Care este diferența dintre tranzistoarele NPN și PNP? Ce este un tranzistor bipolar și cum să-l testăm

Tranzistorul este o componentă omniprezentă și importantă în microelectronica modernă. Scopul său este simplu: vă permite să controlați unul mult mai puternic folosind un semnal slab.

În special, poate fi folosit ca „amortizor” controlat: prin absența unui semnal la „poartă”, blocați fluxul de curent și, prin alimentarea acestuia, permiteți-l. Cu alte cuvinte: acesta este un buton care este apăsat nu cu un deget, ci prin aplicarea tensiunii. Aceasta este cea mai comună aplicație în electronica digitală.

Tranzistoarele sunt disponibile în pachete diferite: același tranzistor poate arăta complet diferit în aspect. În prototipare, cele mai frecvente cazuri sunt:

TO-92 - compact, pentru sarcini ușoare

TO-220AB - disipare masivă, bună a căldurii, pentru sarcini grele

Desemnarea de pe diagrame variază și în funcție de tipul de tranzistor și de standardul de desemnare utilizat în compilare. Dar, indiferent de variație, simbolul său rămâne de recunoscut.

Tranzistoare bipolare

Tranzistoarele cu joncțiune bipolară (BJT, Tranzistoare cu joncțiune bipolară) au trei contacte:

Colector - i se aplică tensiune înaltă, pe care doriți să-l controlați

Baza - o cantitate mică este furnizată prin ea actual a debloca mari; baza este legată la pământ pentru a o bloca

Emițător - curentul curge prin el de la colector și bază atunci când tranzistorul este „deschis”

Caracteristica principală a unui tranzistor bipolar este indicatorul h fe cunoscut și sub numele de câștig. Acesta reflectă de câte ori mai mult curent în secțiunea colector-emițător poate trece tranzistorul în raport cu curentul bază-emițător.

De exemplu, dacă h fe= 100, iar 0,1 mA trece prin bază, apoi tranzistorul va trece prin el însuși maximum 10 mA. Dacă în acest caz există o componentă în secțiunea de curent mare care consumă, de exemplu, 8 mA, aceasta va fi prevăzută cu 8 mA, iar tranzistorul va avea o „rezervă”. Dacă există o componentă care consumă 20 mA, aceasta va fi furnizată numai cu maxim 10 mA.

De asemenea, documentația pentru fiecare tranzistor indică tensiunile și curenții maximi admisi la contacte. Depășirea acestor valori duce la încălzire excesivă și la o durată de viață redusă, iar un exces puternic poate duce la distrugere.

NPN și PNP

Tranzistorul descris mai sus este un așa-numit tranzistor NPN. Se numește așa deoarece este format din trei straturi de siliciu conectate în ordinea: Negativ-Pozitiv-Negativ. Unde negativ este un aliaj de siliciu cu un exces de purtători de sarcină negativă (n-dopată), iar pozitiv este un aliaj cu un exces de purtători de sarcină pozitivă (p-dopată).

NPN-urile sunt mai eficiente și mai comune în industrie.

La desemnarea tranzistorilor PNP, acestea diferă în direcția săgeții. Săgeata indică întotdeauna de la P la N. Tranzistoarele PNP au un comportament „inversat”: curentul nu este blocat atunci când baza este legată la pământ și blocat atunci când curentul trece prin ea.

Tranzistoare cu efect de câmp

Tranzistoarele cu efect de câmp (FET, Field Effect Transistor) au același scop, dar diferă în structura internă. Un tip special de aceste componente sunt tranzistoarele MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Acestea vă permit să operați cu o putere mult mai mare cu aceleași dimensiuni. Și controlul „amortizorului” în sine este efectuat exclusiv folosind tensiune: nu trece curent prin poartă, spre deosebire de tranzistoarele bipolare.

Tranzistoarele cu efect de câmp au trei contacte:

Scurgere - i se aplică tensiune înaltă, pe care doriți să o controlați

Poarta - i se aplica tensiune pentru a permite curentului sa circule; poarta este legată la pământ pentru a bloca curentul.

Sursă - curentul curge prin ea din dren atunci când tranzistorul este „deschis”

Canal N și Canal P

Prin analogie cu tranzistoarele bipolare, tranzistoarele de câmp diferă în polaritate. Tranzistorul N-Canal a fost descris mai sus. Sunt cele mai comune.

Când este desemnat, P-Channel diferă în direcția săgeții și, din nou, are un comportament „inversat”.

Conectarea tranzistoarelor pentru a conduce componente de mare putere

O sarcină tipică a unui microcontroler este să pornească și să oprească o anumită componentă a circuitului. Microcontrolerul în sine are de obicei caracteristici modeste de manipulare a puterii. Deci Arduino, cu ieșire de 5 V pe pin, poate rezista la un curent de 40 mA. Motoarele puternice sau LED-urile ultra-luminoase pot consuma sute de miliamperi. Când conectați direct astfel de sarcini, cipul poate eșua rapid. În plus, pentru funcționarea unor componente, este necesară o tensiune mai mare de 5 V, iar Arduino nu poate produce mai mult de 5 V din pinul de ieșire digitală.

