Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые
Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.
В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.
Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:
TO-92 — компактный, для небольших нагрузок
TO-220AB — массивный, хорошо рассеивающий тепло, для больших нагрузок
Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.
Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:
Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его
Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»
Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель hfe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.
Например, если hfe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.
Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.
NPN и PNP
Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).
NPN более эффективны и распространены в промышленности.
PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.
Полевые транзисторы
Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.
Полевые транзисторы обладают тремя контактами:
Сток (drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
Затвор (gate) — на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.
Исток (source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»
N-Channel и P-Channel
По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.
P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.
Подключение транзисторов для управления мощными компонентами
Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.
Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:
Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.
Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:
= \frac <5\unit- 0.3\unit><0.04\unit<А>> \approx 118\unit $» />
здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.
Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА
это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.
Если не указано иное, содержимое этой вики предоставляется на условиях следующей лицензии: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International
Производные работы должны содержать ссылку на http://wiki.amperka.ru, как на первоисточник, непосредственно перед содержимым работы.
Вики работает на суперском движке DokuWiki.
схемотехника/транзисторы.txt · Последние изменения: 2022/06/07 10:11 — mik
Инструменты страницы
- Показать исходный текст
- История страницы
- Ссылки сюда
- Наверх
Почему база транзистора должна быть очень малой
©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших и средних классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
Транзисторы для начинающих
Месяц назад, наконец, мы получили примерное представление о транзисторе.. Конечно, дрожа от нетерпения, и любопытства, вы ждете, что я объясню как, транзистор усиливает напряжение. Почему так много внимания уделялось усилению тока и почему важны падение напряжения и источник тока.
Подождите еще немного — все вы узнаете в свою очередь. Через месяц я тебе объясню подробно, то, что с таким нетерпением ждете: а именно, как транзистор усиливает напряжение.
Сегодня мы подробно рассмотрим вход транзистора, то есть цепь база-эмиттер. Вы откроете для себя ряд важных практических вопросов. Хотя вы можете считать, что это лишнее я убежден, что это потребуется на практике. Не стоит недооценивать указанный материал, так как он необходим для полного понимания транзистора.
В предыдущем эпизоде мы достаточно просто пришли к выводу, что переход база-эмиттер транзистора ведет себя ни больше, ни меньше, как диод. Это не случайно – это действительно так. Вы можете себе представить, что транзистор состоит из две независимых цепей, или элементов:
•база-эмиттер схема включает в себя самые обычные диоды,
•коллектор-эмиттер схема включает в себя источник тока.
В предыдущем разделе, я объяснил вам принцип действия транзистора на примере карбюратора мы рассматривали транзистор NPN. Конечно, не проблема понять, как он работает. Теперь пора отойти от модели карбюратора, запомните только, что транзистор на самом деле источник тока управляемый током базы. Если вы поймете это определение, вы не будете иметь никаких проблем с и PNP транзистором.
Он работает так же, как транзистор NPN, только с другим направлением тока.
Направления токов в двух транзисторах можете видеть на рисунке 12. Запомните раз и навсегда, стрелка в символе транзистора (эмиттера) указывает направление протекания тока (от положительного к отрицательному полюсу источника питания).
Если вы намерены изобразить PNP транзистор, правильное изображение показано на рисунке 13а, а не так, как показано на рисунке 13b.
Можете ответить, почему на различных схемах не изображают так, как показано на рисунке 13b?
В таком изображении нет ошибки. Я просто хочу, чтобы вы с самого начала, чтобы привыкали к основным правилам. Это всего лишь способ рисования схем. Вы наверняка заметили, что некоторые схемы, нарисованы так здорово, и понятно, что на первый взгляд, можно сказать, какие напряжения будут в различных точках системы.
Другие схемы рисуются запутанно, весьма хитроумно и непонятно, как работает схема, и не возможно сделать какие-либо выводы об напряжениях в разных точках схемы.
А разница только в способе рисования схемы.
Что бы схема была прозрачной и понятной, рассмотрим основные правила:
— «питающий ток схемы» должны течь сверху вниз
— «Сигналы на схеме» должны бежать слева направо.
— Если есть возможность точка, с большим положительным напряжением должна быть выше точки с низким напряжением.
На рисунке 14 показаны два способа рисования схема одной системы. Первый учитывает вышеуказанные принципы, второй нет. Которую легче анализировать?
Вопрос очень актуальный дело в том, что среди схем присылаемых в редакцию читателями, особенно в Школу конструкторов, я часто встречаю «цветочки» подобные изображенному на Рис 14b.
