Режим насыщения биполярного транзистора. Биполярные транзисторы полное описание. Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V c . Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V ce = V c - 0 = V c . Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки R L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения R b: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R b может быть рассчитано по следующей формуле:

где V 1 является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V 1 = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R b известно, транзистор "настроен" на работу в качестве переключателя, что также называется "режим насыщения и отсечки ", где "насыщение" - когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а "отсечение" – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

H FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V CEsat . Но V CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший H FE , крупнейший V CEsat и V CEsat .

Типичное применение транзисторного ключа

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение V CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.

Конструкция прибора

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

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

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

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

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

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

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

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

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

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

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

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов I C и I B ; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем I E = I C + I B .

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

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (V BE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (V CE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания V CC через нагрузочный резистор, R L , который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения V B , которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор R B , который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: I C = I E - I B , так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов - NPN и PNP - дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют "комплементарные", или "согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=I C /I B согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор - только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер - База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор - База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер - Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото – мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото – конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото – виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

Высокочастотные;
Низкочастотные.

По мощности на:

Маломощные;
Средней мощности;
Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото – пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

Активный режим;
Отсечка;
Двойной или насыщения;
Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h21e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора – минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото – цоколевка маломощных биполярных триодов

Фото – цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото – примеры цветовой маркировки

Фото – таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото – расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

Коэффициент усиления по напряжению тока;
Входящее напряжение;
Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

Ucc – напряжение сети;
Uкэнас – насыщение;
Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный , поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки . Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей . Это похоже на два диода , соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter ). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках , в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V КЭ (V CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V BE , но значительно ниже чем V CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I BE , и большой — от коллектора к эмиттеру I CE .

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I B , сильно меняется ток коллектора I С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе . Cоотношение тока коллектора I С к току базы I B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β , hfe или h21e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I b

Теперь посчитаем ток базы I b . Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V max) и минимальном (V min). Назовем эти значения тока соответственно — I bmax и I bmin .

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V BE . Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода , и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V B = 0.6V).

Посчитаем I bmax и I bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора (I cmax и I cmin).

3. Расчет выходного напряжения V out

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V Cmax получился меньше чем V Cmin . Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V out /V in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I b , несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

Режим отсечки (cut off mode).
Активный режим (active mode).
Режим насыщения (saturation mode).
Инверсный ражим (reverse mode).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки .

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I С к току базы I B . Обозначается β , hfe или h21e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R in (R вх ). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R out = 0 (R вых = 0)).

Название полупроводникового прибора транзистор образовано из двух слов: transfer – передача + resist – сопротивление. Потому что его действительно можно представить в виде некоторого сопротивления, которое будет регулироваться напряжением одного электрода. Транзистор иногда еще называют полупроводниковым триодом.

Создан первый биполярный транзистор был в 1947 году, а в 1956 году за его изобретение трое ученых были удостоены нобелевской премии по физике.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который состоит из трех полупроводников с чередующимся типом примесной проводимости. К каждому слою подключен и выведен электрод. В биполярном транзисторе используются одновременно заряды, носители которых электроны (n - “ negative ”) и дырки (p – “ positive ”), то есть носители двух типов, отсюда и образование приставки названия «би» - два.

Транзисторы различаются по типу чередования слоев:

P n p -транзистор (прямая проводимость);

Npn- транзистор (обратная проводимость).

База (Б) – это электрод, который подключен к центральному слою биполярного транзистора. Электроды от внешних слоев именуются эмиттер (Э) и коллектор (К).

Рисунок 1 – Устройство биполярного транзистора

На схемах обозначаются « VT », в старой русскоязычной документации можно встретить обозначения «Т», «ПП» и «ПТ». Изображаются биполярные транзисторы на электрических схемах, в зависимости от чередования проводимости полупроводников, следующим образом:

Рисунок 2 – Обозначение биполярных транзисторов

На рисунке 1, изображенном выше, отличие между коллектором и эмиттером не видны. Если посмотреть на упрощенное представление транзистора в разрезе, то видно, что площадь p - n перехода коллектора больше чем у эмиттера.