Dar este suficient de ușor să controlezi un tranzistor, care, la rândul său, va controla un curent mare. Să presupunem că trebuie să conectăm o bandă LED lungă care necesită 12 V și consumă 100 mA:

Acum, când ieșirea este setată la una logică (mare), cei 5 V care intră în bază vor deschide tranzistorul și curentul va curge prin bandă - va străluci. Când ieșirea este setată la zero logic (scăzut), baza va fi legată la pământ prin microcontroler și fluxul de curent va fi blocat.

Acordați atenție rezistenței de limitare a curentului R. Este necesar ca atunci când se aplică tensiunea de control, un scurtcircuit să nu se formeze de-a lungul traseului microcontroler - tranzistor - masă. Principalul lucru este să nu depășiți curentul permis prin contactul Arduino de 40 mA, deci trebuie să utilizați un rezistor cu o valoare de cel puțin:

Aici Ud- aceasta este căderea de tensiune pe tranzistorul însuși. Depinde de materialul din care este fabricat și este de obicei 0,3 – 0,6 V.

Dar nu este absolut necesar să mențineți curentul la limita admisă. Este necesar doar ca câștigul tranzistorului să vă permită să controlați curentul necesar. În cazul nostru este de 100 mA. Acceptabil pentru tranzistorul folosit h fe= 100, atunci un curent de control de 1 mA ne va fi suficient

Un rezistor cu o valoare de la 118 Ohm la 4,7 kOhm este potrivit pentru noi. Pentru o funcționare stabilă pe o parte și o sarcină ușoară pe cip pe cealaltă, 2,2 kOhm este o alegere bună.

Dacă utilizați un tranzistor cu efect de câmp în loc de un tranzistor bipolar, puteți face fără un rezistor:

Acest lucru se datorează faptului că poarta din astfel de tranzistoare este controlată exclusiv de tensiune: nu există curent în secțiunea microcontroler - poartă - sursă. Și datorită caracteristicilor sale ridicate, un circuit care utilizează MOSFET vă permite să controlați componente foarte puternice.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Primele tranzistoare au fost fabricate din germaniu. În prezent, sunt fabricate în principal din siliciu și arseniură de galiu. Ultimii tranzistori sunt utilizați în circuitele amplificatoare de înaltă frecvență. Un tranzistor bipolar este format din trei regiuni semiconductoare dopate diferit: emițătorul E, baze Bși colecționar C. În funcție de tipul de conductivitate al acestor zone, se disting tranzistoarele NPN (emițător - n-semiconductor, bază - p-semiconductor, colector - n-semiconductor) și PNP. Contactele conductoare sunt conectate la fiecare dintre zone. Baza este situată între emițător și colector și este realizată dintr-un semiconductor ușor dopat cu rezistență ridicată. Suprafața totală de contact bază-emițător este semnificativ mai mică decât zona de contact colector-bază (acest lucru se face din două motive - suprafața mare a joncțiunii colector-bază crește probabilitatea ca purtătorii de sarcină minoritari să fie extrași în colector și deoarece în modul de funcționare joncțiunea colector-bază este de obicei pornită în polarizare inversă, ceea ce crește generarea de căldură și promovează îndepărtarea căldurii din colector), prin urmare, un tranzistor bipolar general este un dispozitiv asimetric (este imposibil să schimbați emițătorul și colectorul prin schimbând polaritatea conexiunii și rezultând un tranzistor bipolar absolut similar cu cel original).

În modul de funcționare activ, tranzistorul este pornit astfel încât joncțiunea emițătorului este polarizată în direcția înainte (deschisă), iar joncțiunea colectorului este polarizat în direcția opusă (închisă). Pentru certitudine, să luăm în considerare npn tranzistor, toate raționamentele se repetă în mod absolut similar pentru acest caz pnp tranzistor, înlocuind cuvântul „electroni” cu „găuri” și invers, precum și înlocuirea tuturor tensiunilor cu semne opuse. ÎN npnÎntr-un tranzistor, electronii, principalii purtători de curent din emițător, trec prin joncțiunea deschisă emițător-bază (injectată) în regiunea de bază. Unii dintre acești electroni se recombină cu cei mai mulți purtători de sarcină din bază (găuri). Cu toate acestea, deoarece baza este foarte subțire și relativ ușor dopată, majoritatea electronilor injectați din emițător difuzează în regiunea colectorului. Câmpul electric puternic al joncțiunii colectorului cu polarizare inversă captează electroni și îi transportă în colector. Curentul colectorului este astfel practic egal cu curentul emițătorului, cu excepția unei mici pierderi de recombinare în bază, care formează curentul de bază (I e = I b + I k). Coeficientul α care leagă curentul emițătorului și curentul colectorului (I k = α I e) se numește coeficient de transfer al curentului emițătorului. Valoarea numerică a coeficientului α este 0,9 - 0,999. Cu cât coeficientul este mai mare, cu atât tranzistorul transmite curentul mai eficient. Acest coeficient depinde puțin de tensiunile colector-bază și bază-emițător. Prin urmare, pe o gamă largă de tensiuni de funcționare, curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază, coeficientul de proporționalitate este egal cu β = α / (1 − α) = (10..1000). Astfel, variind un curent de bază mic, poate fi controlat un curent de colector mult mai mare.

