Устройство транзистора для чайников: Транзисторы принцип работы для чайников

Транзисторы принцип работы для чайников

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
• Primary Menu
• Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов
• Биполярный транзистор: принцип работы
• Что такое транзистор и как он работает?
• Как работают транзисторы
• Как работает транзистор?

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА (Транзистор – это просто-8)

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Транзисторы — это радиоэлектронные компоненты из полупроводникового материала, которые предназначены для преобразований, усилений и генерации электрических колебаний. Но всё же, как работает транзистор? Говоря простым языком с помощью транзистора можно управлять током. Транзисторами называются любые устройства, которое способно имитировать главные его свойства, а именно — изменять сигнал между двумя разными типами состояний при изменениях сигнала на управляющем электроде.

Транзисторы бывают двух типов: полевые; биполярные. Материалами изготовления служат германий и кремний, но при добавлении примесей способность проводить ток возрастает. Нужно рассмотреть оба типа транзисторов, для того чтобы понять как работает транзистор? На рисунке представлены три области p-n-p или n-p-n из которых состоит любой биполярный транзистор.

Структура транзистора В биполярных транзисторах носители зарядов двигаются от эмиттера к коллектору.

База отделяется от коллектора и эмиттера p-n переходами. Протекает ток через транзистор лишь при инжектировании носителей заряда через p-n переход из эмиттера в базу. Находясь в базе, они начинают становиться неосновными носителями заряда и достаточно легко проникают через p-n переходы. Управление током между коллектором и эмиттером осуществляется за счет изменения напряжения между базой и эмиттером.

Конструкция транзистора Как работает транзистор в цепи электрического тока? Основной принцип работы транзистора заключается в управлении электрическим током с помощью незначительного тока являющегося своего рода управляющим током. В полевых транзисторах носители зарядов движутся к коллектору от эмиттера через базу. Существует канал, в легированном проводнике находясь в промежутке между нелегированной подложкой и затвором.

В подложке отсутствует заряд, и она не проводит ток. Перед затвором есть область обеднения с отсутствием носителей заряда. Таким образом, вся ширина канала ограничивается пространством между областью обеднения и пространством между подложкой.

Напряжение, прикладываемое к затвору, уменьшает или увеличивает область обеднения, и тем самым ширину самого канала, контролируя при этом ток. Многие начинающие радиолюбители не так представляют себе принцип работы транзистора.

Они думают, что транзистор способен усилить мощность источника питания, но это далеко не так. Важно понимать, что транзистор управляет большим током коллектора с помощью маленького тока протекающего через базу. Здесь речь идет скорее всего об управлении чем об усилении. На выходе мы получаем “копию” тока эммитера но усиленного в несколько раз. Только запутываете новичков Еще и диод вставь для развязки. А то транзистор перегружает питание моторчика.

Сопротивление надо подбирать методом научного тыка. В м живемс E-Mail обязательное. Подписаться на уведомления о новых комментариях. Запомнить меня. All Rights Reserved. Запрещено копирование материалов без активной ссылки на этот сайт. Как работает транзистор? Подробности Категория: Начинающим Опубликовано Обновить список комментариев.

Полезные ссылки! Справочные данные. Форма входа. Группа в ВК. Самые читаемые. Последние комментарии. Из личного опыта: Количество витков катушек следует уменьшить. Максимальная чувствительност ь 15 см Последние материалы.

Последнии темы форума. Нет сообщений для показа. Вы здесь: Главная Начинающим. Desktop Version.

Primary Menu

Ну… усиление это когда мы производим какое-то действие, чтобы было лучше, качественнее, комфортнее, удобнее, безопаснее. По-моему как-то так. Усиливаем подвеску на машине, чтобы езда была комфортнее. Усиливаем фундамент под дом, загоняя туда железную арматуру, чтобы дом стоял долго и не трещал. Усиливаем армию военной техникой, чтобы обеспечить себе и своему народу безопасность, усиливаем свое тело, чтобы выглядеть уверенно и дать отпор гопникам. Усиливаем подвеску на машине, то есть делаем ее мощнее.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА. Транзисторы можно разделить на два класса – биполярные и униполярные. В биполярных.

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности. Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств — от нескольких нанометров бескорпусные элементы, используемые в микросхемах , до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до В. Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок.

Биполярный транзистор: принцип работы

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого. Погляди в схему программатора там где был пример с делителем.

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок.

Что такое транзистор и как он работает?

Основы электроники. Практическую значимость биполярного транзистора для современной электроники и электротехники невозможно переоценить. Биполярные транзисторы применяются сегодня повсюду: для генерации и усиления сигналов, в электрических преобразователях, в приемниках и передатчиках, да и много где еще, перечислять можно очень долго. Поэтому в рамках данной статьи мы не будем касаться всевозможных сфер применения биполярных транзисторов, а только рассмотрим устройство и общий принцип действия этого замечательного полупроводникового прибора, который начиная с х годов перевернул всю электронную промышленность, а с х годов сильно способствовал ускорению технического прогресса. Биполярный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор, включающий себя в качестве основы три слоя чередующихся по типу проводимости. Полупроводниковые материалы, из которых делают транзисторы, это в основном: кремний, германий, арсенид галлия и другие.

Как работают транзисторы

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого. Погляди в схему программатора там где был пример с делителем. Видишь стоят диоды, как думаешь, зачем? А все просто.

Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n меня была та же проблема с пониманием принципа работы транзистора.