Так что привыкайте к установленным правилам и не игнорируйте их при составлении ваших схем. Тогда вы будете рисовать PNP транзистор, так что как показано на рисунке 13а, но не в соответствии с рисунком 13б.
Это было отступление на полях – так как рисование схем пока не влияет на работу транзистора. Только облегчает анализ системы.
Теперь про переход база-эмиттер транзистора. Вы уже знаете, что PNP и NPN транзисторы отличаются только направлением тока. Следующие разделы в равной степени относятся к обоим типам транзисторов.
Диод и переход база-эмиттер
Прежде всего, заметим, что переход база-эмиттер имеет свойства обычного полупроводникового диода. Чтобы полностью понять поведение транзистора в цепи, и быть в состоянии самостоятельно выбирать режимы работы транзистора, необходимо хорошее понимание работы и параметров диода.
Итак, позвольте мне напомнить вам свойства диода. Гидравлический аналог диода на рисунке 15. Запорная пружинка очень слабая. Поэтому чтобы открыть клапан «в правильном» направлении необходимо совсем небольшое усилие.
От сюда очень важный вывод: на этом элементе не может возникнуть большого перепада, потому что даже небольшое давление открывает заслонку полностью, позволяя течь потоку практически любого количества воды.
То же самое и с диодом. Диод проводит ток только в одном направлении. Это «правильное» направление называется прямым. Да же относительно не большое напряжение откроет диод, и через него потечет ток. При прямом включении, падение напряжения на нем мало. Обратите внимание, что это напряжение (падение напряжения) не может уменьшаться. Да же на полностью «отрытом» диоде, при большом токе, все равно имеется падение напряжения.
Возможно, вы слышали, что при напряжении ниже 0,6 В. .. 0,7 В кремниевый диод не проводит ток, ток появляется только при напряжении выше 0,6 В. .. 0,7 В.
Так же возможно, вы слышали, что напряжение на диоде пропорционально логарифму тока, протекающего через него. Наверное, не многие из вас знают, что это значить, и мы могли бы опустить это. Но я хочу, ввести вас вглубь дела, поэтому мы рассмотрим этот вопрос более подробно.
Посмотрите на вольт-амперную характеристику диодов (то есть график напряжения и тока). Как правило, он составляется таким образом: горизонтальной ось — напряжение, а по оси ординат — ток. Предлагаю следующий способ его изображения, мы изменяем величину подаваемого напряжения и в зависимости от напряжения откладываем значение тока на графике. Но это возможно только в теории. На практике изменяют значение текущего через диод тока и измеряют падение напряжения на нем. Это напряжение называется прямым напряжением диода. Независимо от подхода, результат всегда один и тот же: значение тока соответствует определенному значению напряжения, и наоборот. Эта зависимость изображена на рисунке — это то, что являются характеристикой диода в прямом направлении.
В настоящий момент нас интересует, изменение напряжения на диоде (на самом деле на переходе база-эмиттер транзистора), в зависимости от тока (тока базы транзистора).
На рисунках 16 а и б показаны характеристики такого диода, нарисованные обоими способами. Обе шкалы на рисунке 16 а линейны, тогда как на рисунке 16 б вертикальная ось тока логарифмическая, а ось напряжения линейная. Посмотрите на рисунок 16 б, что бы узнать, значение тока удобней пользоваться линейной зависимостью, особенно для малого значения тока. Но это логарифмическая зависимость тока от напряжения. Даже если вы не знаете что такое натуральный логарифм. Вам достаточно этого графика, что бы узнать ток. В конце концов, у вас есть выбор каким графиком пользоваться. Обратите внимание, что на логарифмической шкале, следующее значение в десять раз больше предыдущего. Нет необходимости вдаваться в дальнейшие подробности, только помните, и примите к сведению, что специалисты, несмотря на широкое внедрение цифровых схем, продолжать использовать эту четкую зависимость на рисунке 16б для логарифмирования сигналов, а так же аналогового умножения, деления, возведения в степень и извлечение квадратного корня. Может это для вас будет сюрпризом, но диоды (или переход база-эмиттер) хорошо подходят для выполнения математических операций над аналоговыми сигналами. Например, логарифмирование часто используется для определения номинальной мощности усилителей, в цифровых измерителях. Но логарифмирование это очень обширная тема, для нас.
Давайте вернемся к рисунку 16а. Здесь действительно, видна сложная логарифмическая зависимость. Начинается она со значения напряжения 0,7.. 0.6 В а бывает и от 0.6.. 0.8В. В чем тут дело?
В самом деле, нет никакого существенного различая, но дело требует небольшого разъяснения.
