной сигнал становится положительным, напряжение на переходе эмиттер-база становится более положительным. Фактически это увеличивает прямое смещение, которое вызывает базовый ток увеличивается с той же скоростью, что и входная синусоида. Токи эмиттера и коллектора также увеличиваются. но намного больше, чем базовый ток. С увеличением тока коллектора на Rl возникает большее напряжение. С напряжение на Rl и напряжение на Q1 (коллектор-эмиттер) должны в сумме составлять Vcc, увеличение напряжения на Rl приводит к одинаковому уменьшению напряжения на транзисторе Q1.Поэтому выходное напряжение усилителя, снятое при коллектор Q1 по отношению к эмиттеру, представляет собой отрицательное чередование напряжения, которое больше входного, но имеет одинаковые характеристики синусоиды.

    При отрицательном чередовании входа входной сигнал противостоит прямому смещению. Это действие уменьшает базу ток, что приводит к уменьшению как эмиттерного, так и коллекторного токов. Уменьшение тока через Rl уменьшается его падение напряжения и вызывает рост напряжения на транзисторе вместе с выходным напряжением. Следовательно, вывод для отрицательного чередования входного сигнала является положительным чередованием напряжения, которое больше, чем входное, но имеет такие же характеристики синусоиды.

    Исследуя как входные, так и выходные сигналы для одного полного чередования входных сигналов, мы можем увидеть, что выходной сигнал усилитель является точным воспроизведением входного сигнала, за исключением изменения полярности и увеличения амплитуды. (десятки милливольт по сравнению с несколькими вольтами).

    Базовый транзисторный усилитель (версия PNP)

    Версия PNP этого усилителя показана выше.Основное различие между NPN а усилитель PNP – полярность источника напряжения. При отрицательном Vcc базовое напряжение PNP слегка отрицательное. относительно земли, что обеспечивает необходимое условие прямого смещения между эмиттером и базой.

    Когда входной сигнал PNP становится положительным, он препятствует прямому смещению транзистора. Это действие отменяет некоторые отрицательное напряжение на переходе эмиттер-база, уменьшающее ток через транзистор. Следовательно напряжение на нагрузочном резисторе уменьшается, а напряжение на транзисторе увеличивается. Поскольку Vcc отрицательно, напряжение на коллекторе (Vc) идет в отрицательном направлении (как показано на выходном графике) к -Vcc (например, от -5 вольт до -7 вольт). Таким образом, выход представляет собой отрицательное чередование напряжения, которое изменяется с той же скоростью, что и синусоидальный вход, но он противоположен по полярности и имеет гораздо большую амплитуду.

    При отрицательном чередовании входного сигнала ток транзистора увеличивается, так как входное напряжение способствует смещение вперед.Поэтому напряжение на Rl увеличивается, а следовательно, и напряжение на транзисторе уменьшается или идет в положительную сторону (например: с -5 вольт до -3 вольт). Это действие приводит к положительному выходное напряжение, которое имеет те же характеристики, что и входное, за исключением того, что оно было усилено, а полярность изменена. перевернутый.

    Таким образом, входные сигналы в предыдущих схемах были усилены, потому что небольшое изменение базового тока вызвало большое изменение тока коллектора.

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.