Транзисторы – это активные полупроводниковые приборы с несколькими электрическими переходами и тремя выводами, предназначенные для усиления сигнала и генерации колебаний. Транзисторы бывают разные, но можно выделить два основных класса: биполярные и полевые.
В биполярных транзисторах есть два p-n-перехода, через которые переносятся заряды двух полярностей – электроны (отрицательные) и дырки (положительные), поэтому их и называют «БИполярные». В полевых транзисторах физические процессы обусловлены движением зарядов одной полярности, их также называют «УНИполярными».
Это не все отличия транзисторов разных типов, поэтому давайте сначала поговорим о том, что такое биполярные транзисторы и как они работают.
Устройство и обозначение на схеме
Если вы читали статью о тиристорах, то помните, что их называют полууправляемыми ключами, потому что их можно открыть, но управлять моментом закрытия мы не можем (за исключением некоторых случаев). Транзистор же мы можем открывать и закрывать, когда это необходимо, поэтому их называют полностью управляемыми полупроводниковыми ключами.
Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся областей полупроводника с разной проводимостью (p- и n-проводимости). Между областями с разной проводимостью образуются два p-n-перехода. По типу проводимости различают две структуры биполярных транзисторов:
- С прямой проводимостью, обозначается как p-n-p.
- С обратной проводимостью, обозначается как n-p-n.
Области называются эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). Между областями находятся p-n переходы — эмиттерный (1) и коллекторный (2).
Условное графическое обозначение биполярных транзисторов по ГОСТ 2.730-73 на схеме изображено на рисунке 2, но на схемах, изданных в разных странах, оно может несколько отличаться, например, обозначаться в окружности или могут немного отличаться стрелки. Но основной вид не изменяется — эмиттер всегда со стрелкой, коллектор без стрелки, база между ними.
Принцип работы
Предлагаю в этой статье не углубляться в теорию, структуру и физические процессы, протекающие в транзисторы. Ограничимся простой практической частью, если вы хотите узнать подробнее — напишите об этом в комментариях.
Итак, транзисторы позволяют управлять большими токами с помощью малых токов. У него есть три вывода — эмиттер, коллектор и база. База – это управляющий электрод, на неё подают управляющий ток, а эмиттер с коллектором включают в цепь, которой необходимо управлять. С помощью транзистора можно усиливать ток или напряжение, что используется как в силовых цепях, так и для согласования цепей с разными параметрами.
Но как усиливает транзистор? Сам по себе транзистор ничего усилить не может, все изменения токов и напряжений происходят с помощью дополнительного источника питания.
Это похоже на реле или контактор, где управляющее напряжение может быть подано через небольшую кнопку от одного источника питания или приходить от выхода контроллера, а силовые контакты будут включать многокиловаттную нагрузку, запитанную от другого источника питания. При этом силовая цепь и управления могут отличаться по напряжению в любую сторону.
У транзистора сила тока коллектора пропорционально зависит от силы тока базы. Величина, которая связывает ток коллектора и тока базы называют коэффициентом усиления по току и обозначается как H21Э или латинской буквой B, он равен отношению тока коллектора (Ik) к току базы (Iб):
Например, коэффициент усиления транзистора равен 100. То если приложить напряжение между коллектором и эмиттером, и подать ток на базу силой в 10 мА, то через коллектор будет протекать ток силой в 1А.
Представим другую ситуацию, мы знаем Н21э транзистора, он равен 40, и какой ток коллектора нам нужно получить, тогда нужно подать на базу ток:
Iб=Iк/H21Э=1/40=0.025 А = 25 мА.
И наоборот, при известном токе базы Iб = 100 мА и Н21э = 50, можно посчитать какой будет ток коллектора:
Iк=Iб*H21э
Токе, протекающем через транзистор состоит из трёх составляющих: ток базы (Iб), коллектора (Iк) и эмиттера (Iэ). Ток эмиттера складывается из тока базы и тока коллектора.
Для работы транзистора нужно выполнить 2 условия – приложить напряжение между коллектором и эмиттером (Uкэ) и обеспечить протекание тока базы, для этого прикладывают напряжение между базой и эмиттером (Uэб). Для иллюстрации в качестве примера ниже изображена схема включения транзистора с общим эмиттером.
Чтобы понять, как используют транзистор на практике, рассмотрим простейшую схему включения транзистора для управления нагрузкой, изображённую на рисунке 5. У нас есть источник питания GB с постоянным напряжением на выходе, транзистор VT1, резистор R1, задающий ток базы, выключатель SA1 и лампочка накаливания EL1 в качестве нагрузки.
При замыкании ключа SA1 от источника GB1 через резистор R1 потечёт ток базы Iб и откроет транзистор VT1. Лампа EL1 загорится, и яркость её свечения зависит от тока коллектора. Изменяя сопротивление R1, мы увеличиваем или уменьшаем ток базы, соответственно увеличивается или уменьшается ток коллектора.