Посмотрите на рисунок 17. Он похож на рисунок 16а, однако характеристика здесь до значения в 1мА, а не до 100 мА. Отметим что на рисунке 17, при напряжении до 0.5 В ток диода на самом деле присутствует, но имеет очень малое значение. Как это можно увидеть на рисунке 16 б. Помните, что 1 мкА (микроампер) является одной миллионной Ампера.
Вы видите, что во многих случаях мы можем с уверенностью сказать, что для напряжения ниже 0,5 В, диод практически не проводящий.
Но это выглядит немного по-другому для выпрямительного диода, чем для цепи базы транзистора. Для выпрямительного диод ток порядка 1 или даже 10 мкА, очень мал. А для транзистора?
В транзисторах, ток коллектора при нормальной работе обычно устанавливается в диапазоне от долей миллиампер, и не более сотни миллиампер (если мы опустим мощные транзисторы). Учитывая, что транзистор усиливает ток, то выходит что, ток базы составляет доли миллиампер.
Тогда, в некоторых из ваших схем ток базы может быть порядка 1 или менее микроампера! Таким образом, как показано на рисунке 16b, при таком токе базы, напряжение база-эмиттер транзистора будет иметь значение 0,5 . 0,7 В.
Обратите внимание, что при тысячекратно изменении тока (базы), изменение напряжения составляет лишь около 200 мВ.
Теперь вы, наверное, понимаете, что в менее точных расчетах мы принимаем некоторую среднею, постоянную величину, например, 0,6 В или 0,65 В. И вся тайна!
Просто? Да, но мы рассматривали все упрощенно, пренебрегая токами ниже 1 микроампера, говорят, что они пренебрежимо малы. Вообразить профессиональные схемы, которые логарифмируют в диапазоне токов 100 Па до 1 мА. 100 ПикоАмпер составляет 0,1 микроампер. Не пытайтесь думать о токах в пикоамперах, (и о работе с такими токами), оставьте это профессионалам.
Давайте вернемся к транзистору.
Как видно из анализируемых характеристик, напряжение между базой и эмиттером, обозначается Uбэ, во время нормальной работы транзистора не превышает 0,8 В. Если, в любой реальной схеме будет больше, то транзистор выйдет из строя. Например, как следует из рисунка 16, с напряжением Uбэ равным 1В, ток базы транзистора будет более чем 1 А, транзисторы с таким базовым токов не встречаются в природе.
Поэтому очень важная практическая информация: если напряжение Uбэ больше 0,8 В будьте уверены транзистор не исправен.
Мощность транзисторов
В нашей практике обычно мы используем маломощные транзисторы. Дело в том, что во время работы транзистора выделяется энергия в виде тепла — я назвал это потерей мощности. Малый транзисторы могут работать при низких токах, коллектора (до 100… 300 мА), выделяющиеся потери мощности не могут быть больше, чем 0,1 . 0,6 Вт, в зависимости от типа транзистора.
В некоторых случаях, мы должны работать с большими токами, при этом выделяется мощность значительно больше. Тогда мы используем мощные транзисторы. Они имеют больший корпус и предназначены для крепления к радиатору охлаждения.
Проблема потери мощности и тепловыделения будет обсуждаться в будущем. А сейчас только одна маленькая проблема. Для больших токов в цепи коллектора, мы должны работать с достаточно большими токами базы. Ток базы большой, из-за того что мощные транзисторы как правило, имеют меньший коэффициент усиления по току, чем у маломощных транзисторов. Если, например, усиление силового транзистора 50, ток коллектора 10А, базовый ток должен составлять 0,2 А.
Что вы думаете для мощных транзисторов, напряжение база-эмиттер должно быть больше чем в маломощных транзисторах?
Да так выходит из рисунка 16.
Отметим, что данный рисунок относиться к конкретному диоду или переходу база-эмиттер.
Как вы думаете, будет ли зависит падение напряжения от площади поверхности перехода?
Маломощный транзистор имеет маленькую площадь перехода, мощный гораздо больше.
Вы правы, падение напряжения будет определять плотностью тока на единицу площади перехода.
Напряжение база-эмиттер транзисторов высокой мощности, со значительном током базы может быть, даже меньше, чем у маломощных транзисторах.
Эта информация является, пожалуй, самой важной, из того что вы должны знать, когда измеряете, напряжение в цепях силовых транзисторов, не удивляйтесь.
Влияние температуры
На рисунке 16 указали, в какой степени изменяется напряжения между база-эмиттером при различных токах базы. Это не означает, однако, что зная характеристику конкретного транзистора и, зная ток базы, можно точно определить напряжение между базой и эмиттером.
Вы знаете почему?
Потому что мы не учли влияние температуры.