Moduri de funcționare ale unui tranzistor bipolar

Mod activ normal

Joncțiunea emițător-bază este conectată în direcția înainte (deschisă), iar joncțiunea colector-bază este în direcția inversă (închisă)
U EB >0;U KB<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

Modul activ invers

Joncțiunea emițătorului are o conexiune inversă, iar joncțiunea colectorului are o conexiune directă.

Modul de saturație

Ambele joncțiuni pn sunt polarizate înainte (ambele deschise). Dacă joncțiunile emițătorului și colectorului p-n sunt conectate la surse externe în direcția înainte, tranzistorul va fi în modul de saturație. Câmpul electric de difuzie al joncțiunilor emițătorului și colectorului va fi parțial slăbit de câmpul electric creat de sursele externe Ueb și Ukb. Ca urmare, bariera de potențial care a limitat difuzia purtătorilor principali de sarcină va scădea și va începe pătrunderea (injecția) găurilor de la emițător și colector în bază, adică curenți numiți curenți de saturație ai emițătorului (IE. .sat) şi colectorul (IK) vor curge prin emiţătorul şi colectorul tranzistorului. us).

Modul de întrerupere

În acest mod, ambele joncțiuni p-n ale dispozitivului sunt polarizate în direcția opusă (ambele sunt închise). Modul de tăiere al tranzistorului se obține atunci când joncțiunile p-n emițător și colector sunt conectate la surse externe în sens opus. În acest caz, curenți inversați foarte mici ai emițătorului (IEBO) și colectorului (ICBO) curg prin ambele joncțiuni p-n. Curentul de bază este egal cu suma acestor curenți și, în funcție de tipul de tranzistor, variază de la unități de microamperi - µA (pentru tranzistoarele cu siliciu) la unități de miliamperi - mA (pentru tranzistoarele cu germaniu).

Modul barieră

În acest mod baza tranzistorul pentru curent continuu este conectat în scurtcircuit sau printr-un mic rezistor cu acesta colector, si in colector sau în emițător Circuitul tranzistorului este pornit de un rezistor care stabilește curentul prin tranzistor. În acest sens, tranzistorul este un fel de diodă conectată în serie cu un rezistor de setare a curentului. Astfel de circuite în cascadă se disting printr-un număr mic de componente, o izolație bună de înaltă frecvență, un interval mare de temperatură de funcționare și insensibilitate la parametrii tranzistorului.

Scheme de conectare

Orice circuit de conectare a tranzistorului este caracterizat de doi indicatori principali:

• Câștig curent I out / I in.
• Rezistența de intrare Rin =Uin /Iin

Schema de conectare cu o bază comună

Amplificator de bază comun.

• Dintre toate cele trei configurații, are cea mai mică impedanță de intrare și cea mai mare impedanță de ieșire. Are un câștig de curent apropiat de unitate și un câștig mare de tensiune. Faza semnalului nu este inversată.
• Câștig curent: I out /I in =I la /I e =α [α<1]
• Rezistența de intrare R în =U în /I în =U fie /I e.

Rezistența de intrare pentru un circuit cu o bază comună este mică și nu depășește 100 ohmi pentru tranzistoarele de putere mică, deoarece circuitul de intrare al tranzistorului este o joncțiune emițător deschisă a tranzistorului.

Avantaje:

• Proprietăți bune de temperatură și frecvență.
• Tensiune ridicată admisă

Dezavantajele unei scheme de bază comune:

• Câștig de curent scăzut deoarece α< 1
• Impedanță de intrare scăzută
• Două surse de tensiune diferite pentru alimentare.

Circuit de conectare cu emițător comun

• Câștig de curent: I out /I in =I to /I b =I to /(I e -I to) = α/(1-α) = β [β>>1]
• Rezistenta de intrare: R in =U in /I in =U fi /I b

Avantaje:

• Câștig mare de curent
• Câștig de înaltă tensiune
• Cel mai mare câștig de putere
• Te poți descurca cu o singură sursă de alimentare
• Tensiunea AC de ieșire este inversată față de intrare.

Defecte:

• Proprietăți de temperatură și frecvență mai proaste în comparație cu un circuit de bază comun

Circuit colector comun

• Câștig de curent: I out /I in =I e /I b =I e /(I e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Rezistenta de intrare: R in = U in / I in = (U b e + U k e) / I b

Avantaje:

• Impedanță mare de intrare
• Impedanță scăzută de ieșire

Defecte:

• Câștigul de tensiune este mai mic de 1.

