Биполярный транзистор это простыми словами

Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Биполярные транзисторы являются крайне популярными полупроводниковыми компонентами, задача которых заключается в увеличении мощности электрического сигнала. Мало кому известно, но БТ изначально были сделаны как альтернатива электровакуумных триодов. Спустя года, БТ вытеснили триоды из их сферы применения.

Почему полупроводник “биполярный”?

Дело в том, что такое название полупроводник получил из-за того, что в физических процессах, которые протекают во время его работы, участвуют все типы носителей заряда — дырки и электроны. Благодаря этому процессу, мы можем увидеть прямое влияние на принцип управления выходными сигналами. Стоит заметить, что именно ток управляет выходными параметрами БТ, в то время, как в полевых транзисторах управляет электрическое поле.

Преимущества и особенности

Важнейшим преимуществом биполярных транзисторов является их миниатюрность. Далеко не каждый полупроводниковый компонент способен похвастаться миниатюрностью. Примечательно то, что электровакуумные усилители со схожими параметрами будут в разы больше БТ.

Благодаря такому преимуществу, биполярные транзисторы позволили существенно уменьшить габариты конечной радиотехнической продукции. На сегодняшний день, стоимость БТ достаточно бюджетная. Выгодно купить биполярный транзистор можно по ссылке https://electronoff.ua/tranzistory-bipolyarnye. В данном магазине вам могут приглянуться не только биполярные транзисторы, но и другие полупроводниковые компоненты по доступным ценам, а быстрая доставка по всей Украине вас несомненно порадуют!

Принцип работы

Начнем с того, что полупроводниковый компонент, он же биполярный транзистор (БТ) состоит из 3-х компонентов — базы, эмиттера и коллектора. Как только коллектор и эмиттер подключаются к питанию, создаются практически все необходимые условия для правильного протекания тока. Но, несмотря на такие хорошие условия, база все еще не дает перемещаться носителям заряда. Для решения данного вопроса, подается напряжение смещения. После подобных манипуляций, в базовом слое БТ начинают появляться физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации. К слову, полевой транзистор https://electronoff.ua/tranzistory-polevye имеет немного другой принцип работы.

Благодаря таким процессам, мы наблюдаем следующую картинку — небольшой ток начинает течь в базу. По итогу, как только все эти процессы завершились, переходы p-n открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Биполярные транзисторы. Принцип работы и применение

В кратком обзоре мы попытались, насколько это было возможно, описать принцип действия биполярных транзисторов и привести примеры их применения. Разумеется, мы не сможем заменить этой статьей тысячи страниц, посвященные данной теме, но надеемся, что и приведенные нами сведения окажутся полезными читателю.

Введение

Датой создания биполярного транзистора считается 23 декабря 1947 г. В этот день транзистор был анонсирован в лаборатории Bell Telephone Laboratories компании American Telephone and Telegraph. Несмотря на то, что исследования велись уже более двух лет, появлению на свет транзистор обязан курьезу. 16 декабря 1947 г. инженер лаборатории Уолтер Браттейн ошибся с полярностью подаваемого на кристалл напряжения и неожиданно получил устойчивый эффект усиления сигнала.

В данном обзоре мы не будем углубляться в физические основы полупроводниковой электроники и сосредоточимся на принципах работы биполярных транзисторов и их использовании в практических схемах. Однако прежде чем переходить к описанию характеристик биполярных транзисторов и их применению в схемотехнике, необходимо вкратце рассмотреть основные понятия теории полупроводников. Для простоты изложения под полупроводником будем подразумевать кремний.

Краткие теоретические сведения

Напомним, что электроны в атоме располагаются только на разрешенных орбитах. Чем ближе орбита к ядру атома, тем сильнее связь электрона с ядром и тем больше энергии требуется, чтобы отделить электрон от атома. Можно сказать, что электроны находятся на разных энергетических уровнях.

Валентный уровень является самым верхним энергетическим уровнем. У многих атомов он заполнен не полностью, поэтому внешний электрон может быть захвачен атомом на этом уровне. Ниже расположена зона проводимости, в которой могут двигаться свободные электроны.

У проводников зона проводимости совпадает с валентной зоной, поэтому электроны в проводниках могут свободно перемещаться. В полупроводниках для перемещения из зоны проводимости в валентную зону электрону требуется придать лишь небольшую дополнительную энергию и электроны могут перемещаться в валентную зону за счет теплового движения. У диэлектриков разница энергий велика, и требуется значительное воздействие внешнего поля для перемещения электронов,в результате чего наступает пробой диэлектрика.