На рисунке 16 показаны характеристики для любой температуре — как правило, порядка комнатной температуры до 25 ° C. Тем не менее, с повышением температуры прямое напряжение диода и перехода транзистора снижается.
Для конкретного экземпляра транзистора и диода влияние температуры показано на рисунке 18а.
Вы можете быть удивлены, но не игнорируйте тот факт, что изменения напряжение база-эмиттер в результате изменения температуры могут быть значительно больше, чем изменения, вызванные изменениями величины базового тока!
Также помните, о нагреве транзисторов, в том числе малой мощности.
Зная напряжение база-эмиттер можно оценить ток базы. Но если быть честным, то это приблизительная оценка, так как не учитывается влияние температуры. Исключение если оно больше 0.8 В, тогда можно сделать вывод об неисправности транзистора.
Означает ли это, что точное значение напряжение база-эмиттер для нас не столь важно, и не несет никакой определенной информации?
Нет! Это важно, если ток имеет постоянное значение. То изменение напряжения связанное с температурой имеет линейный характер. Т.е. изменение напряжения прямо пропорционально изменению температуры. Кроме того эти изменения всегда постоянны и не меняются с течением времени.
Все это означает, что простой диод или переход база-эмиттер транзистора может быть успешно использован для измерения температуры. При правильном построении системы измерения и соответствующего масштабирования, вы можете получить очень хорошую точность порядка 0,1 . 0,2 ° C.
Этот метод часто используется для измерения температуры в диапазоне -40 .. +125 ° C.
Существует только одна небольшая загвоздка. На практике, в производстве полупроводников не может быть, достигнуто совершенно одинаковые параметры для всех копий диодов и транзисторов, даже из одной партии и одной той же кремниевой пластины.
Существуют определенные допуски параметров. И, наконец, в некоторых каталогах характеристик диодов и переходов напряжение база-эмиттер приводиться, как показано на рисунке 18b. Затемненной областью указывают на ожидаемое значение параметра между копиями.
Из этого видно, что при использовании полупроводникового перехода для измерения температуры, необходима индивидуальная калибровка в каждом случае. В книгах в настоящее время, указывается, что напряжение перехода изменяется на -2.2 mV на один градус Цельсия. Это значение -2,2 мВ следует рассматривать как ориентировочные, а не точное. Кроме того, другие источники говорят, что этот коэффициент -2 мВ / ° C.
Сейчас вас уже не удивит, но существуют схемы для измерения температуры, использующих это же свойства В-Е перехода. Они используется не только для конструирования электронных термометров. Они широко используется в производстве интегральных схем для реализации схемы тепловой защиты.
Вы знаете, как они работают?
Просто установите напряжение база-эмиттер транзистора до величины, скажем, 0,5 В. Как видно из рисунков 16, 17 и 18, при комнатной температуре ток базы будет незначительным. Следовательно, ток коллектора также будет незначительным. Если температура будут расти, это также увеличится ток базы, и, следовательно, ток коллектора. Когда ток коллектора превышает заданное значение, сработает схема тепловой защиты.
Температурная зависимость параметров в некоторых системах является преимуществом, как вы уже могли догадаться, Но в системах точного измерения это проклятье, с которые вы должны бороться всеми силами. Однако, это отдельная, очень широкая тема, к которой мы вернемся. А на данный момент, мы станем еще одна фундаментальная проблема.
Обратная полярность
Упрощенная эквивалентная схема транзистора на рисунке 12, содержит диод и управляемый источник тока, что не в полной мере отражают свойства транзистора. Большая часть читателей проверяет транзисторы, с помощью омметра зная, что база-эмиттер и база-коллектор вызваниваются как диоды. Действительно, при определенных условиях, транзистор можно рассматривать как комбинацию двух диодов в соответствии с рисунком 19. Но, к сожалению, транзистор не может быть использован как два отдельных диода, например, что бы с помощью одного или двух транзисторов, сделать диодный мост (рис. 20). Транзистор это больше чем в два диода. Запомните это, и даже не пытайтесь проделать подобные трюки.
Рисунок 19 наводит на вопрос. А можно ли в электронных схемах поменять коллектор и эмиттер местами? Другими словами, если бы он мог ли коллектор играть роль эмиттера, и наоборот?
Речь идет о самой серьезной проблеме, а пожилые читатели могут помнить, некоторые советские транзисторы после перестановки эмиттера и коллектора, работали так же или даже лучше.