Un circuit cu această conexiune se numește „emitter follower”

Setări principale

• Coeficientul de transfer curent
• Impedanta de intrare
• Conductivitate la ieșire
• Colector-emițător de curent invers
• La timp
• Frecvența limită a coeficientului de transfer al curentului de bază
• Curent invers al colectorului
• Curent maxim admisibil
• Frecvența de tăiere a coeficientului de transfer de curent într-un circuit cu un emițător comun

Parametrii tranzistorului sunt împărțiți în intrinseci (primari) și secundari. Parametrii intrinseci caracterizează proprietățile tranzistorului, indiferent de circuitul său de conectare. Următorii sunt luați ca principali parametri proprii:

• câștig de curent α;
• rezistența emițătorului, colectorului și bazei la curentul alternativ r e, r k, r b, care sunt:
  • r e - suma rezistentelor regiunii emitatorului si jonctiunii emitatorului;
  • r k - suma rezistențelor zonei colectorului și joncțiunii colectorului;
  • r b - rezistența transversală a bazei.

Circuit echivalent al unui tranzistor bipolar folosind parametrii h

Parametrii secundari sunt diferiți pentru diferite circuite de comutare a tranzistorului și, datorită neliniarității sale, sunt validi numai pentru frecvențe joase și amplitudini mici ale semnalului. Pentru parametrii secundari, au fost propuse mai multe sisteme de parametri și circuitele lor echivalente corespunzătoare. Principalii sunt parametri mixți (hibrizi), notați cu litera „h”.

Impedanta de intrare- rezistența tranzistorului la curentul alternativ de intrare în timpul unui scurtcircuit la ieșire. Modificarea curentului de intrare este rezultatul unei modificări a tensiunii de intrare, fără influența feedback-ului de la tensiunea de ieșire.

H 11 = U m1 /I m1 la U m2 = 0.

Factor de feedback de tensiune arată ce proporție din tensiunea alternativă de ieșire este transferată la intrarea tranzistorului datorită feedback-ului din acesta. Nu există curent alternativ în circuitul de intrare al tranzistorului, iar o modificare a tensiunii de intrare are loc numai ca urmare a unei modificări a tensiunii de ieșire.

H 12 = U m1 /U m2 la I m1 = 0.

Coeficientul de transfer curent(câștig de curent) arată câștigul de curent alternativ la rezistența de sarcină zero. Curentul de ieșire depinde numai de curentul de intrare fără influența tensiunii de ieșire.

H 21 = I m2 /I m1 la U m2 = 0.

Conductivitate la ieșire- conductivitate internă pentru curent alternativ între bornele de ieșire. Curentul de ieșire se modifică sub influența tensiunii de ieșire.

H 22 = I m2 /U m2 la I m1 = 0.

Relația dintre curenții alternativi și tensiunile tranzistorului este exprimată prin ecuațiile:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ;
I m2 = h 21 I m1 + h 22 U m2.

În funcție de circuitul de conectare a tranzistorului, la indicii digitali ai parametrilor h se adaugă litere: „e” - pentru circuitul OE, „b” - pentru circuitul OB, „k” - pentru circuitul OK.

Pentru circuitul OE: I m1 = I mb, I m2 = I mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. De exemplu, pentru această schemă:

H 21e = I mк /I mb = β.

Pentru circuitul OB: I m1 = I mе, I m2 = I mк, U m1 = U mе-b, U m2 = U mк-b.

Parametrii proprii ai tranzistorului sunt legați de parametrii h, de exemplu pentru un circuit OE:

Odată cu creșterea frecvenței, capacitatea joncțiunii colectorului C k începe să aibă un efect dăunător asupra funcționării tranzistorului.Rezistența capacității scade, curentul prin rezistența de sarcină și, în consecință, factorii de câștig α și β scade. Rezistența capacității de joncțiune a emițătorului C e scade și ea, cu toate acestea, este derivată de o rezistență mică de joncțiune r e și în majoritatea cazurilor poate să nu fie luată în considerare. În plus, odată cu creșterea frecvenței, apare o scădere suplimentară a coeficientului β ca urmare a unei întârzieri a fazei curentului colector față de faza curentului emițătorului, care este cauzată de inerția procesului de mișcare a purtătorilor prin baza de la joncțiunea emițătorului la colector și inerția proceselor de acumulare și resorbție a sarcinii în bază. Se numesc frecvențele la care coeficienții α și β scad cu 3 dB frecvențele limită ale coeficientului de transfer de curent pentru schemele OB și, respectiv, OE.

În modul de impuls, impulsul de curent al colectorului începe cu o întârziere cu un timp de întârziere τ з în raport cu impulsul de curent de intrare, care este cauzat de timpul finit de călătorie a purtătorilor prin bază. Pe măsură ce purtătorii se acumulează în bază, curentul colectorului crește în timpul de creștere τ f. La timp tranzistorul se numește τ pe = τ h + τ f.