Как работает транзистор?

Транзисторами transistors, англ. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи. Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Транзисторы можно разделить на два класса – биполярные и униполярные. Заряд избыточных неосновных носителей, инжектированных в базу, компенсируется равным по величине зарядом основных носителей, так что электрическая нейтральность в базе сохраняется. Полевой транзистор ПТ является униполярным прибором, в котором количество носителей в токе через проводящую область определяется электрическим полем, приложенным к поверхности или p-n-переходу полупроводника. В полевом транзисторе поток электронов направлен от истока, представляющего омический контакт, через проводящий канал к стоку, также представляющему омический контакт рис. Канал имеет длину в направлении протекания тока и соответственно ширину в направлении, перпендикулярном току и поверхности. В полевом транзисторе с p-n-переходом управляющим электродом затвором является слой полупроводника, тип проводимости которого р-тип противоположен типу проводимости канала n-тип.

Радиоэлектронный элемент из полупроводникового материала с помощью входного сигнала создает, усиливает, изменяет импульсы в интегральных микросхемах и системах для хранения, обработки и передачи информации.

С каждым годом появляется все больше и больше электронных средств, а они часто ломаются. На ремонт уходит немало средств, порой, достигая до 50 процентов от стоимости аппарата. И что досадно, некоторые из этих поломок можно было устранить самому, имея начальные знания о том, как работает транзистор. Почему он? Именно транзисторы чаще всего выходят из строя.

Транзистор transistor, англ. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Как работает транзистор [ПРОСТО И КРАТКО]

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

• Б – база, очень тонкий внутренний слой;
• Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
• К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

• n-типа — носителями зарядов являются электроны.
• p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Биполярные транзисторы

Так называется наиболее распространенный тип транзистора. Они делятся на npn и pnp типы. Материалом для них наиболее часто является кремний или германий. Поначалу транзисторы делались из германия, но они были очень чувствительны к температуре. Кремниевые приборы гораздо более стойки к ее колебаниям и дешевле в производстве.

Различные биполярные транзисторы показаны на фото ниже.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

• Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
• Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
• При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент усиления по напряжению;
• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент обратной связи;
• Коэффициент передачи по току;
• Входное сопротивление;
• Выходное сопротивление;
• Время включения;
• Максимально допустимый ток и др.

У биполярных:

• Обратный ток коллектор-эмиттер;
• Частота коэффициента передачи тока базы;
• Обратный ток коллектора;
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

• Номинальный режим;
• Инверсный;
• Насыщения;
• Отсечка;
• Барьерный.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

Немного о транзисторах…

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры… Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во «включенном» и «выключенном». Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора — это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду. Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN — положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда — электроны, а в PNP — дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер Uбэ = напряжение база-эмиттер Ic = ток коллектора Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер. Постоянное напряжение коллектор – база. Постоянное напряжение эмиттер – база. Предельная частота коэффициента передачи тока базы Постоянный/импульсный ток коллектора. Коэффициент передачи по току Максимально допустимый ток Входное сопротивление Рассеиваемая мощность. Температура p-n перехода. Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб<0).

К биполярным транзисторам могут быть отнесены однопереходные транзисторы, таковым является например КТ117. Такой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n переходом. Однопереходный транзистор состоит из двух баз и эмиттера.

В последнее время в схемах часто стали применять составные транзисторы, называют их парой или транзисторами Дарлингтона, они обладают очень высоким коэффициентом передачи тока, состоят они из двух или более биполярных транзисторов, но выпускаются и готовые транзисторы в одном корпусе, таким является например TIP140. Включаются они с общим коллектором, если соединить два транзистора, то они будут работать как один, включение показано на рисунке ниже. Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора.

Некоторые недостатки составного транзистора: низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер почти в два раза больше чем в обычном транзисторе. Ну и само собой, потребуется больше места на плате.

Проверка биполярных транзисторов

Поскольку транзистор состоит из двух переходов, причем каждый из них представляет собой полупроводниковый диод, проверить транзистор можно так же, как проверяют диод. Проверка транзистора обычно осуществляется омметром, проверяют оба p-n перехода транзистора: коллектор – база и эмиттер – база. Для проверки прямого сопротивления переходов p-n-p транзистора минусовой вывод омметра подключается к базе, а плюсовой вывод омметра – поочередно к коллектору и эмиттеру. Для проверки обратного сопротивления переходов к базе подключается плюсовой вывод омметра. При проверке n-p-n транзисторов подключение производится наоборот: прямое сопротивление измеряется при соединении с базой плюсового вывода омметра, а обратное сопротивление – при соединении с базой минусового вывода. Транзисторы так же можно прозванивать цифровым мультиметром в режиме прозвонки диодов. Для NPN красный щуп прибора «+» присоединяем к базе транзистора, и поочередно прикасаемся черным щупом «-» к коллектору и эмиттеру. Прибор должен показывать некоторое сопротивление, примерно от 600 до 1200. Затем меняем полярность подключения щупов, в этом случае прибор ничего не должен показывать. Для структуры PNP порядок проверки будет обратным.

MOSFET транзисторы

Несколько слов хочу сказать про MOSFET транзисторы (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor), (Метал Оксид Полупроводник (МОП)) – это полевые транзисторы, не путать с обычными полевиками! У полевых транзисторов три вывода: G — затвор, D — сток, S – исток. Различают N канальный и Р, в обозначении данных транзисторов имеется диод Шоттки, он пропускает ток от истока к стоку, и ограничивает напряжение сток – исток.