Это, правда, для старых транзисторов, выполненных по допотопной технологии, это было все равно, какой из электродов эмиттер, а какой коллектор. Но это было очень давно. Однако сейчас транзисторы изготавливаются для конкретной проводимости, и не будут работать после такой замены. Возможно вы так же слышали об «обратной» работе транзистора. Забудьте об этом. Во всех схемах, которые мы будем рассматривать, нормальные биполярные транзисторы работают в обычном режиме.
Так что не думайте менять местами коллектор и эмиттер.
Но это еще не все.
Может ли транзистор может работать при «обратном» напряжение между базой и эмиттером. Что происходит в схеме на рис. 21, напряжение на базе NPN транзистора меньше, чем напряжение на эмиттере?
Рисунки 12 и 19 не указывают на какие-либо ограничения.
Так напряжение на базе транзистора на рисунке 21 может быть сколь угодно большого отрицательного значения? Наверное, нет, мы знаем, что переход, как и любой другой диод, имеет определенное допустимое напряжение (несколько вольт).
Вот у меня есть для тебя сюрприз (если вы не знаете): база-эмиттер поляризованные в обратном направлении ведет себя как диод Зеннера с напряжением стабилизации около 6,2 Вольт (некоторые источники говорят, что 5 .. 7 В). Если вы не знаете что такое диод Зеннера, знайте что это стабилизатор напряжения.
Таким образом, после превышения обратного напряжения на базе, значения пробоя, через переход база эмиттер будет течь ток. Слово «пробой» звучит страшно, но здесь нечего бояться — пока ток не слишком большой (нет тепла для повреждения перехода), с транзистором ничего не происходит. Такой пробой, конечно, не повредить транзистор.
Короче говоря, транзистор может работать как стабилитрон или стабилизатор напряжения. На рисунке 22 показано, четыре примера использования транзисторов в этой роли. Обратите внимание, что в каждом случае всегда используется эмиттерный переход, при этом используются два вывода транзистора, и этот способ работы не имеет ничего общего с нормальным режимом работы транзистора.
Позвольте мне напомнить вам еще раз нормальные условия работы:
Напряжение на базе NPN транзистора (измеряется по отношению к эмиттеру) составляет примерно 0,6 В. .. 0,7 В,
При прямой проводимости ток эмиттера это сума коллекторного и базового токов.
Напряжение на коллекторе UC (также измеряется относительно эмиттера) является положительным и может быть от 0,1 В до полного напряжения U2.
Смотри рисунок 23.
А что сказать о ситуации на рисунке 24, схема в нормальном режиме работы транзистора (NPN) напряжение база-эмиттер отрицательное, и будет в пределах 0-5В? Что произойдет в цепи базы, и что в цепи коллектора?
При отрицательном напряжении на базе значение напряжения база-эмиттер максимально, но при этом упомянутый пробой не происходит. В базовой цепи тока не будет, а следовательно и в цепи коллектора, то же. Транзистор можно рассматривать как разомкнутый ключ.
А что произойдет, если напряжение U1 опуститься ниже 5 В, когда через базу потечет обратный ток (по цепи: батарея, общий провод, эмиттер, база, резистор, батарея)? Будет ли ток в коллекторной цепи?
Это важный вопрос, вопреки видимости, потому, что на практике иногда можно найти такую ситуацию. Я не дам вам ответ — вы можете найти его самостоятельно, собрав схему в соответствии с рисунком 24 и сами увидите, какое значение будет показывать амперметр, при обратном токе в цепи в базы.
Пусть это будет вам домашнее задание.
Так же предлагаем вам самостоятельно измерить напряжение стабилизации по схеме на рисунке 22. Выясните для себя настолько это напряжение зависит от типа транзистора. И как отличается на нескольких экземплярах одного типа.
резюме
Сегодня статья была посвящена цепи база-эмиттер биполярного транзистора. В конце статьи мы получили наиболее важные выводы. В следующем месяце мы будем рассматривать цепи коллектора, его характеристики и типичные схемы включения транзистора.
32 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/98
Научный форум dxdy
Здравствуйте. Хочу разобраться до конца, как же все-таки работают биполярные транзисторы. В общих чертах понятно, но есть отдельные моменты, которые хотелось бы прояснить. А именно:
Возьмем, например, биполярный транзистор структуры n-p-n, подадим на переход база-эмиттер прямое смещение, а на переход база-коллектор обратное, т.е. введем транзистор в нормальный активный режим работы. Понятно, что в таком случае электроны из сильно легированного эмиттера пойдут в базу. База обладает очень малой толщиной, не помню как в точности-сопоставима с размерами электрона, если не ошибаюсь, плюс в ней содержится сравнительно небольшое количество дырок, по отношению к количеству электронов, «летящих» из эмиттера, поэтому лишь небольшое число электронов и дырок рекомбинирует, а остальные попадают в коллектор.