Для создания биполярного транзистора или диода требуется наличие полупроводников двух типов: n-типа и p-типа. Их получают с помощью легирования 4-валентного кремния полупроводниками с разной валентностью. Для получения n-типа используется примесь 5-валентного полупроводника. В этом случае примесь образует 4 связи с кремнием, а 5-й валентный электрон остается свободным и может покинуть валентную зону. Поэтому электрон является основным носителем заряда в полупроводнике n-типа, а 5-валентную примесь называют донором.

Получение кремния p-типа достигается за счет введения 3-валентного полупроводника, называемого акцептором. Он образует 3 связи с кремнием, а свободным остается 4-й электрон атома кремния, который может быть удален из валентной зоны, например при повышении температуры или воздействия внешнего электрического поля. Атом кремния с незаполненной валентной зоной имеет положительный заряд, его называют дыркой.

Атом кремния, в отличие от электрона, не может свободно перемещаться, поэтому когда ниже мы будем говорить о движении дырки, надо понимать, что это всего лишь удобная абстракция для описания. Впечатление о движении дырок создается из-за покидающих атомы кремния электронов, при этом кажется, что перемещаются положительно заряженные дырки, которые являются основным носителем заряда в полупроводнике p-типа.

Если соединить полупроводники n-типа и p-типа, начнется диффузия носителей (диффузионный ток). Электроны будут перемещаться в p-область, а дырки – в n-область ( рис. 1а ). Частично носители будут рекомбинировать, что приведет к уменьшению подвижных носителей заряда, а частично — расположатся в узкой области, которая называется p-n-переходом ( рис. 1б ).

Рис. 1. Процесс формирования p-n-перехода. Закрашенные кружки – электроны, незакрашенные – дырки

В области p-n-перехода возникает электрическое поле, препятствующее диффузии носителей, образуется потенциальный барьер ( рис. 1в ), для преодоления которого основным носителям требуется дополнительная энергия, в то время как неосновные носители, наоборот, будут перемещаться под воздействием электрического поля p-n-перехода – они создают дрейфовый ток. При отсутствии внешнего электрического поля диффузионный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга.

Если приложить внешнее электрическое поле, направленное против электрического поля p-n-перехода, потенциальный барьер уменьшится, следовательно, диффузионный ток возрастет. В этом случае внешнее напряжение называют прямым смещением. При изменении полярности внешнего напряжения потенциальный барьер увеличится и возрастет дрейфовый ток: тогда приложенное напряжение называется обратным смещением.

Принцип работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы представляют собой полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Существуют два типа проводимости транзисторов — p-n-p и n-p-n. Схематичное устройство обоих типов, а также их позиционное обозначение показаны на рис. 2 . Транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора. На рис. 2 эти области обозначены буквами «Э», «Б» и «К» соответственно, стрелка эмиттера указывает направление протекания тока.

Рис. 2. Транзисторы: а) p-n-p типа; б) n-p-n типа

База транзисторов конструктивно имеет очень малую толщину, обычно не более 10 мкм, поэтому для перемещения основных носителей через базу им требуется небольшая энергия. Опишем принцип действия биполярного транзистора на примере n-p-n транзистора ( рис. 3 ).

Рис. 3. Принцип действия биполярного транзистора

Для включения транзистора к переходу база-эмиттер прикладывается прямое смещение U _Б-Э , при этом понижается потенциальный барьер p-n-перехода и основные носители эмиттера электроны легко преодолевают его и инжектируются в область базы за счет энергии, полученной от внешнего поля. В области базы происходит процесс рекомбинации – небольшая часть инжектируемых носителей захватывается основными носителями базы – дырками, образуя ток базы I _б . В процессе рекомбинации электроны переходят в валентную зону дырки, исчезает пара носителей заряда. Основная часть электронов пересекает тонкую область базы, достигает коллекторного перехода и попадает в область коллектора – происходит экстракция носителей. Ток I_K1 коллектора связан с током эмиттера I _Э соотношением:

где: α – коэффициент передачи эмиттерного тока, обычно α = 0.96–0,999.

Помимо коллекторного тока, через коллекторный переход в базу переносятся неосновные носители, дырки. Они образуют обратный ток коллектора I_K0, иногда называемый начальным током. Таким образом, суммарный ток коллектора I_K определится по формуле:

Как правило, I_K1 >> I_K0, поэтому обратным током можно пренебречь, в этом случае I_K = I_K1. Из закона Кирхгофа следует выражение (3) для токов транзистора:

Опуская промежуточные преобразования, окончательно получаем:

где: β = α/(1 – α), коэффициент передачи тока базы.

Величина β у современных биполярных транзисторов варьируется в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц. Из формулы (4) следует, что транзистор является усилительным прибором, в котором малый ток базы управляет значительно б о ́ льшим током коллектора.