Применяются они в основном для коммутации больших токов, управляются они не током, как биполярные транзисторы, а напряжением, и как правило, имеет очень малое сопротивление открытого канала, сопротивление канала величина постоянная и не зависит от тока. MOSFET транзисторы специально разработаны для ключевых схем, можно сказать как замена реле, но в некоторых случаях можно и усиливать, применяются в мощных усилителях НЧ.

Плюсы у данных транзисторов следующие: Минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току Лучшие характеристики, например большая скорость переключения. Устойчивость к большим импульсам напряжения. Схемы, где применяются такие транзисторы, обычно более простые.

Минусы: Стоят дороже, чем биполярные транзисторы. Боятся статического электричества. Наиболее часто для коммутации силовых цепей применяют MOSFET с N-каналом. Напряжение управления должно превышать порог 4 В, вообще, необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Напряжение управления — это напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET транзистора.

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым, например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Теги:

• Транзистор

Типы полевых транзисторов

По английски они обозначаются FETs – Field Effect Transistors, что можно перевести как «транзисторы с полевым эффектом». Хотя есть много путаницы в названиях для них, но встречаются в основном два основных их типа:

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Читать также: Вал со шпонкой чертеж

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

• Усилительные схемы.
• Генераторы сигналов.
• Электронные ключи.

Будет интересно➡ Что такое светодиод

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.

На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Эволюция транзистора

Биполярный СВЧ-транзистор [ править | править код ]

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ [7] . Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу [8] . По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитаксиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую) [9] . По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт) [10] . Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ [10] .

Страшное слово – Транзистор

Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.

Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только – очень маленьких.

Транзистор – это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух – поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!

Небольшая поясняющая картинка:

Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.

Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером – слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h31э

. У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току – это отношение коллекторного тока к току базы:

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h31э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А, а транзистор имеет h31э = 100. Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал? И каким при этом будет сопротивление R1?

Полный накал – это когда ток потребления равен номинальному. Номинальный – 0,33 А. Таким образом, необходимый ток коллектора – 0,33 А. Ток базы должен быть меньше коллекторного в h31э раз. То есть – в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА. Ура, решили.

Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):

U – нам известно – это напряжение питания, 9В I – только что нашли – 0,0033 А

Арифметика, 2 класс: R = 9/0,0033 = 2700 Ом = 2,7 кОм.

Ответ: сопротивление резистора = 2,7 кОм

Просто? Еще бы! Но – не обольщайтесь. Дальше – хуже! =)

В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

• Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
• Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
• Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Будет интересно➡ Что такое динистор?

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Транзистор.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• со встроенным каналом.
• с индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

• Входное сопротивление.
• Амплитуда напряжения.
• Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к. кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает. Транзисторы

транзисторов: мастера переключения и усиления

БА: Cathleen Shamieh и

Обновлены: 03-26-2016

Из книги: Electronics для Dummies

Electronic Amazon

Транзисторы выполняют в электронных схемах всего две функции: переключают и усиливают. Но эти две работы — ключ к тому, чтобы делать действительно интересные вещи. Вот почему эти функции так важны:

• Переключение: Если вы можете включать и выключать поток электронов, вы имеете контроль над потоком и можете создавать сложные схемы, встраивая множество переключателей в нужных местах.

  Рассмотрим, например, систему телефонной коммутации: набрав 10-значный номер, вы можете соединиться с любым из миллионов людей по всему миру. Или взгляните на Интернет: переключение позволяет вам получить доступ к веб-сайту, размещенному, скажем, в Шебойгане, пока вы сидите в поезде, скажем, в Лондоне. Другими системами, которые полагаются на переключение, являются компьютеры, светофоры, электросеть — ну, вы поняли. Переключение чертовски важно.

• Усиление: Если вы можете усилить электрический сигнал, вы можете хранить и передавать крошечные сигналы и усиливать их, когда они вам нужны, чтобы что-то произошло.

  Например, радиоволны переносят крошечные звуковые сигналы на большие расстояния, и усилитель в вашей стереосистеме должен усилить сигнал, чтобы он мог перемещать диафрагму динамика, чтобы вы могли слышать звук.

До изобретения транзистора все коммутацию и усиление выполняли электронные лампы. Фактически, электровакуумная лампа считалась величайшим чудом электричества в начале 20-го века. Затем Бардин, Браттейн и Шокли показали миру, что крошечные полупроводниковые транзисторы могут выполнять ту же работу, только лучше (и за меньшие деньги). Трио было удостоено 1956 Нобелевская премия по физике за изобретение транзистора.

Транзисторы

в наши дни микроскопически малы, не имеют движущихся частей, надежны и рассеивают гораздо меньшую мощность, чем их ламповые предшественники. (Однако многие аудиофилы считают, что лампы обеспечивают более высокое качество звука по сравнению с технологией твердотельных транзисторов.)

Двумя наиболее распространенными типами транзисторов являются

.

На рисунке показаны схемные обозначения, обычно используемые для различных типов транзисторов. В следующих разделах более подробно рассматриваются биполярные транзисторы и полевые транзисторы.

Условные обозначения для биполярных транзисторов и полевых транзисторов с маркировкой выводов.

Эта статья взята из книги:

• Электроника для чайников,

Об авторе книги:

Кэтлин Шами — инженер-электрик и писатель с обширным опытом проектирования и консультирования в области медицинской электроники. обработка речи и телекоммуникации.