И вот тут у меня возникает вопрос-они туда попадают благодаря тому, что толщина базы очень мала? Т.е. грубо говоря, электрон, влетая в базу, двигаясь благодаря действию электрического поля, весь в эту базу не помещается, несмотря на свой крошечный размер, и автоматически оказывается в коллекторе ? Или его как бы «втягивает» более сильное(по сравнению с полем, действующим в базе) электрическое поле коллектора, которое, благодаря своей направленности, «заставляет электроны лететь к плюсу» ? Вот эти моменты не совсем ясны мне. Если кто знает-пролейте свет на них, пожалуйста, только не текстами из учебника, а своими словами, чтобы понятно было.
Еще вопрос-для работы биполярного транзистора всегда требуется два ОТДЕЛЬНЫХ источника питания? Нельзя использовать, скажем, один источник и, подав, например, с него напряжение на эмиттер-коллектор, от него же запитать, например, через потенциометр базу? Тут тоже запутался в рассуждениях-с одной стороны, ток коллектора управляется током базы, и для нормальной работы транзистора нам требуется, чтобы напряжение, поданное на базу, было меньше, чем между эмиттером и коллектором, поскольку нужно, чтобы электрическое поле коллектора было более сильным, чем в базе и втягивало электроны, с другой стороны-база и так сама по себе очень мала, сравнима с размерами элементарных частиц, а силу электрического поля можем померить, как напряжение, разделенное на длину, к которой оно приложено, то получается что электрическое поле в базе и так не будет сопоставимо с коллекторным. Ну, подам я, например, одинаковую напругу на коллектор-эмиттер и эмиттер-база, что тогда? Где ошибка?
Далее, насколько я понимаю, коллектор обычно делают больше, чем эмиттер. Это связано с тем, чтобы он мог вмещать в себя как свои собственные электроны, которые он приобретает благодаря легированию, так и электроны, поступающие из эмиттера? Плюс, вероятно, из-за намного более высокого тока, чтобы мог выдержать нагрев? Т.е. если, скажем, сделать коллектор равный по размеру эмиттеру-какие последствия будут?
Ну и хотелось бы понять, какие все-таки отличия будут у выше сказанного для транзисторов структуры p-n-p. Хотя в различных руководствах предпочитают коротко сказать, мол, «все тоже самое, только наоборот», но вызывает это определенные сомнения. Объясню, какая причина-дело в том, что если электрон, скажем так, движется сам, то движение дырок возможно лишь потому, что им «вакантное место» освобождает электрон. Поэтому, если не ошибаюсь, транзисторы типа p-n-p обладают меньшим быстродействием, по сравнению с n-p-n. Если я не прав, поправьте, пожалуйста.
Re: Вопросы по биполярным транзисторам
01.02.2018, 18:46
Последний раз редактировалось Alex-Yu 01.02.2018, 18:54, всего редактировалось 5 раз(а).
Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Т.е. грубо говоря, электрон, влетая в базу, двигаясь благодаря действию электрического поля, весь в эту базу не помещается, несмотря на свой крошечный размер, и автоматически оказывается в коллекторе ? Или его как бы «втягивает» более сильное(по сравнению с полем, действующим в базе) электрическое поле коллектора, которое, благодаря своей направленности, «заставляет электроны лететь к плюсу» ?
Первое неверно. Второе — правильно.
— Чт фев 01, 2018 22:48:12 —
Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Нельзя использовать, скажем, один источник и, подав, например, с него напряжение на эмиттер-коллектор, от него же запитать, например, через потенциометр базу?
Именно так и делают, от одного источника. Или даже проще: через большой резистор подают на базу коллекторное напряжение (на этом резисторе почти все напряжение «сядет», останется немножко, что и нужно подать на базу).
— Чт фев 01, 2018 22:49:18 —
Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Это связано с тем, чтобы он мог вмещать в себя как свои собственные электроны, которые он приобретает благодаря легированию, так и электроны, поступающие из эмиттера? Плюс, вероятно, из-за намного более высокого тока, чтобы мог выдержать нагрев?
Второе. Только ток там почти такой же, как в эмиттере. Но напряжение больше — мощность больше. Можно по другому: в коллектор влетают ускоренные коллекторным напряжением электроны. Их энергию рассеивать надо, в тепло превращать. В эмиттере тепловой режим легче.
— Чт фев 01, 2018 22:50:59 —
Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Т.е. если, скажем, сделать коллектор равный по размеру эмиттеру-какие последствия будут?