Рисунок 3 – Транзистор в разрезе

База изготовляется из полупроводника со слабой проводимостью, то есть сопротивление материала велико. Обязательное условие – тонкий слой базы для возможности возникновения транзисторного эффекта. Так как площадь контакта p - n перехода у коллектора и эмиттера разные, то менять полярность подключения нельзя. Эта характерность относит транзистор к несимметричным устройствам.

Биполярный транзистор имеет две ВАХ (вольт амперные характеристики): входную и выходную.

Входная ВАХ – это зависимость тока базы (I Б ) от напряжения база-эмиттер (U БЭ ).

Рисунок 4 – Входная вольтамперная характеристика биполярного транзистора

Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора (I К ) от напряжения коллектор-эмиттер (U КЭ ).

Рисунок 5 – Выходная ВАХ транзистора

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на npn типе, для pnp аналогично, только рассматриваются не электроны, а дырки. Транзистор имеет два p-n перехода . В активном режиме работы один из них подключен с прямым смещением, а другой – обратным. Когда переход ЭБ открыт, то электроны с эмиттера легко перемещаются в базу (происходит рекомбинация). Но, как говорилось ранее, слой базы тонкий и проводимость ее мала, по этому часть электронов успевает переместиться к переходу база-коллектор. Электрическое поле помогает преодолеть (усиливает) барьер перехода слоев, так как электроны здесь неосновные носители. При увеличении тока базы, переход эмиттер-база откроется больше и с эмиттера в коллектор сможет проскочить больше электронов. Ток коллектора пропорционален току базы и при малом изменении последнего (управляющий), коллекторный ток значительно меняется. Именно так происходит усиления сигнала в биполярном транзисторе.

Рисунок 6 – Активный режим работы транзистора

Смотря на рисунок можно объяснить принцип действия транзистора чуть проще. Представьте себе, что КЭ – это водопроводная труба, а Б – кран, с помощью которого Вы можете управлять потоком воды. То есть, чем больше ток вы подадите на базу, тем больше получите на выходе.

Значение коллекторного тока почти равно току эмиттера, исключая потери при рекомбинации в базе, которая и образовывает ток базы, таким образом справедлива формула:

І Э =І Б +І К.

Основные параметры транзистора:

Коэффициент усиления по току – отношение действующего значения коллекторного тока к току базы.

Входное сопротивление – следуя закону Ома оно будет равно отношению напряжения эмиттер-база U ЭБ к управляющему току I Б .

Коэффициент усиления напряжения – параметр находится отношением выходного напряжения U ЭК к входному U БЭ .

Частотная характеристика описывает способность работы транзистора до определенной, граничной частоты входного сигнала. После превышения предельной частоты физические процессы в транзисторе не будут успевать происходить и его усилительные способности сведутся на нет.

Схемы включения биполярных транзисторов

Для подключения транзистора нам доступны только его три вывода (электрода). По этому для его нормальной работы требуются два источника питания. Один электрод транзистора будет подключаться к двум источникам одновременно. Следовательно, существуют 3 схемы подключения биполярного транзистора: ОЭ – с общим эмиттером, ОБ – общей базой, ОК – общим коллектором. Каждая обладает как преимуществами, так и недостатками, в зависимости от области применения и требуемых характеристик делают выбор подключения.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) характеризуется наибольшим усилением тока и напряжения, соответственно и мощности. При данном подключении происходит смещение выходного переменного напряжения на 180 электрических градусов относительно входного. Основной недостаток – это низкая частотная характеристика, то есть малое значение граничной частоты, что не дает возможность использовать при высокочастотном входном сигнале.

(ОБ) обеспечивает отличную частотную характеристику. Но не дает такого большого усиления сигнала по напряжению как с ОЭ. А усиление по току не происходит совсем, поэтому данную схему часто называют токовый повторитель, потому что она имеет свойство стабилизации тока.

Схема с общим коллектором (ОК) имеет практически такое же усиление по току как и с ОЭ, а вот усиление по напряжению почти равно 1 (чуть меньше). Смещение напряжения не характерно для данной схемы подключения. Ее еще называю эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе (U ЭБ ) соответствуют входному напряжению.

Применение транзисторов:

Усилительные схемы;

Генераторы сигналов;

Электронные ключи.