Транзисторы

 

 

Слово Transistor является аббревиатурой и представляет собой комбинацию слов Transfer + Varistor, используемых для описания их режима работы еще в первые дни своего создания.

Три изобретателя транзистора: (слева направо) Уильям Шокли, Джон Бардин. И Уолтер Браттен.
Которые были награждены Нобелевской премией 1956 года по физике.

 

Первый транзистор

 

Добавьте дополнительный полупроводниковый слой к соединительному диоду, и вы получите BJT. BJT - трехслойный (легированный) полупроводниковый "сэндвич",который может быть либо PNP, либо NPN.

 

 

BJT - это регулятор тока, управляемый током. Основной ток протекает от эмиттера к коллектору (PNP) или от коллектора к эмиттеру (NPN). Вы управляете основным током, изменяя  базовый ток. Управляющий ток протекает от эмиттера до базы (PNP-прямая проводимость) или от базы к эмиттеру (NPN-обратная проводимость). Маленькая стрелка на эмиттере всегда указывает направлении тока/ Ток эмиттера = базовый ток + ток коллектора по KCL (международный калибровочный стандарт для измерения электропроводности).

 

 

BJT являются «биполярными», потому что они используют оба типа несущей (электроны + дырки). Когда базовый ток равен 0 (или меньше порогового тока), транзистор выключен (становится полностью непроводящим. Когда базовый ток максимален, транзистор насыщается (становится полностью проводящим). Поскольку подвижность электронов больше подвижности дырок, NPN является более распространенным. Управляемый ток протекает через 2 внешних слоя, а не в базовом.

 

BJT как переключатель

Примечание: BJTs фактически имеют 5 рабочих режимов (а не только обрезание или насыщение)/ Для наших целей мы будем иметь дело главным образом с областями отсечки и насыщения, что позволяет нам использовать BJT в качестве прогрессивного переключателя

 

 

Крошечный сигнал, взятый из микрофона (представьте себе хлопок), однажды выпрямленный, можно использовать для включения базы транзистора и включения лампы. Крошечный ток будеи управлять гораздо большим током (усилением). Аккумулятор обеспечивает больший ток, а не транзистор (без магии). Чем громче хлопок, тем ярче горит лампочка (активный режим) пока не достигнет насыщения.

BJT, как мы уяснили, это в основном управляемое током устройство.

 

На транзисторе NPN

·Высокий потенциал на коллекторе
·Низкий потенциал у эмиттера
·Протекает ток, когда базовому элементу придается высокий потенциал

На транзисторе NPN

·Высокий потенциал на эмиттере
·Низкий потенциал на коллекторе
·Протекает ток, когда база подключена к низкому потенциалу

 

Режимы BJT

-Область отсечки: VBE <VFB, iB = 0
-Транзистор действует как выключатель
-Активная линейная область: VBE = VFB, iB ≠ 0, iC = βiB
-Транзистор действует как усилитель тока
-Область насыщения: VBE = VFB, iB> iC, max / β
В этом режиме транзистор действует как переключатель включения

 

3 параметра, представляющие интерес

-Коэффициент усиления по току (β)
-Падение напряжения от базы к эмиттеру при VBE = VFB
-Минимальное падение напряжения на коллекторе и эмиттере при насыщении транзистора

 

Поскольку биполярный транзистор является трехконтактным устройством, существует три возможных способа его подключения в электронной схеме, причем один вывод является общим для входа и выхода. Каждый способ соединения по-разному реагирует на входной сигнал в цепи, поскольку статические характеристики транзистора изменяются в зависимости от схемы.

• Общая конфигурация базы - имеет коэффициент усиления по напряжению , но не коэффициент усиления по току.
• Общая конфигурация излучателя - имеет коэффициент усиления по току и напряжению .
• Общая конфигурация коллектора - имеет коэффициент усиления по току, но без усиления напряжения .

 

Конфигурация с общей базой (ОБ)

Как следует из названия, в базовой конфигурации базовое соединение является общим как для входного сигнала, так и для выходного сигнала, при этом входной сигнал подается между базовым и эмиттерным терминалами. Соответствующий выходной сигнал берется между базовым и коллекторным терминалами, как показано на базовом терминале, заземленном или подключенном к фиксированной опорной точке напряжения.