Tehnologia de fabricare a tranzistorilor

• Epitaxial-planar
• Splavnaya
  • Difuzia
  • Aliaj de difuzie

Aplicarea tranzistoarelor

• Demodulator (Detector)
• Invertor (element logic)
• Microcircuite bazate pe logica tranzistorului (vezi logica tranzistor-tranzistor, logica diodă-tranzistor, logica rezistor-tranzistor)

Vezi si

Literatură

Note

În acest articol vom încerca să descriem Principiul de funcționare Cel mai comun tip de tranzistor este bipolar. Tranzistor bipolar este unul dintre principalele elemente active ale dispozitivelor radio-electronice. Scopul său este de a lucra pentru a amplifica puterea semnalului electric care ajunge la intrarea acestuia. Amplificarea puterii se realizează folosind o sursă de energie externă. Un tranzistor este o componentă radio-electronică cu trei terminale

Caracteristica de proiectare a unui tranzistor bipolar

Pentru a produce un tranzistor bipolar, aveți nevoie de un semiconductor de tip orificiu sau conductivitate electronică, care se obține prin difuzie sau aliere cu impurități acceptoare. Ca urmare, se formează regiuni cu conductivități polare pe ambele părți ale bazei.

Tranzistoarele bipolare sunt de două tipuri bazate pe conductivitate: n-p-n și p-n-p. Regulile de funcționare care guvernează un tranzistor bipolar cu conductivitate n-p-n (pentru p-n-p este necesară modificarea polarității tensiunii aplicate):

1. Potențialul pozitiv la colector este mai important în comparație cu emițător.
2. Orice tranzistor are propriii parametri maximi admisibili Ib, Ik și Uke, depășirea cărora este în principiu inacceptabilă, deoarece acest lucru poate duce la distrugerea semiconductorului.
3. Terminalele de bază-emițător și de bază-colector funcționează ca diode. De regulă, dioda în direcția bază-emițător este deschisă, iar în direcția bază-colector este polarizată în direcția opusă, adică tensiunea de intrare interferează cu fluxul de curent electric prin ea.
4. Dacă pașii de la 1 la 3 sunt finalizați, atunci curentul Ik este direct proporțional cu curentul Ib și are forma: Ik = he21*Ib, unde he21 este câștigul de curent. Această regulă caracterizează calitatea principală a tranzistorului, și anume că curentul de bază scăzut controlează curentul puternic al colectorului.

Pentru diferite tranzistoare bipolare din aceeași serie, indicatorul he21 poate varia în mod fundamental de la 50 la 250. Valoarea sa depinde și de curentul care curge colectorul, tensiunea dintre emițător și colector și de temperatura ambiantă.

Să studiem regula nr. 3. Rezultă de aici că tensiunea aplicată între emițător și bază nu trebuie crescută semnificativ, deoarece dacă tensiunea de bază este cu 0,6...0,8 V mai mare decât emițător (tensiunea directă a diodei), atunci un curent extrem de mare va apărea. Astfel, într-un tranzistor de lucru, tensiunile de la emițător și bază sunt interconectate după formula: Ub = Ue + 0,6V (Ub = Ue + Ube)

Să vă reamintim încă o dată că toate aceste puncte se aplică tranzistoarelor cu conductivitate n-p-n. Pentru tipul p-n-p totul ar trebui inversat.

De asemenea, ar trebui să acordați atenție faptului că curentul colectorului nu are nicio legătură cu conductivitatea diodei, deoarece, de regulă, tensiunea inversă este furnizată diodei de bază a colectorului. În plus, curentul care trece prin colector depinde foarte puțin de potențialul de pe colector (această diodă este similară cu o sursă mică de curent)

Când tranzistorul este pornit în modul de amplificare, joncțiunea emițătorului este deschisă și joncțiunea colectorului este închisă. Acest lucru se realizează prin conectarea surselor de alimentare.

Deoarece joncțiunea emițătorului este deschisă, curentul emițătorului va trece prin ea, rezultând din cauza tranziției găurilor de la bază la emițător, precum și a electronilor de la emițător la bază. Astfel, curentul emițătorului conține două componente - gaură și electron. Raportul de injecție determină eficiența emițătorului. Injecția de taxe este transferul purtătorilor de taxe din zona în care erau majoritari în zona în care devin minoritari.