Как отмечалось выше, ток базы будет в H21э раз меньше тока коллектора, то есть если коэффициент усиления тока у транзистора равен 20, то ток базы будет в 20 раз меньше тока коллектора. Максимальный ток коллектора будет ограничен сопротивлением спирали лампы EL1.
Если резистор R1 заменить потенциометром – получим возможность регулировки яркости лампы, такая схема называется линейным регулятором, а режим, в котором будет работать транзистор, активным. Таким образом, с помощью транзистора можно усиливать ток, а в качестве управляющего может использоваться любой сигнал, например, от датчика, или звуковой сигнал.
Рассмотрим еще один практический пример, допустим, вам нужно, чтобы микроконтроллер включал или выключал нагрузку с напряжением 220В, но максимальный ток выхода 20 мА, напряжение логической единицы 5 вольт. Вы решаете использовать малогабаритное реле для монтажа на печатную плату с катушкой на 5 вольт типа SRD-05VDC-SL-С, но у него ток катушки 71.4 мА. Выход микроконтроллера просто сгорит, если подключить обмотку этого реле напрямую.
Значит, нужно усилить ток, будем использовать для этого использовать транзистор, включённый по схеме похожей на рассмотренную на рисунке 5. Для этого подойдёт npn-транзистор типа 2N2222A, с такими характеристиками:
- Напряжение коллектор-эмиттер — не более 40 В;
- Напряжение коллектор-база — не более 75 В;
- Напряжение эмиттер-база — не более 6 В;
- Ток коллектора не более 0.8 А.
Или любой другой подобный маломощный.
Тогда схема примет несколько другой вид (рисунок 6). Ток выхода микроконтроллера будет около 15 мА, что вписывается в допустимые значения, ток коллектора будет ограничен током катушки реле. Диод VD1 называют обратным, он нужен для подавления импульсов ЭДС самоиндукции при закрытии транзистора и отключении катушки, используется также маломощный, например, 1N4118.
Примерно и подключены реле к управляющему элементу (микроконтроллеру или аналоговым схемам) в различной автоматике, типа реле времени, освещённости или импульсных реле для управления освещением.
Принцип действия и схемы включения pnp-транзисторов аналогичны, отличается лишь полярность напряжения на всех выводах.
Основные схемы включения транзисторов и режимы работы
Различают 3 основных схемы включения транзисторов:
- С общим эмиттером.
- С общим коллектором.
- С общей базой.
Наиболее распространены первые два варианта, при них входная цепь эмиттер-база, а выходная – коллектор-эмиттер, соответственно входной ток – это ток базы, а выходной – коллекторный или эмиттерный ток. Схема с общим коллектором используется для усиления тока, на выходе сигнал (напряжение и ток в нагрузке Urэ) совпадает по фазе с сигналом управления. В схеме с общим эмиттером усиливается напряжение, а выходной сигнал (Uкэ) в противофазе со входным — выходное напряжение перевёрнуто относительно выходного, когда на входе высокое напряжение, на выходе оно близко к нулю.
В зависимости от задачи транзистор может работать в разных режимах:
- Режим насыщения. В этом режиме транзистор находится в проводящем состоянии, он полностью открыт, оба pn-перехода смещены в прямом направлении. Напряжение на транзисторе крайне низкое (доли – единицы вольт), и всё напряжение падает на нагрузке.
- Режим отсечки. В этом случае транзистор закрыт, ток через него не протекает, и оба перехода смещены в обратном направлении. В таком режиме через транзистор протекают только очень низкие обратные токи эмиттера (Iэбо) и коллектора (Iкбо).
- Активный режим. В этом случае транзистор проводит ток, но открыт не полностью и в какой-то степени ограничивает ток, при этом коллекторный переход смещён в обратном направлении, а эмиттерный в прямом.
- Инверсный активный режим. Здесь коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный смещён в обратном. Этот режим используется реже остальных.
Если в процессе работы транзистор резко переход из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то транзистор работает в ключевом режиме. Он используется в импульсных схемах источников питания, усилителей класса D, цифровой электронике. Активный режим используется в линейных регуляторах, усилителях класса А и других подобных схемах. Для сравнения потери в виде нагрева транзистора в ключевом режиме – минимальны, а в активном максимальны.
Заключение
23 декабря 1947 года прошла презентация нового изобретения – транзистора, этот день считается датой его рождения. Изобрели транзистор американские ученные У. Шокли, Д. Бардин и У. Браттейн, работавшие в то время в лаборатории Bell Labs. Спустя 9 лет, в 1956 году, изобретатели были удостоены Нобелевской премии.
Сначала транзистор называли полупроводниковым триодом, по аналогии с электронной лампой. Привычное нам название было придумано коллегой изобретателей Джоном Пирсом, и составлено из двух слов — transfer – передача и resistor – сопротивление, из его принципа действия – ток в базе изменяет сопротивление между коллектором и эмиттером.