Да никаких по большому счету. Кстати, можно взять обычный транзистор и включить наоборот: поменять коллектор с эмиттером местами. Будет работать, но похуже параметры будут (и сжечь в таком режиме проще).
— Чт фев 01, 2018 22:51:55 —
Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Поэтому, если не ошибаюсь, транзисторы типа p-n-p обладают меньшим быстродействием, по сравнению с n-p-n.
В общем да. Но не так уж сильно.
Re: Вопросы по биполярным транзисторам
01.02.2018, 19:16
Последний раз редактировалось Manolo 01.02.2018, 19:22, всего редактировалось 1 раз.
Alex-Yu Спасибо вам за ответы.
А что касается напряжения-является ли большее напряжение между коллектором и эмиттером(по сравнению с эмиттер-база) условием нормальной работы транзистора? Или это необязательно?
По идее ведь, как я выше изложил, нам надо чтобы электрическое поле коллектора было сильнее, чем в базе и, благодаря этому «вытягивало» оттуда электроны. Но, поле в базе будет слабым даже если подать туда большее напряжение, чем между коллектором и эмиттером(до определенного предела, разумеется) по той причине, что мала длина самой базы, а силу поля считаем как отношение приложенного напряжения к длине. Просто, как мне вспоминается, где-то озвучивалось то условие по напряжению, о котором я сказал выше. Получается, либо я ошибаюсь, либо чего-то не учитываю.
Re: Вопросы по биполярным транзисторам
01.02.2018, 20:14
Позволю себе чуть уточнить вышеописанное. Эмиттер транзистора — очень сильно легированная область. В ней очень высокая концентрация электронов. Как только эмиттерный переход окажется открытым, электроны (для npn структуры) пойдут в базу даже не за счет электрического поля, а за счет диффузии. Ток в базе почти чисто диффузионный, и маленькая электрическая добавка — это тот самый ток базы. Чем он меньше (относительно) тем выше усиление транзистора. Если электронам удастся продиффундировать до коллекторного перехода, то дальше им открыта прямая дорога, поскольку этот переход они проходят в прямом направлении в отличии от дырок. Здесь, однако, есть другая опасность. Электроны в поле перехода разгоняются, и если их скорость превысит некую критическую, то начнется ударная ионизация и транзистор сгорит к чертовой матери. Поэтому коллекторный переход надо «растянуть» в пространстве что бы понизить напряженность электрического поля в нем. Для этого коллектор легируют гораздо слабее эмиттера. При этом уменьшается проводимость материала и растут тепловые потери. Что бы этого избежать, увеличивают площадь (размер) коллектора что бы компенсировать уменьшение проводимости.
Таким образом, длина базы должна быть меньше длины диффузии носителей из эмиттера, а коллектор делают большим что бы увеличить рабочее напряжение. Хорошо спроектированный транзистор ни хрена не будет работать, если перепутать коллектор и эмиттер, хотя некоторые дешевые попытаются. Дырки отличаются от электронов массой и подвижностью (коэффициентом диффузии). С этим связано отличие свойств npn и pnp транзисторов.
Re: Вопросы по биполярным транзисторам
01.02.2018, 21:02
Последний раз редактировалось Manolo 01.02.2018, 21:06, всего редактировалось 1 раз.
Господа, а поясните, если нетрудно, по вопросу о напряжениях, озвученному выше и еще вот чего не могу понять:
Alex-Yu, По поводу тока-спасибо, что поправили, не те токи я сравнил, в коллекторе при заданных условиях должен течь ток, такой же, как в эмиттере, минус ток, который образуется базе за счет дырок(транзистор n-p-n). А почему мощность, выделяемая в коллекторе, выше? Откуда мы можем делать вывод, что напряжение база-коллектор будет выше, чем база-эмиттер? Это получается за счет размеров коллектора и большей концентрации там электронов? Если я понимаю правильно, специально никто на переход база-коллектор напряжение не подает, ни закрывающее, ни открывающее- если мы не хотим ввести транзистор в режим насыщения, когда прямое смещение и на переходе эмиттер-база и на переходе база-коллектор. Т.е. если мы имеем транзистор n-p-n, один источник питания, от него запитали переход коллектор-эмиттер(«плюс» на коллектор, «минус» на эмиттер) и эмиттер-база(подав «плюс» на базу) через резистор, то для перехода база-коллектор мы получаем «плюс» на базе и «плюс» на коллекторе и нельзя в этом случае говорить об обратном смещении перехода база коллектор. Или к базе подают и «плюс» и «минус»? Тогда понятно, но как-то смущает что ли. Вроде это никак одно на другое влиять не должно, т.к. о разных отрезках речь. Просьба пояснить этот момент про подключение. Отсюда отчасти и был мой вопрос о необходимости двух источников питания.