În bază, electronii se recombină, iar concentrația lor în bază este completată din plusul sursei EE. Ca rezultat, un curent destul de slab va curge în circuitul electric de bază. Electronii rămași care nu au avut timp să se recombine în bază, sub influența acceleratoare a câmpului joncțiunii colectorului blocat, ca purtători minoritari, se vor muta în colector, creând un curent de colector. Transferul purtătorilor de sarcină din zona în care erau minoritari în zona în care devin majoritari se numește extragerea sarcinilor electrice.

tranzistor

Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor care vă permite să controlați un semnal mai puternic folosind un semnal slab. Din cauza acestei proprietăți, ei vorbesc adesea despre capacitatea unui tranzistor de a amplifica un semnal. Deși, de fapt, nu îmbunătățește nimic, ci pur și simplu vă permite să porniți și să opriți un curent mare cu curenți mult mai slabi. Tranzistorii sunt foarte des întâlniți în electronică, deoarece ieșirea oricărui controler poate produce rareori un curent mai mare de 40 mA, prin urmare, nici 2-3 LED-uri de putere redusă nu pot fi alimentate direct de la microcontroler. Aici tranzistorii vin în ajutor. Articolul discută principalele tipuri de tranzistoare, diferențele dintre tranzistoarele bipolare P-N-P și N-P-N, tranzistoarele cu efect de câmp cu canal P și N-canal, discută principalele subtilități ale conectării tranzistorilor și dezvăluie domeniul de aplicare al acestora.

Nu confundați un tranzistor cu un releu. Un releu este un simplu comutator. Esența muncii sale este de a închide și deschide contactele metalice. Tranzistorul este mai complex și funcționarea sa se bazează pe o tranziție electron-gaură. Dacă sunteți interesat să aflați mai multe despre acest lucru, puteți viziona un videoclip excelent care descrie funcționarea unui tranzistor de la simplu la complex. Nu vă confundați cu anul în care a fost produs videoclipul - legile fizicii nu s-au schimbat de atunci și un videoclip mai nou care prezintă materialul atât de bine nu a putut fi găsit:

Tipuri de tranzistoare

Tranzistor bipolar

Tranzistorul bipolar este proiectat pentru a controla sarcini slabe (de exemplu, motoare și servo-uri de putere redusă). Are întotdeauna trei ieșiri:

Colector - este furnizată tensiune înaltă, pe care o controlează tranzistorul

• Baza - curentul este furnizat sau oprit pentru a deschide sau a închide tranzistorul

Emitter (emițător în engleză) - ieșire „ieșire” a unui tranzistor. Curentul curge prin el de la colector și bază.

Tranzistorul bipolar este controlat de curent. Cu cât este mai mult curent furnizat bazei, cu atât mai mult curent va curge de la colector la emițător. Raportul dintre curentul care trece de la emițător la colector și curentul de la baza tranzistorului se numește câștig. Notat ca h fe (în literatura engleză se numește câștig).

De exemplu, dacă h fe= 150, iar 0,2 mA trece prin bază, apoi tranzistorul va trece maxim 30 mA prin el însuși. Dacă o componentă care consumă 25 mA (cum ar fi un LED) este conectată, i se va furniza 25 mA. Dacă este conectată o componentă care consumă 150 mA, aceasta va fi furnizată numai cu maxim 30 mA. Documentația pentru contact indică valorile maxime admise ale curenților și tensiunilor baza-> emițător Și colector -> emițător . Depășirea acestor valori duce la supraîncălzirea și defectarea tranzistorului.

Poze amuzante:

Tranzistoare bipolare NPN și PNP

Există 2 tipuri de tranzistoare polare: NPNȘi PNP. Ele diferă prin alternanța straturilor. N (din negativ) este un strat cu un exces de purtători de sarcină negativă (electroni), P (din pozitiv) este un strat cu un exces de purtători de sarcină pozitivă (găuri). Mai multe informații despre electroni și găuri sunt descrise în videoclipul de mai sus.

Comportarea tranzistoarelor depinde de alternanța straturilor. Animația de mai sus arată NPN tranzistor. ÎN PNP Controlul tranzistorului este invers - curentul trece prin tranzistor atunci când baza este împământat și este blocat atunci când curentul trece prin bază. După cum se arată în diagramă PNPȘi NPN diferă în direcția săgeții. Săgeata indică întotdeauna tranziția de la N La P:

Desemnarea tranzistoarelor NPN (stânga) și PNP (dreapta) în diagramă

Tranzistoarele NPN sunt mai frecvente în electronică deoarece sunt mai eficienți.

Tranzistor cu efect de câmp

Tranzistoarele cu efect de câmp diferă de tranzistoarele bipolare prin structura lor internă. Tranzistoarele MOS sunt cele mai comune în electronica amatoare. MOS este un acronim pentru metal-oxide-conductor. Același în engleză: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Tranzistor, prescurtat ca MOSFET. Tranzistoarele MOS vă permit să controlați puteri mari cu dimensiuni relativ mici ale tranzistorului în sine. Tranzistorul este controlat de tensiune, nu de curent. Deoarece tranzistorul este controlat de electric camp, tranzistorul și-a primit numele - camp urla.