Входной ток, протекающий в эмиттер, достаточно велик, так как сумма его как основного тока, так и тока коллектора соответственно, следовательно, токовый выход коллектора меньше входа тока эмиттера, что приводит к коэффициенту усиления по току для этого типа схемы «1», (Единицы) или меньше, другими словами, общая базовая конфигурация «ослабляет» входной сигнал.

Общая цепь базового транзистора

Эта конфигурация усилителя такого типа является схемой усилителя без инвертирующего напряжения, поскольку напряжения Vin и Vout сигнала являются « синфазными » . Этот тип структуры транзистора не очень распространен из-за его необычно высоких характеристик усиления напряжения. Его входные характеристики соответствуют характеристикам прямого смещенного диода, в то время как выходные характеристики соответствуют характеристикам освещенного фотодиода. Также этот тип биполярной конфигурации транзистора имеет высокое отношение выходного сигнала к входному сопротивлению или, что более важно, «нагрузочное» сопротивление ( RL ) к «входному» сопротивлению ( Rin ), что дает ему значение «Resistance Gain». Тогда коэффициент усиления напряжения ( Av ) для общей базовой конфигурации определяется как:

Общий базовый коэффициент усиления напряжения

Где: Ic / Ie - текущий коэффициент усиления, альфа ( α ) и RL / Rin - коэффициент усиления сопротивления. Схема общей базы обычно используется только в однокаскадных схемах усилителя, таких как микрофонный предусилитель или радиочастотный ( Rf ) усилители, благодаря своей очень хорошей частотной характеристике.

Конфигурация с общим эмиттером (ОЭ)

В конфигурации с общим эмиттером или заземленным эмиттером входной сигнал подается между базой и эмиттером, в то время как выходной сигнал берется между коллектором и эмиттером, как показано. Этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для транзисторных усилителей и представляет собой «нормальный» метод биполярного транзисторного соединения. Общая конфигурация усилителя эмиттера обеспечивает наибольший коэффициент усиления по току и мощности для всех трех конфигураций биполярных транзисторов. Это связано главным образом с тем, что входной импеданс НИЗКИЙ, поскольку он подключен к прямому смещенному PN-переходу, в то время как выходной импеданс ВЫСОКИЙ, как он взят из обратного смещенного PN-перехода.

Общая схема с эмиттером

В этом типе конфигурации ток, выходящий из транзистора, должен быть равен токам, втекающим в транзистор, когда ток эмиттера задан как Ie = Ic + Ib . Поскольку сопротивление нагрузки ( RL ) последовательно соединено с коллектором, коэффициент усиления тока общей конфигурации эмиттерного транзистора является довольно большим, поскольку он представляет собой отношение Ic / Ib . Текущий коэффициент усиления транзисторов задается греческим символом Beta , ( β ). Поскольку ток эмиттера для общей конфигурации эмиттера определяется как Ie = Ic + Ib , отношение Ic / Ie называется Alpha , учитывая греческий символ α . Обратите внимание: значение Alpha всегда будет меньше единицы. Поскольку электрическое соотношение между этими тремя токами Ib , Ic и Ie определяется физической конструкцией самого транзистора, любое небольшое изменение базового тока ( Ib ) приведет к значительно большему изменению тока коллектора ( Ic ) , Тогда небольшие изменения тока, текущего в базе, будут, таким образом, управлять током в схеме эмиттер-коллектор. Как правило, для большинства транзисторов общего назначения значение бета имеет значение от 20 до 200. Таким образом, если транзистор имеет значение бета, равное, например, 100, то один электрон будет течь от базового терминала на каждые 100 электронов, протекающих между клеммой эмиттер-коллектор. Объединяя выражения для Alpha , α и Beta , β математическое соотношение между этими параметрами и, следовательно, текущее усиление транзистора может быть задано как:

Где: « Ic » - ток, протекающий в коллекторную клемму, « Ib » - ток, протекающий в базовую клемму, а « Ie » - ток, текущий через клемму эмиттера. Затем подведем итог. Этот тип конфигурации биполярного транзистора имеет больший входной импеданс, силу тока и усиление мощности, чем у базовой конфигурации, но его коэффициент усиления намного ниже. Общая конфигурация излучателя представляет собой инвертирующую схему усилителя. Это означает, что результирующий выходной сигнал 180 ^° « находится в противофазе » с сигналом входного напряжения.