Этот артикул находится в категории:

• General Electronics ,

Transistor Basics — Circuit Cellar

В наше время высокоинтегрированных микросхем, какова актуальность одиночного дискретного транзистора? Это правда, что большинство потребностей при проектировании встраиваемых систем можно удовлетворить с помощью решений на уровне микросхем.

Но поставщики электронных компонентов по-прежнему производят и продают отдельные транзисторы, потому что для них все еще существует рынок. В этой статье Стюарт делает обзор некоторых важных основ транзисторов и того, как их можно использовать при разработке встраиваемых систем.

Что хорошего в транзисторе? Конечно, интегральные схемы (ИС) состоят из тысяч транзисторов. До революции интегральных схем и микропроцессоров произошла революция транзисторов, когда телевизоры, радиоприемники и компьютеры были построены с использованием новых твердотельных устройств. Транзистор был отцом ИС. Но не устарел ли сегодня отдельный транзистор как элемент схемы? Какая польза от скромного транзистора в мире, где нынешние микропроцессоры Intel имеют более миллиарда транзисторов каждый?

Это правда, что почти все, что мы раньше делали с транзисторами, можно сделать дешевле, лучше и эффективнее с помощью ИС, и мы можем делать с ИС то, что невозможно с дискретными транзисторами. Было бы невозможно построить современный микропроцессор с дискретными транзисторами — одни только длины выводов сделали бы скорости невозможными. Но верно и обратное. Дискретный транзистор может быть простым способом решения некоторых проблем. Транзисторы, например, обычно имеют гораздо более высокие пределы рабочего напряжения и мощности в простых схемах, чем у сопоставимых ИС. Производители и дистрибьюторы электроники по-прежнему изготавливают и продают отдельные транзисторы, потому что их детали все еще используются. В этой статье я хочу рассказать о некоторых основных вещах о транзисторах, о том, как они используются и как вы можете включить их в свои приложения.

ОБЗОР
BJT (транзистор с биполярным переходом) был первым общедоступным транзистором, и он способствовал переходу от электронных ламп. BJT бывают двух видов: NPN и PNP. Оба (обычно) кремниевые устройства. Кремний модифицируют (легируют) примесями для получения материала N-типа или P-типа. Транзистор NPN имеет слой P-типа, зажатый между двумя слоями N-типа, а PNP — наоборот.

На рис. 1 показаны условное обозначение NPN BJT, простая схема структуры и модель диода. Структура N-P-N является просто репрезентативной. В реальном транзисторе область коллектора обычно больше области эмиттера, и ни одна из них не является квадратной, как показано на диаграмме. Представление транзистора диодом указывает, как протекает ток, а не как устроена фактическая часть. Вы не можете построить транзистор из двух диодов, но использование двух диодов помогает объяснить, как работает смещение транзистора.

РИСУНОК 1 – Схематическое обозначение, физическое представление и диодная модель транзистора NPN

Работа транзистора NPN концептуально проста для понимания. Что касается диодной модели, если вы подключите коллектор к положительному напряжению, скажем, 5 В, а эмиттер к земле, вы получите два диода, соединенных спиной к спине, с их анодами, соединенными вместе. Соединение двух анодов представляет собой базу транзистора. Если вы приложите к базе положительное напряжение больше 0,7 В, эмиттерный диод будет смещен в прямом направлении, и ток будет течь от базы через эмиттер к земле. Коллекторный диод будет смещен в обратном направлении, и через него не будет протекать ток.

РЕАЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНЗИСТОРА
Теперь отбросьте модель диода и посмотрите на настоящий транзистор. Если коллектор подключен к +5 В, а эмиттер к земле, а напряжение на базе достаточно велико (0,7 В) для прямого смещения перехода база-эмиттер, ток будет течь от базы к эмиттеру и . от коллектора к эмиттеру. Если напряжение база-эмиттер ниже 0,7 В, транзистор находится в состоянии «отсечки», и ток через эмиттер или коллектор не течет. Вот и все. Вот как работает BJT.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Протекание тока коллектор-эмиттер заложено в конструкции транзистора. Вот почему фактический транзистор отличается от модели диода, и именно поэтому вы не можете собрать транзистор из двух диодов. Если на коллекторе +5 В, а эмиттер на земле, доведение базы примерно до 0,7 В приведет к протеканию тока от источника питания 5 В через коллектор к эмиттеру и земле. Если эмиттер находится на +2 В, то вы должны довести базу примерно до 2,7 В, чтобы ток протекал от коллектора к эмиттеру.

Волшебство транзистора заключается в том, чтобы определить, как получить ток, протекающий через коллектор. Если вы просто подключите транзистор, как я описал, без каких-либо ограничений тока, ваш транзистор быстро превратится в дымящийся расплавленный кусок пластика.