Tranzistoarele cu efect de câmp au cel puțin 3 terminale:

Scurgere - i se aplică tensiune înaltă, pe care doriți să o controlați

Poartă - i se aplică tensiune pentru a controla tranzistorul

Sursă - curentul curge prin ea din dren atunci când tranzistorul este „deschis”

Ar trebui să existe o animație cu un tranzistor cu efect de câmp, dar nu va diferi în niciun fel de un tranzistor bipolar, cu excepția afișării schematice a tranzistorilor înșiși, deci nu va exista animație.

Tranzistoare cu efect de câmp cu canal N și canal P

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt, de asemenea, împărțite în 2 tipuri, în funcție de dispozitiv și de comportament. canal N(Canalul N) se deschide când se aplică tensiune pe poartă și se închide. când nu există tensiune. Canalul P(Canalul P) funcționează invers: în timp ce nu există tensiune la poartă, curentul trece prin tranzistor. Când se aplică tensiune pe poartă, curentul se oprește. În diagramă, tranzistorii cu efect de câmp sunt reprezentați ușor diferit:

Prin analogie cu tranzistoarele bipolare, tranzistoarele de câmp diferă în polaritate. Tranzistorul N-Canal a fost descris mai sus. Sunt cele mai comune.

Când este desemnat, P-Channel diferă în direcția săgeții și, din nou, are un comportament „inversat”.

Există o concepție greșită că un tranzistor cu efect de câmp poate controla curentul alternativ. Este gresit. Pentru a controla curentul alternativ, utilizați un releu.

tranzistor Darlington

Nu este în întregime corect să clasificăm tranzistorul Darlington ca un tip separat de tranzistor. Cu toate acestea, este imposibil să nu le menționăm în acest articol. Tranzistorul Darlington se găsește cel mai adesea sub forma unui microcircuit care include mai mulți tranzistori. De exemplu, ULN2003. Tranzistorul Darlington se caracterizează prin capacitatea de a deschide și închide rapid (și, prin urmare, vă permite să lucrați cu) și, în același timp, să reziste la curenți mari. Este un tip de tranzistor compus și este o conexiune în cascadă a două sau, rar, mai multe tranzistoare conectate în așa fel încât sarcina din emițătorul etapei precedente să fie joncțiunea bază-emițător a tranzistorului etapei următoare, că este, tranzistoarele sunt conectate prin colectoare, iar emițătorul tranzistorului de intrare este conectat la ziua de bază liberă. În plus, sarcina rezistivă a emițătorului tranzistorului anterior poate fi utilizată ca parte a circuitului pentru a accelera închiderea. O astfel de conexiune în ansamblu este considerată ca un singur tranzistor, al cărui câștig de curent, atunci când tranzistoarele funcționează în modul activ, este aproximativ egal cu produsul câștigurilor tuturor tranzistorilor.

Conexiune tranzistor

Nu este un secret pentru nimeni că placa Arduino este capabilă să furnizeze o tensiune de 5 V la ieșire cu un curent maxim de până la 40 mA. Acest curent nu este suficient pentru a conecta o sarcină puternică. De exemplu, dacă încercați să conectați o bandă LED sau un motor direct la ieșire, aveți garanția că veți deteriora ieșirea Arduino. Este posibil ca toată placa să eșueze. În plus, unele componente conectate pot necesita mai mult de 5 V pentru a funcționa. Tranzistorul rezolvă ambele probleme. Va ajuta, folosind un curent mic de la pinul Arduino, să controlați un curent puternic de la o sursă de alimentare separată sau folosind o tensiune de 5 V pentru a controla o tensiune mai mare (chiar și cele mai slabe tranzistoare au rareori o tensiune maximă sub 50 V) . De exemplu, luați în considerare conectarea unui motor:

În diagrama de mai sus, motorul este conectat la o sursă de alimentare separată. Între contactul motorului și sursa de alimentare pentru motor, am plasat un tranzistor, care va fi controlat folosind orice pin digital Arduino. Când aplicăm un semnal HIGH la ieșirea controlerului de la ieșirea controlerului, vom lua un curent foarte mic pentru a deschide tranzistorul, iar un curent mare va curge prin tranzistor și nu va deteriora controlerul. Acordați atenție rezistenței instalate între pinul Arduino și baza tranzistorului. Este necesar să se limiteze curentul care circulă de-a lungul traseului microcontroler - tranzistor - masă și să se prevină scurtcircuite. După cum am menționat mai devreme, curentul maxim care poate fi extras din pinul Arduino este de 40 mA. Prin urmare, vom avea nevoie de un rezistor de cel puțin 125 Ohm (5V/0.04A=125 Ohm). Puteți utiliza în siguranță un rezistor de 220 ohmi. De fapt, rezistorul trebuie selectat ținând cont de curentul care trebuie furnizat bazei pentru a obține curentul necesar prin tranzistor. Pentru a selecta rezistorul corect, trebuie să țineți cont de factorul de câștig ( h fe).

IMPORTANT!! Dacă conectați o sarcină puternică de la o sursă de alimentare separată, atunci trebuie să conectați fizic masa („minus”) a sursei de alimentare și masa (pinul „GND”) Arduino. În caz contrar, nu veți putea controla tranzistorul.