Конфигурация с общим коллектором (ОК)

В общем коллекторе или конфигурации с заземленным коллектором коллектор теперь распространен через источник питания. Входной сигнал подключается непосредственно к базе, а выход берется из нагрузки эмиттера, как показано. Этот тип конфигурации обычно называют цепью следящего элемента напряжения или схемы следящего элемента эмиттера . Конфигурация общего коллектора или эмиттерного повторителя очень полезна для приложений согласования импеданса из-за очень высокого входного импеданса в области сотен тысяч Ом при относительно низком выходном импедансе.

Общая схема

Общая конфигурация эмиттера имеет коэффициент усиления по току, приблизительно равный β- значению самого транзистора. В конфигурации общего коллектора сопротивление нагрузки расположено последовательно с эмиттером, поэтому его ток равен току эмиттерного тока. Поскольку ток эмиттера представляет собой комбинацию коллектора и суммарного тока базы, сопротивление нагрузки в этом типе конфигурации транзистора также имеет как коллекторный ток, так и входной ток базы, протекающей через него. Тогда текущее усиление схемы задается как:

Текущий коэффициент коллектора

Этот тип конфигурации биполярного транзистора является неинвертирующей схемой, в которой напряжения сигнала Vin и Vout являются « синфазными » . Он имеет коэффициент усиления по напряжению, который всегда меньше «1» (единица). Сопротивление нагрузки общего транзистора коллектора принимает как базовый, так и коллекторный токи, дающие большой коэффициент усиления по току (как в случае с общей конфигурацией эмиттера), что обеспечивает хорошее усиление тока с очень небольшим коэффициентом усиления по напряжению. Теперь мы можем суммировать различные зависимости между отдельными токами постоянного тока транзисторов, протекающими через каждую ветвь, и коэффициентами усиления постоянного тока, приведенными выше в следующей таблице.

Связь между DC-токами

Конфигурации BJT

С обобщенными характеристиками различных конфигураций транзисторов, приведенными в следующей таблице:

 

Типичная схема подключения

 

 

Решим задачку

 

Дано:

V_B - 5 В

R — 1 кОм

h_fe = 50

Найти:

I_ce -?

Решение:

 

I_BE =  =  = 0,005A

I_CE = I_BE h_fe = 0,005 x 50 = 0,25A

 

Вывод:

Если на базу подаётся 5 В через резистор в 1 кОм, транзистор откроется настолько, что будет способен пропустить до 250 мА. При этом управляющий ток составит всего 5 мА

 

Биполярный транзистор в качестве переключателя

Когда база NPN-транзистора заземлено (0 вольт) и ток базы отсутствует, Ib течет, ток не течет от эмиттера к коллектору, и поэтому транзистор отключается «OFF». Если база смещена вперед более чем на 0,7 вольт, ток будет протекать от эмиттера к коллектору, и транзистор считается включенным. При работе в этих двух режимах транзистор работает как переключатель. Проблема здесь заключается в том, что база транзисторов должна переключаться между нулем и некоторым большим положительным значением, чтобы транзистор стал насыщенным, в этот момент увеличенный базовый ток Ib поступает в устройство, в результате чего ток коллектора Ic становится большим, а Vce маленьким. Тогда мы можем видеть, что небольшой ток на базе может управлять гораздо большим током, протекающим между коллектором и эмиттером. Отношение тока коллектора к базовому току ( β ) известно как коэффициент усиления тока транзистора. Типичное значение β для стандартного биполярного транзистора может находиться в диапазоне от 50 до 200 и может варьироваться даже между транзисторами с одинаковой кодировкой цифрами но разными буквами.

 

Читаем далее по теме

 

Условные обозначения транзисторов

Транзистор IGBT

Транзистор JFET

Транзистор Дарлингтона

МОП- транзистор (MOSFET)