Рис. 4. Схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером; б) общей базой; в) общим коллектором

Возможные схемы включения транзистора показаны на рис. 4 . Как правило, используются 3 схемы включения:

• с общим эмиттером (рис. 4а);
• с общей базой (рис. 4б);
• с общим коллектором (рис. 4в).

Рис. 5. Характеристики транзистора: а) входная; б) выходная

Статическая входная и выходная характеристики транзистора показана на рис. 5 . Входная характеристика представляет собой зависимость напряжения U _Б-Э от тока базы I _Б или тока эмиттера и схожа с вольтамперной характеристикой диода. В выходной характеристике отражены все режимы работы биполярного транзистора при разных входных токах.

В режиме отсечки управляющий ток отсутствует и транзистор выключен. В активном режиме переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база – в обратном. При этом транзистор находится в линейной области и работает в усилительном режиме, его выходной ток зависит от входного тока. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, выходной ток не зависит от входного, а определяется только сопротивлением нагрузки. Падение напряжения коллектор-эмиттер минимально и не превышает 0,1–0,2 В. Этот режим применяется при коммутации нагрузки, транзистор играет роль ключа, поэтому режим насыщения иногда называют ключевым режимом.

Следует иметь в виду, что на рис. 2 представлено схематичное изображение устройства транзистора, в котором коллектор и эмиттер имеют одинаковый размер, поэтому может показаться, что коллектор и эмиттер можно менять местами. Однако это совсем не так: в качестве примера на рис. 6 показано поперечное сечение транзистора, изготовленного по меза-планарной технологии ( рис. 6а ) и по диффузионно-планарной технологии ( рис. 6б ).Как видно из рисунка, коллектор и эмиттер транзисторов заметно отличаются размерами. Если при монтаже транзистора монтажник ошибется и перепутает эмиттер с коллектором, параметры транзистора ухудшатся, уменьшатся коэффициент усиления и рабочая полоса частот, увеличится падение напряжения коллектор-эмиттер U _К-Э при работе в ключевом режиме.

Рис. 6. Поперечное сечение реального транзистора

Сегодня уже не удастся найти приложения, в которых усилительные схемы строятся целиком на дискретных биполярных транзисторах. Такие схемы используются только в качестве оконечных усилительных каскадов, а предварительное усиление и формирование сигналов реализуется на аналоговых микросхемах. Поэтому мы опустим описания малосигнальных параметров транзистора, но добавим несколько слов о частотных свойствах транзистора.

Инерционность транзистора обусловлена конечной скоростью перемещения носителей через область базы, что, в свою очередь, приводит к задержке при рассасывании и накоплении заряда в области базы. Еще одной причиной ограничения частотных свойств транзистора является паразитная емкость коллекторного перехода. Перечисленные особенности приводят к уменьшению коэффициента усиления транзистора с ростом частоты и уменьшения максимальной частоты переключения транзистора в ключевом режиме.

Примеры использования биполярного транзистора

Приведем несколько примеров использования биполярного транзистора в схемах, реализованных на практике.

Рис. 7. Источник тока для плавающей нагрузки

На рис. 7 показан источник тока для плавающей нагрузки (нагрузка не подключена к земле). Обратная связь с эмиттера транзистора обеспечивает поддержание задающего напряжения U _ВХ на сопротивлении R1. Следовательно, через это сопротивление U _ВХ /R1 поддерживается и постоянный ток эмиттера. Ток коллектора определяется из соотношения (3), а ток базы — из соотношения (4). Таким образом, чем больше коэффициент усиления β, тем меньше отличия токов I _Э и I_K.

Рис. 8. Двухполярный эмиттерный повторитель

На рис. 8 показан двухполярный эмиттерный повторитель. Напряжение обратной связи снимается с нагрузки, что позволяет поддерживать постоянное напряжение U _ВЫХ = U _ВХ на нагрузке и избегать искажений при выходном напряжении операционного усилителя в пределах U _{Б-Э n—p—n}…. U _{Б-Э p—n—p}.

Рис. 9. Коммутаторы нагрузки: а) однополярный; б) двухполярный

На рис. 9 показано использование биполярных транзисторов в схемах однополярного коммутатора (рис. 9а) и двухполярного коммутаторов нагрузки (рис. 9б). Транзисторы в этом случае работают в ключевом режиме. Верхний p-n-p транзистор VT1 (рис. 9б) открывается при отрицательном напряжении управления, нижний n-p-n транзистор открывается при положительном напряжении управления.

Биполярный транзистор.

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.

Работа биполярного 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

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

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)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполярный транзистор

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы и вообще с чем его едят, то берем стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание, будет удобнее ориентироваться в статье ��

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h21Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти ��

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получилась вот такая формула.

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

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

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

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Лучший способ сказать СПАСИБО автору это отправить донат!