amon, вы говорите про то, что базу электроны пойдут за счет диффузии. Но ведь если нет некой направляющей силы(поля), то число таких электронов будет мало? Или не так? Как понимаю я, если мы подаем некое минимальное напряжение, достаточное для того, чтобы просто открыть переход, то, скажем, под действием комнатной температуры, какие-то электроны, может, и залетят в базу, но, их массовую миграцию в заданном направлении нам обеспечит именно поле, иначе они, грубо говоря, будут болтаться где попало как фиалка в проруби. Вы говорите, что хороший транзистор не будет работать, если мы перепутаем коллектор и эмиттер. Можно разложить «на пальцах» почему, поэтапно, что будет происходить при таком подключении?
Re: Вопросы по биполярным транзисторам
01.02.2018, 21:45
Последний раз редактировалось Alex-Yu 01.02.2018, 21:47, всего редактировалось 1 раз.
Manolo в сообщении #1289226 писал(а):
А почему мощность, выделяемая в коллекторе, выше?
Ну я же уже сказал: напряжение там больше. Эмиттер-база это меньше вольта. А база-коллектор — вольт так пять минимум. На открытом переходе (эмиттерном) большое напряжение и не сделать. А вот на закрытом (коллекторном) — вполне можно.
— Пт фев 02, 2018 01:47:44 —
Manolo в сообщении #1289226 писал(а):
никто на переход база-коллектор напряжение не подает, ни закрывающее, ни открывающее-
Во-первых, подают, в схеме с общей базой. Во-вторых, напряжение база-коллектор — это напряжение эмиттер-коллектор минус напряжение эмиттер-база. А последнее всегда маленькое (переход то открыт).
Re: Вопросы по биполярным транзисторам
01.02.2018, 22:08
Manolo в сообщении #1289226 писал(а):
Но ведь если нет некой направляющей силы(поля), то число таких электронов будет мало? Или не так?
Не так. Диффузионный ток пропорционален градиенту (разности) концентрации. Исходно в базе электронов нет вовсе, поэтому в первый момент они туда ринутся как воздух из проколотого воздушного шарика. Дальше ток как-то устаканится, но градиент концентрации останется. Теория этого дела довольно затейлива (не зря же за биполярный транзистор дали Нобеля в том числе и теоретику — Бардину). По поводу перепутанных коллектора и эмиттера. Концентрация электронов в коллекторе меньше, значит меньше и диффузионный ток. Коллекторный переход заточен под удержание без пробоя высокого напряжения и еще некоторые вещи типа уменьшения собственной емкости перехода. Задача эмиттерного перехода — инжектировать носители, всё остальное вторично. Поэтому хороший коллектор это плохой эмиттер и наоборот.
Re: Вопросы по биполярным транзисторам
01.02.2018, 22:26
Последний раз редактировалось Manolo 01.02.2018, 22:34, всего редактировалось 1 раз.
Почему напряжение эмиттер-база всегда маленькое? Оно же, строго говоря, не связано с тем, открыт или закрыт переход, какое подадим-такое и будет. Нам для открытия нужно подать некий минимум, порядка 0,6 В для кремниевого транзистора, но это же не означает, что мы не можем подать на этот переход большее напряжение, взяли и кинули, скажем, от плюс 12 В батарейки основного питания, сколько-то осело на резисторе, но остальное у нас будет на переходе эмиттер-база. Переход, конечно, шире не откроется от этого, но напряжение-то никуда не денется.
При таком варианте что получится? Поле в базе станет сильным, оттягивать на себя больше электронов, и транзистор начнет работать некорректно? Т.е. отсюда и вытекает условие, что напряжение между коллектором и эмиттером должно быть больше, чем между эмиттером и базой, для нормальной работы транзистора?
amon Если честно, я все равно не очень понимаю, каким образом может возникнуть значимый диффузионный ток, если не принимаем в расчет электрическое поле. Ну, сильно легирован эмиттер, но электронам надо двигаться под действием чего-то и причем двигаться в определенном направлении, а не лишь бы как. С одной стороны, «минус» стремится к «плюсу», но так дырок в базе мало, потому «притянуть» много электронов они не могут. А другие электроны, которые именно за счет диффузии попадают, им энергию сообщает что? Температура окружающей среды, так получается. Но двигаться они будут при этом как бог на душу положит(раз поле мы не учитываем). Или вы хотите сказать, что само по себе количество электронов в эмиттере настолько велико, что количество электронов, которые «случайно» двинуться в нужном нам направлении-в базу, тоже будет многочисленным, так?