Când utilizați un tranzistor cu efect de câmp, nu este necesar un rezistor de limitare a curentului pe poartă. Tranzistorul este controlat exclusiv de tensiune și nu trece curent prin poartă.

Electronicele ne înconjoară peste tot. Dar aproape nimeni nu se gândește la cum funcționează toată treaba asta. De fapt, este destul de simplu. Este exact ceea ce vom încerca să arătăm astăzi. Să începem cu un element atât de important ca tranzistorul. Vă vom spune ce este, ce face și cum funcționează tranzistorul.

Ce este un tranzistor?

tranzistor– un dispozitiv semiconductor conceput pentru a controla curentul electric.

Unde se folosesc tranzistoarele? Da peste tot! Aproape niciun circuit electric modern nu poate face fără tranzistori. Sunt utilizate pe scară largă în producția de echipamente informatice, echipamente audio și video.

Vreme când Microcircuitele sovietice erau cele mai mari din lume, au trecut, iar dimensiunea tranzistoarelor moderne este foarte mică. Astfel, cele mai mici dispozitive sunt de ordinul unui nanometru!

Consolă nano- denotă o valoare de ordinul a zece până la minus a noua putere.

Cu toate acestea, există și exemplare gigantice care sunt folosite în primul rând în domeniile energiei și industriei.

Există diferite tipuri de tranzistoare: bipolare și polare, conducție directă și inversă. Cu toate acestea, funcționarea acestor dispozitive se bazează pe același principiu. Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor. După cum se știe, într-un semiconductor purtătorii de sarcină sunt electroni sau găuri.

Regiunea cu electroni în exces este indicată prin literă n(negativ), iar regiunea cu conductivitatea orificiilor este p(pozitiv).

Cum funcționează un tranzistor?

Pentru a face totul foarte clar, să ne uităm la lucru tranzistor bipolar (cel mai popular tip).

(denumit în continuare pur și simplu tranzistor) este un cristal semiconductor (cel mai des folosit siliciu sau germaniu), împărțit în trei zone cu conductivități electrice diferite. Zonele sunt denumite în consecință colector, bazaȘi emițător. Dispozitivul tranzistorului și reprezentarea sa schematică sunt prezentate în figura de mai jos

Tranzistori de conducție înainte și invers. Tranzistoarele P-n-p se numesc tranzistori cu conducție directă, iar tranzistoarele n-p-n se numesc tranzistori cu conducție inversă.

Acum să vorbim despre cele două moduri de funcționare ale tranzistoarelor. Funcționarea tranzistorului în sine este similară cu funcționarea unui robinet sau supapă de apă. Doar în loc de apă există curent electric. Există două stări posibile ale tranzistorului - funcționare (tranzistor deschis) și stare de repaus (tranzistor închis).

Ce înseamnă? Când tranzistorul este oprit, nu trece curent prin el. În starea deschisă, când un curent de control mic este aplicat la bază, tranzistorul se deschide și un curent mare începe să curgă prin emițător-colector.

Procese fizice într-un tranzistor

Și acum mai multe despre de ce totul se întâmplă astfel, adică de ce se deschide și se închide tranzistorul. Să luăm un tranzistor bipolar. Lăsați-l să fie n-p-n tranzistor.

Dacă conectați o sursă de alimentare între colector și emițător, electronii colectorului vor începe să fie atrași de pozitiv, dar nu va exista curent între colector și emițător. Acest lucru este împiedicat de stratul de bază și de stratul emițător însuși.

Dacă conectați o sursă suplimentară între bază și emițător, electronii din regiunea n a emițătorului vor începe să pătrundă în regiunea de bază. Ca urmare, zona bazei va fi îmbogățită cu electroni liberi, dintre care unii se vor recombina cu găuri, unii vor curge către plusul bazei, iar unii (majoritatea) vor merge la colector.

Astfel, tranzistorul se dovedește a fi deschis, iar curentul emițător-colector curge în el. Dacă tensiunea de bază este crescută, va crește și curentul colector-emițător. Mai mult, cu o mică modificare a tensiunii de control, se observă o creștere semnificativă a curentului prin colector-emițător. Pe acest efect se bazează funcționarea tranzistorilor în amplificatoare.

Aceasta, pe scurt, este esența modului în care funcționează tranzistoarele. Trebuie să calculați un amplificator de putere folosind tranzistori bipolari peste noapte sau să faceți lucrări de laborator pentru a studia funcționarea unui tranzistor? Aceasta nu este o problemă nici măcar pentru un începător dacă apelați la ajutorul specialiștilor noștri de servicii pentru studenți.

Nu ezitați să căutați ajutor profesional în chestiuni importante, cum ar fi studiul! Și acum că aveți deja o idee despre tranzistori, vă sugerăm să vă relaxați și să urmăriți videoclipul de la Korn „Twisted transistor”! De exemplu, decideți să contactați Studentul prin corespondență.