Обычно, если транзистор работает в пределах номинальных значений тока, мощности и напряжения, ток в эмиттере будет представлять собой ток, протекающий в базу, плюс ток, протекающий от коллектора к эмиттеру. Очень маленький ток базы контролирует гораздо больший ток коллектора, поэтому ток коллектора примерно равен току эмиттера. Когда ток в коллекторе отсутствует, транзистор находится в «отсечке», как упоминалось ранее. Если протекающий ток достаточен для того, чтобы напряжение коллектор-эмиттер было настолько низким, насколько это возможно (обычно около 0,3 В для транзистора с малым сигналом), транзистор считается «насыщенным». В этом состоянии изменения тока базы больше не влияют на ток коллектора.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Как мы можем использовать этот транзистор? На рис. 2 показана простая схема. В этой схеме мы подключаем коллектор к +5 В, эмиттер к земле через резистор 220 Ом и базу к фиксированному значению 1 В. Прямое напряжение 2N3904 составляет от 0,65 В до 0,85 В при токе коллектора 10 мА. . Условно для расчетов используется 0,7 В. Итак, напряжение на эмиттере (VE) будет 1 В – 0,7 В или 0,3 В. Вот где происходит волшебство: напряжение на эмиттере фиксировано, поэтому ток через резистор 220 Ом составляет 0,3 В/220 Ом, или 1,36 мА. Ток коллектора одинаков. Следовательно, управляя базовым напряжением, мы управляем током эмиттера и, тем самым, током коллектора.

РИСУНОК 2. Простая схема показывает соотношение между напряжением и током база-эмиттер Эта схема идентична схеме на рис. 2, за исключением того, что теперь мы добавили резистор 1,5 кОм, R2, между коллектором и источником питания 5 В. Поскольку ток в эмиттере зафиксирован на уровне 1,36 мА, ток в коллекторе также составляет 1,36 мА. Этот ток протекает через R2, создавая напряжение на R2, равное 1,36 мА x 1,5 кОм, или 2,04 В. Таким образом, напряжение на коллекторе, VC, равно 5 В питания минус напряжение на R2, или 2,9 В.5 В.

РИСУНОК 3. Транзистор, включенный в качестве усилителя путем добавления резистора в коллектор

Что произойдет, если напряжение на базе поднять до 1,1 В? Когда это происходит, напряжение на эмиттере теперь составляет 0,4 В (1,1–0,7 В), в результате чего ток эмиттера составляет 1,8 мА. Ток коллектора также составляет 1,8 мА, поэтому напряжение на R2 теперь составляет 1,8 мА x 1,5 кОм, или 2,7 В. VC теперь составляет 5–2,73 В, или 2,27 В. Таким образом, изменение базового напряжения на 0,1 В вызвало напряжение на коллекторе упало с 2,95 В до 2,27 В, изменение на -0,68 В. Напряжение на коллекторе упало на 6,8 x 0,1 В (изменение входного напряжения).

Вот что интересно: изменение напряжения коллектора равно отрицательному значению изменения входного напряжения, умноженному на отношение резистора коллектора R2 к резистору эмиттера R1, или 1,5 кОм / 220 = 6,8. Если вы работаете с математикой, это имеет смысл, потому что ток коллектора такой же, как ток эмиттера. Но поскольку резистор коллектора R2 в 6,8 раза больше резистора эмиттера, любое изменение тока в резисторе эмиттера приведет к изменению напряжения на коллекторе в 6,8 раз больше.

Если вы проделаете тот же расчет после снижения базового напряжения с 1 В до 0,9 В, вы увидите, что напряжение коллектора возрастет на 0,68 В. Эта схема представляет собой инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -6,8. Положительное изменение напряжения на входе вызывает отрицательное изменение напряжения на выходе и наоборот.

Эта схема имеет некоторые ограничения. Если вы поместите 1,32 В на базу, вы обнаружите, что напряжение на эмиттере составляет 0,62 В, а напряжение на коллекторе почти равно напряжению на эмиттере. Транзистор не может привести коллектор к напряжению эмиттера, поэтому он насыщается. Таким образом, ограничением этой конкретной схемы является максимальное входное напряжение около 1,3 В. С другой стороны, любое напряжение менее 0,7 В приводит к тому, что транзистор переходит в режим отсечки. Таким образом, полезный диапазон входного напряжения этой схемы составляет от 0,7 В до примерно 1,3 В. Тем не менее, этого будет достаточно для усиления низкоуровневого аудиосигнала до уровня, который можно дополнительно усилить.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Говоря об аудио, как бы вы подключили аудиосигналы к цепи? Аудиосигналы обычно колеблются между отрицательным и положительным напряжением. Если вы поместите это в базу, транзистор большую часть времени будет в отсечке — все время, если положительные пики сигнала никогда не достигают 0,7 В.

Это приводит нас к смещению. Рисунок 4  представляет собой модификацию рисунка 3 с добавлением к основанию нескольких резисторов смещения. Резисторы R3 и R4 образуют делитель напряжения, который доводит базовое напряжение примерно до 1 В. Это находится посередине между нижним и верхним пределами схемы 0,7 В и 1,3 В. Теперь скажем, что мы подаем на вход сигнал, который колеблется между -0,1 В и +0,1 В. Из-за разделительного конденсатора постоянного тока C1 это станет 0,9V до 1,1 В на базе, а в цепи будет усиливаться на -6,8 В.

РИСУНОК 4. Резисторы смещения позволяют транзистору работать со входами, связанными по переменному току, такими как аудиосигналы.

Существуют и другие способы смещения базы транзистора. Диод опорного напряжения, как показано на рис. 5 , фиксирует базу при известном напряжении. В этой схеме напряжение эмиттера VE будет около 1,3 В, поэтому ток эмиттера и коллектора будет 5,9 мА. Дело не в том, чтобы показать все возможные способы смещения транзистора, просто в том, что есть и другие способы сделать это.

РИСУНОК 5. Зенеровский или опорный диод можно использовать для создания фиксированного смещения.

ОГРАНИЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА
Как и все вещи в физическом мире, транзисторы имеют некоторые ограничения. Мы уже рассмотрели один — значения резисторов базы и эмиттера в схеме усилителя должны быть выбраны таким образом, чтобы транзистор не перешел в режим отсечки или насыщения при любом входном сигнале, который вы пытаетесь усилить.

Транзисторы имеют другие характеристики. Например, 2Н39.04, используемый в этих примерах, имеет максимальное напряжение коллектор-эмиттер 40 В. Если больше, транзистор перегорит. Обратное напряжение база-эмиттер, где база считается отрицательной по отношению к эмиттеру, имеет максимальное значение 6 В. Кроме того, переход эмиттер-база выходит из строя.

Коллектор может выдерживать максимальный непрерывный ток 200 мА. Устройство имеет максимальную рассеиваемую мощность около 600 мВт. Так что хотя коллектор-эмиттер выдерживает 40 В и ток коллектора может достигать 200 мА, если вы попытаетесь пропустить через него 200 мА при 40 В, он выйдет из строя. 40 В при 200 мА составляет 8 Вт, что значительно превышает возможности устройства по мощности.

Суть всего этого в том, что, как и любое полупроводниковое устройство, ваша конструкция должна соответствовать всем максимальным параметрам: мощность, напряжение коллектор-эмиттер, ток коллектора, обратное напряжение пробоя эмиттер-база и так далее.

Одной из ключевых характеристик транзистора является коэффициент усиления по току. Это число описывает, насколько изменяется ток эмиттера при заданном изменении тока базы. Коэффициент усиления по току зависит от величины тока, протекающего в коллекторе. Для 2Н3904, минимальный коэффициент усиления по току при токе коллектора 0,1 мА равен 40. При 10 мА минимальный коэффициент усиления равен 50. Максимальный коэффициент усиления по даташиту равен 300. Непосредственно перед написанием этого абзаца я измерил несколько 2N3904. Все они имели коэффициент усиления. превышает 300.

Практическое значение коэффициента усиления заключается в том, чтобы влиять на то, как эмиттер взаимодействует с базой. Если бы коэффициент усиления транзистора в схеме усилителя на рис. 3 составлял всего 10, резистор 220 Ом в эмиттере выглядел бы примерно как 2 кОм на базе, что повлияло бы на смещение и нагрузку, подаваемую на схему возбуждения. В этом случае вы хотели бы, чтобы резисторы смещения имели достаточно низкое значение, чтобы эффект нагрузки эмиттерного резистора изменил напряжение смещения менее чем на 10% или около того. Но если вам приходится использовать резисторы с меньшим номиналом в вашей цепи смещения, это, в свою очередь, увеличивает нагрузку на то, что ею управляет. В случае с усилителем это снижает общее сквозное усиление.

К счастью, для большинства приложений со слабыми сигналами несложно найти транзистор с достаточно высоким минимальным коэффициентом усиления, чтобы сделать эту проблему незначительной. Трудности возникают, когда вам нужно очень низкое значение сопротивления эмиттера. Даже при коэффициенте усиления 300 эмиттерный резистор сопротивлением около 10 Ом может оказать значительное влияние на нагрузку базы, что необходимо учитывать при расчетах. Поскольку транзистор имеет конечный коэффициент усиления, вы не можете использовать очень большие резисторы, например, в мегаомном диапазоне, для смещения базы. Если вы это сделаете, эмиттер понизит напряжение.

Одним из распространенных дополнений к аудиоусилителям является шунтирование эмиттерного резистора с помощью электролитического конденсатора. Конденсатор имеет очень высокий импеданс (почти бесконечный) на постоянном токе, но импеданс уменьшается с увеличением частоты. Это позволяет работать смещению постоянного тока, но увеличивает усиление для аудиосигналов, делая импеданс эмиттера (сопротивление, параллельное импедансу конденсатора) очень низким значением на звуковых частотах. Это делает отношение сопротивления коллектора к сопротивлению эмиттера намного выше на аудио, чем на постоянном токе, что увеличивает коэффициент усиления. (Помните: коэффициент усиления равен резистору коллектора, деленному на импеданс эмиттера.) Однако это также приводит к значительному снижению входного импеданса схемы на этих звуковых частотах. Другие характеристики транзисторов, влияющие на использование в радиочастотных схемах, например в быстродействующих переключающих схемах, выходят за рамки этой статьи и не будут здесь обсуждаться.

ПРИМЕНЕНИЕ
Вы можете создавать усилители на транзисторах, и многие люди так и делают. Но также легко построить усилитель с операционным усилителем или другой ИС, и здесь я хочу сосредоточиться на приложениях, в которых полезны уникальные характеристики транзистора.

Как вы могли бы использовать транзистор, учитывая то, что мы уже сделали? В Рисунок 6 я изменил Рисунок 5, установив опорное напряжение 2,5 В, сопротивление R1 120 Ом и добавив светодиод в цепь коллектора. Поскольку опорный диод фиксирует напряжение на базе на уровне 2,5 В, напряжение эмиттера составляет 1,8 В, а ток эмиттера составляет 15 мА. Это справедливо до тех пор, пока напряжение питания V+ достаточно велико, чтобы опорный диод и светодиод оставались включенными. Таким образом, светодиод будет иметь ток 15 мА независимо от напряжения питания 5 В или 20 В.

РИСУНОК 6 – 2N3904, подключенный в качестве драйвера светодиодов постоянного тока дым. Я показал схему смещения, запитанную от 5 В. Если бы вы также питали ее от переменного V+, вам также нужно было бы учитывать ограничения R3 и D1. Но если вам нужен постоянный ток через светодиод независимо от напряжения питания (в разумных пределах), эта схема подойдет. Вы можете сделать это, если хотите, чтобы светодиод имел постоянную яркость независимо от приложенного напряжения, или просто чтобы более высокие напряжения не превышали максимальный ток светодиода.

На рис. 7 показан 2N3904, используемый для преобразования логического уровня между двумя разными схемами, работающими при разных напряжениях. Вы можете использовать это для преобразования между выходом 3,3 В микроконтроллера (MCU) и входом схемы, которой требуется 5 В. V + на схеме будет подключен к напряжению питания целевой системы. Что бы ни управляло входом, оно должно иметь достаточный выходной ток, чтобы управлять резистором 2,2 кОм. Эта схема инвертирует сигнал — высокий уровень на входе дает низкий уровень на выходе. В этой схеме транзистор всегда находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

РИСУНОК 7 — 2N3904, используемый в качестве преобразователя логического уровня

Существует множество ИС, которые могут это делать, например, буферы с открытым коллектором, так зачем использовать транзистор? Транзистор может работать с более высокими напряжениями, чем большинство схем транслятора логического уровня. Например, транзистор может переводить цепь 3,3 В в цепь 12 В.

Для многих схем преобразования напряжения необходимо знать напряжение питания и, следовательно, управляющее напряжение на входе. Но однажды у меня была ситуация, когда вход мог поступать из разных источников, в диапазоне от менее 2,5 В до 5 В. Транзисторное решение работает для всех логических напряжений, потому что транзистор включается при любом управляющем напряжении выше 0,7 В. Он может даже можно использовать для преобразования входного напряжения 12 В или 24 В в выходное напряжение 3,3 В или 5 В, если входной резистор R2 достаточно большой, чтобы предотвратить чрезмерный ток.

Окончательное приложение NPN показано на рис. 8 . На рисунке 8а 2N3904 управляет реле. Диод D1 защищает транзистор от перенапряжения. Когда реле выключается путем выключения транзистора, создается «обратное» напряжение, поскольку энергия в катушке реле рассеивается. Это напряжение может достигать уровней, достаточных для разрушения транзистора из-за чрезмерного напряжения коллектор-эмиттер — помните раздел о характеристиках транзистора. Диод D1 ограничивает напряжение на 0,7 В выше V+ для защиты транзистора. Но это имеет побочный эффект замедления открытия реле.

РИСУНОК 8 – Управление реле с помощью 2N3904. Базовый диодный зажим (а) и зажим Зенера с более высоким напряжением (б) для более быстрой работы.

На рис. 8b показана та же схема, но со стабилитроном D2 на 12 В, включенным последовательно с D1. Это позволяет напряжению обратного хода достигать 12,7 В выше V+, что позволяет гораздо быстрее рассеивать энергию катушки, ускоряя работу реле. Но с реле на 12 В напряжение коллектора превысит 24 В в период обратного хода. Эта схема использует высокое напряжение пробоя коллектор-эмиттер для повышения скорости. Есть несколько драйверов реле, которые могут это сделать, но они не имеют большого преимущества перед транзистором. Обратите внимание, однако, что базовый резистор R1 должен иметь такой размер, чтобы обеспечить достаточный ток для транзистора, чтобы управлять реле. Для большого сильноточного реле может потребоваться предварительный драйвер и силовой транзистор. В этот момент IC может быть лучшим решением.

ТРАНЗИСТОРЫ PNP
До сих пор я сосредоточился на транзисторах NPN. Функционально PNP является противоположностью NPN. Напряжение коллектора PNP (при нормальном смещении) меньше эмиттерного, а база ниже эмиттерного на 0,7 В для включения транзистора. Нет необходимости использовать отрицательное напряжение. Как и в случае с NPN, важно напряжение относительно эмиттера. Транзистор PNP может быть соединен с NPN в простых аудиоусилителях для создания усилителя для наушников или динамика. Дополнение ПНП к 2Н3904 это 2N3906.

На рис. 9 показано, как можно использовать 2N3906 для создания отрицательного напряжения смещения в системе только с положительным источником питания. Вам может понадобиться отрицательное смещение для смещения входного сигнала или для питания операционного усилителя, которому по какой-то причине нужен отрицательный источник питания.

РИСУНОК 9 – Генератор отрицательного напряжения с использованием PNP 2N3906

Вход управляется прямоугольным сигналом, который может поступать с выхода таймера микроконтроллера или двухтранзисторного мультивибратора (погуглите). Я произвольно выбрал значения для компонентов в этом примере. Вы хотели бы использовать значения компонентов, соответствующие входной частоте, выходному току и напряжению, а также другим требованиям вашего приложения. Обратите внимание, что входной сигнал должен колебаться близко к положительной шине питания (5 В в показанной схеме), чтобы полностью закрыть Q1, иначе транзистор никогда не выключится и нагреется. Если вы управляли схемой с выходом логического уровня, вам может понадобиться подтягивающий резистор, чтобы убедиться, что вход качается до положительной шины. Вы также можете использовать эту схему в системе 3,3 В.

Я включил этот пример, чтобы показать, как можно использовать PNP-транзистор. Это не значит, что нет IC, которые могут это сделать. Например, DC/DC-преобразователь TPS6735 производства Texas Instruments может выдавать -5 В на выходе при 200 мА, хотя он не будет работать при 3,3 В.

МОП-транзисторы
но есть еще один класс транзисторов, называемых полевыми МОП-транзисторами (полевые транзисторы с металлическим оксидом и полупроводником). Там, где у BJT есть база, эмиттер и коллектор, эквивалентными выводами MOSFET являются затвор, исток и сток. Работа MOSFET аналогична BJT, но есть некоторые важные отличия.

MOSFET ранее иногда назывался IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). Я не видел, чтобы этот термин использовался много лет, но он носит описательный характер. Затвор MOSFET электрически изолирован от остальной части, а ток от стока к истоку регулируется электрическим полем, создаваемым приложением напряжения к затвору. Изолированный затвор означает, что полевой МОП-транзистор имеет очень высокий входной импеданс, поэтому ток не должен протекать через затвор для управления током сток-исток. На самом деле, если в затвор течет ток, это, вероятно, означает, что какой-то предел был превышен и транзистор вышел из строя.

BJT можно рассматривать как токоуправляемое устройство, в котором небольшое изменение тока базы вызывает большое изменение тока коллектора. МОП-транзистор — это токовый прибор, управляемый напряжением, в котором изменение напряжения на затворе вызывает большое изменение тока стока. На рис. 10 показан полевой МОП-транзистор 2N7000, подключенный в качестве преобразователя логического уровня, аналогично тому, как был подключен биполярный транзистор на рис. 7. Он будет работать так же, как и схема 2N3904, со следующими отличиями:

РИСУНОК 10 – МОП-транзистор 2N7000 в качестве инвертирующего преобразователя логических уровней

1. Высокий импеданс означает, что для ограничения тока в затворе не требуется последовательного резистора. Это также означает, что транзисторный вход не будет нагружать любой выход, который им управляет.
2. Биполярному транзистору требуется 0,7 В и небольшой ток для включения транзистора. МОП-транзистору требуется, чтобы затвор был положительным по отношению к истоку. В случае 2N7000 напряжение включения Vgs может находиться в диапазоне от 0,8 В до 3 В. Это означает, что использование 2N7000 для преобразования входного напряжения 2,5 В или 3,3 В в более высокое выходное напряжение может быть проблематичным, и транзистор может не открыться. Однако при переходе от входного сигнала системы 5 В или выше к выходному напряжению 3,3 В или 2,5 В будет работать так же, как и с биполярной схемой.
3. Насыщенный МОП-транзистор не имеет напряжения насыщения — у него есть сопротивление между истоком и стоком. Для 2N7000 это может быть примерно до 6 Ом, когда V+ составляет 5 В для версии компонента On Semiconductor. Для большинства приложений это значение достаточно мало, чтобы не иметь значения, но об этом следует помнить, особенно при переключении значительных токов.

2N7000 обычно используется в качестве коммутатора. Вы можете смещать его как усилитель, но различное пороговое значение Vgs делает это немного сложнее, чем для биполярного транзистора. Подобно дополнению PNP к транзистору NPN, N-канальные полевые МОП-транзисторы имеют дополнение, которым является P-канальный полевой МОП-транзистор. BS250 от Vishay является приблизительным P-канальным эквивалентом 2N7000. Вы можете использовать такой транзистор вместо PNP для реализации генератора отрицательного напряжения, упомянутого ранее, хотя, конечно, вы должны быть уверены, что управляющее напряжение превышает пороговое напряжение затвора.

ДРУГИЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Я сосредоточился на транзисторах со слабым сигналом, чтобы продемонстрировать основные принципы. Как в биполярных, так и в МОП-транзисторах есть устройства, предназначенные для работы с большими токами и высокими напряжениями, детали, разработанные специально для радиочастотных приложений, и другие варианты. Но основные принципы те же.

Я надеюсь, что мое объяснение того, как работают транзисторы, помогло вам лучше понять их, и что приведенных примеров достаточно, чтобы вы могли поэкспериментировать с транзисторами в своих приложениях. Иногда транзисторы полезны, даже если они существуют уже давно. И даже в схемах, которые вы можете построить с помощью ИС, транзисторы представляют собой интересные устройства для работы, потому что вы можете перейти на уровень базовых компонентов.

РЕСУРСЫ
Спецификацию On Semiconductor для 2N3904, используемую в качестве примера в этой статье, можно найти по адресу https://www. onsemi.com/pub/Collateral/2N3903-D.PDF

Спецификацию On Semiconductor для 2N3906, дополняющий 2N3904, можно найти по адресу: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/2N3906-D.PDF

. Спецификация On Semiconductor для 2N7000 находится по адресу: https://www.onsemi. .com/pub/Collateral/2N7000-D.PDF

О полупроводниках | www.onsemi.com
Техасские инструменты | www.ti.com
Вишай | www.vishay.com

ПУБЛИКУЕТСЯ В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR • МАЙ 2019 № 346 – Получите PDF-файл номера

Будьте в курсе наших БЕСПЛАТНЫХ еженедельных информационных бюллетеней!

Не пропустите новые выпуски Circuit Cellar. Подписаться на журнал Circuit Cellar Примечание. Мы сделали выпуск Circuit Cellar за май 2020 г. бесплатным образцом. В нем вы найдете большое разнообразие статей и информации, иллюстрирующих типичный номер текущего журнала. Оставить комментарий Отменить ответ Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться. Меню Поиск: