Мы уже рассказывали, что такое транзисторы, для чего они нужны и как работают, если вам интересно можете прочесть эту статью. А сегодня давайте разберёмся как их использовать, и как они подключаются в схемах. Для наглядных иллюстраций предлагаю использовать простую бесплатную программу для моделирования электрических цепей Circuit .JS . Заодно посмотрим, как она работает и подходит ли для изучения основ электроники.
Немного теории
В прошлой статье мы узнали, что транзистор может по нашей команде пропускать через себя ток или отключать его. Да не просто пропускать, но и плавно регулировать его величину.
Но в реальных схемах транзисторы работают в определённом режиме, например:
- Если транзистор плавно регулирует силу тока в цепи, то он работает в активном (линейном) режиме.
- Если транзистор во время работы находится в двух характерных состояниях: «включено» (проводит ток, цепь замкнута) или «выключено» (не проводит ток, цепь разомкнута), то он работает в ключевом режиме. При этом состояние, в котором транзистор полностью открыт и не ограничивает ток называется режимом насыщения, а в котором полностью закрыт и не пропускает ток – режимом отсечки.
В режиме насыщения на биполярном транзисторе падает какое-то напряжение, которое может отличаться у разных транзисторов, но обычно находится в пределах вольт, а если быть точнее, то 0,3…0,5 вольт.
Для того чтобы транзистор открылся нужно подать какое-то напряжение на базу относительно эмиттера. Если мы обеспечим нужный ток базы, то через коллектор-эмиттер потечёт ток нагрузки.
При этом зависимость тока базы от напряжения не линейна, а повторяет ветвь параболы, и очень похожа на прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода.
На что обратить внимание? Ток базы при увеличении напряжения на ней растёт сначала медленно, а затем рост ускоряется, и примерно после 0,6 Вольт ток резко возрастает. При возрастании тока базы I б транзистор открывается — увеличивается ток коллектора I к. Значение тока базы и тока коллектора связаны через коэффициент усиления (H 21э) — I к=I б×H 21э.
При увеличении напряжения U бэ c 0 до 0,5 вольт ток возрос с 0 до 10 мА, а при увеличении с 0,5 до 0,6 вольт, всего на 20%, ток вырастет примерно до 30 мА, в целых 3 раза. При дальнейшем увеличении напряжения ток будет расти ещё быстрее, в итоге переход перегреется и транзистор выйдет из строя. Поэтому нельзя подавать напряжение на базу без токоограничительного транзистора, что мы сейчас и проверим.
Такие величины напряжения характерны для кремниевых транзисторов, которые, собственно, и используются в настоящее время. Реальные значения токов при указанных напряжениях могут отличаться, к тому же они зависят от температуры транзистора, а для полного открытия транзистора может потребоваться и больше 1 вольта, что вы и можете видеть на вырезке из технических характеристик NPN -транзистора типа MJE 13003.
У полупроводников положительный температурный коэффициент сопротивления, то есть при нагревании ток в них увеличивается, у проводников – наоборот.
В прошлой статье были приведены типовые схемы включения транзисторов, и на них было показано, что база-эмиттер и коллектор-эмиттер подключаются к разным источникам
Транзистор как ключ
Для начала попробуем включить лампочку транзистором по первой схеме, собственно, обычно именно так и управляют нагрузкой с помощью транзисторов. Для примера будем использовать NPN -транзистор, и пару источников питания. Минусы источников питания соединим друг с другом.
Важно! В программе circuit .JS нет привязки к реальным элементам, поэтому транзистор принимается каким-то условным, а из параметров в нём настраивается только коэффициент усиления H 21э, я его выставил на значение 100. Но это в рассматриваемом примере никак не влияет на правильность отображения поведения транзистора в схеме.
Попытаемся зажечь лампу на полную мощность. Лампа накаливания на 10 ватт должна потреблять ток около 0,83 ампер, давайте проверим, что у нас получится в опыте. На базу подадим +0,6 вольт, а на коллектор +12 вольт.
Видим, что практически всё напряжение падает на транзисторе, а ток в цепи лампа-коллектор-эмиттер всего лишь 1 мА. При этом ток базы 11 мкА (микроампер), при напряжении в 0,6 В, начнём увеличивать напряжение по 0,05 вольта и посмотрим, что будет происходить с цепью. (листайте картинки ниже влево).
Лампа засветилась, когда напряжение на базе достигло 0,8 вольт. При этом ток, протекающий через лампу, ток коллектора составляет 831 мА (0,83 А), при этом на лампе падает 11,973 В, а 0,83×11,97=9,9 ватта. Что, в общем, соответствует номинальной мощности, небольшое отклонение связано с наличием транзистора в цепи, падением напряжения на нём и особенностями программы.
Но что у нас творится с током базы? Он достиг почти 1 ампера, это очень много, а если учесть, что коэффициент усиления транзистора мы выбрали 100, то ток базы должен быть в 100 раз меньше тока коллектора – около 8 миллиампер.
Тут же мы видим, что ток базы действительно изменяется нелинейно. Как и было показано на вольт-амперной характеристике выше, он сильно увеличивается при незначительном изменении напряжения, например, при 0,6В он составлял 11 мкА, при 0,65В — 82 мкА, при 0,7В — 567 мкА и при 0,75 уже 3,9 мА (что равняется 3900 мкА). То есть суммарно напряжение увеличилось на 0,2 раза, а ток вырос в 390 раз.
Кроме этого, обратите внимание на ток эмиттера — он равняется сумме токов коллектора и тока базы, ниже приведена иллюстрация с прошлой статьи.
Что нужно сделать, чтобы ток базы принял нормальные значения? И так, ток через pn -переход база-эмиттер имеет нелинейную зависимость, и если его ничем не ограничить, то при подаче напряжения прямого смещения он будет неконтролируемо расти. В реальной схеме это недопустимо, так как при малейших изменениях параметров цепи, ток может «гулять» в обе стороны. Чтобы этого избежать, сигнал на базу подают через токоограничительный резистор.
Для примера добавим в цепь резистор номиналом 1 Ом, напряжение на базе так и оставим 0.8 вольта, посчитаем какой ток должен быть через резистор, известно, что падение напряжения на переходе база эмиттер составляет порядка 0.6 вольта, тогда на резисторе упадёт около 0.2 вольта, и ток через базу в этом случае составит:
IR =(U п-U бэ)/R базы=(0,8-0,6)/1=0,2/1=0,2А=200 мА
Но это расчёты, на практике видим, что ток снизился в 30 раз, и теперь он 33 мА, это уже хорошо. Но почему расчёты не совпали? Потому что в представленной в программе модели транзистора падение напряжение отличается от 0,6 В, чтобы его измерить в схему добавлен ещё один вольтметр, он показывает 0,77 В (или 770 мВ).
Давайте пересчитаем резистор базы, но уже подставим измеренное напряжение, и выразим R базы из предыдущей формулы. Для расчётов зададимся током:
I б=I к/H 21э=0,83/100=0,0083
R базы=(U п-U бэизм)/I б=(0,8-0,77)/0,0083=3,6 Ома
Заменим в схеме резистор базы с 1 Ома, на расчётные 3,6 Ома и посмотрим, как изменятся параметры схемы.
Как вы можете видеть лампа продолжает светить, ток через неё равен 0,823 ампера, что соответствует номинальному. А ток базы стал 8,5 мА, в расчёте у нас было 8,3 мА. Это незначительное отклонение связано с уменьшением падения напряжения на переходе, и в реальности никто не будет рассчитывать и подгонять номиналы элементов с такой точностью. Поэтому оставляем как есть.
Какие выводы мы можем сделать на текущий момент?
- Нельзя подавать напряжение на базу без токоограничивающего резистора.
- Ток базы нелинейно растёт с увеличением напряжения.
- Ток эмиттера равняется сумме токов базы и коллектора.
- Ток коллектора больше, чем ток базы в «коэффициент усиления» раз.
Как всё это выглядело бы на практике? На практике по подобной схеме подключается нагрузка к микроконтроллерам, ниже вы видите схему подключения лампы из брошюры по ардуино – популярной платформе среди любителей цифровой электроники.
И напряжение логической единицы у ардуино 5 вольт, давайте попробуем подобрать резистор ограничивающий ток базы под это напряжение.
R базы=(U п-U бэ)/I б=(5-0,77)/0,0083=509 Ом
И в программе для моделирования изменим резистор в схеме на 509 Ом, а напряжение сигнала на базе увеличим до 5 вольт.
Результаты «как в аптеке», ток базы ровно 8,3 мА, лампа горит с номинальной мощностью. Но в жизни резисторов на 509 Ом не бывает – ближайший в ряду Е24 на 510 Ом. Если мы заменим на этот резистор, то ситуация особо не изменится, всё и дальше будет нормально работать, но если так случилось, что резистор у нас и ряда Е12 и ближайшие к нему — 470 и 560 Ом.
Попробуем заменить резистор базы на 560 Ом, посмотрим, что из этого выйдет.
Ток базы снизился до 7,6 мА, соответственно транзистор прикрылся, и ток коллектора снизился до 0,76 А. Следовательно напряжение на лампе снизилось до 10,2 В, а на транзисторе увеличилось, до 1,8 В, так как он немного закрылся и ограничивает ток через лампу. Соответственно на нём выделяется мощность в виде тепла и он греется. В ключевом режиме это очень плохо, скорее даже недопустимо.
Соответственно такой резистор нам не подходит, возьмём другой имеющийся — на 470 Ом.
Видим, что ток базы немного превышает расчётный, ток коллектора соответствует номинальному току лампы, и в целом всё хорошо и в порядке. А что у нас произойдёт, если мы увеличим напряжение питания схемы? Допустим, вместо 12 вольт у нас окажется 15 или даже 20.
Когда напряжение подняли до 15 В, ток коллектора немного вырос, а напряжение на лампе достигло 13,6 вольт, что больше её номинального. При этом падение на транзисторе стало 1,33 В.
Когда напряжение подняли до 20 В, ток не измелился, как и напряжение на лампе, зато падение на коллекторе-эмиттере транзистора выросло до 6.34 В. То есть транзистор прикрылся и ограничил ток через лампу. Почему?
Помните, в начале статьи было сказано, что ток коллектора зависит от тока базы — I к=I б×H 21э? Ток базы у нас не изменился, ведь она питается от выхода микроконтроллера, стабильным напряжением 5В и ограничен резистором на 470 Ом.
По этой же причине напряжения питания с 12 до 15 вольт ток коллектора у нас вырос до 900 мА (коэффициент усиления равен 100, а 9 мА в базу умножить 100 равно 900 мА).
То есть при фиксированном токе базы, транзистор будет поддерживать заданный ток нагрузки при изменении питающего напряжения.
Хорошо это или плохо? Безусловно, тот факт, что транзистор поддерживает заданный ток положительно сказывается на состоянии подключённой нагрузке, но увеличившемуся напряжению нужно куда-то деваться! Так у нас на транзисторе выросло напряжение U кэ до 6,34 В, и через него протекает ток силой 0.9А, соответственно на транзисторе будет выделяться мощность в виде тепла:
P потерь =U ×I =6,34×0,9=5,7 Вт
На практике транзистор, у которого напряжение U кэ в рабочем режиме больше, чем напряжение насыщения (U кэнас) начнёт сильнее греться, так как рассеиваемая им мощность в тепло увеличится, чем когда он находится в насыщении и на нём падает маленькое напряжение (от долей вольта до пары вольт). И если мощность, рассеиваемая на транзисторе, превысит допустимую, то он выйдет из строя. У каждого транзистора такая мощность указывается в даташите.
Но что если у нас нет никакого микроконтроллера, и транзистор должен включать нагрузку при нажатии какой-то маломощной кнопки, или при замыкании какого-то маломощного контакта, например, геркона? На типовых схемах включения транзистора указаны два разных источника питания для цепи коллектор-эмиттер и для цепи база-эмиттер.
Но на практике, часто цепь управления транзистора и цепь нагрузки питаются от одного и того же источника. Даже и при использовании микроконтроллера часто он питается от того же источника, что и нагрузка, пусть и через индивидуальный стабилизатор. Как же быть?
В этом случае напряжение базы подаётся от этого источника через сопротивление, приведём пример этой схемы. Расчищаем сопротивление по приведённой выше формуле.
R базы=(U п-U бэ)/I б=(12-0,77)/0,0083=1353 Ом
Эта примитивная схема может дополняться дополнительными элементами, например RC -цепочкой параллельно транзистору, цепи для стабилизации параметров и прочее. Целью этой статьи было показать общие принципы управления нагрузкой с помощью транзистора, и в целом рассмотренное поможет понять принцип работы транзисторов, в различной бытовой электронике.
Нельзя не отметить, что когда управляющий контакт разомкнут база транзистора «висит» в воздухе, может улавливать какие-то помехи, и самопроизвольно открывать транзистор. Чтобы этого избежать, нужно сделать так, чтобы напряжение база-эмиттер в выключенном состоянии было равно нулю. Но если мы просто замкнём базу с минусом питания и эмиттером, то транзистор совсем не будет открываться. Собственно, это и логично, ведь переход база-эмиттер будет зашунтирован. Поэтому между ними подключают резистор, сопротивление которого обычно в 10 раз больше, чем у резистора базы, на практике ставят резистор сопротивлением 5-10 кОм.
Ну а теперь, предлагаю подвести итоги и сделать выводы.
Выводы
Сегодня мы увидели, как работает транзистор в режиме ключа, и как он усиливает ток. В обоих случаях, и от микроконтроллера, и через управляющий контакт мы подавали на базу ток всего лишь около 9 миллиампер, а через нагрузку протекал ток силой в 830 миллиампер. Кроме этого мы убедились, что ток базы зависит от напряжения нелинейно, поэтому его нужно ограничивать с помощью резистора. Так как сопротивление транзистора в режиме насыщения крайне мало, нельзя выключать его без нагрузки в цепи коллектора — сгорит.
Моделирование цепи мы выполняли в бесплатной программе circuit .JS . Она очень проста в освоении, и в ходе написания статьи я работал в ней впервые. С помощью этой программы можно посмотреть, как ведёт себя тот или иной элемент в различных включениях, а также промоделировать простые схемы для проверки перед сборкой. Если вам интересна электроника — крайне рекомендую ознакомиться с этой программой. Она значительно проще «профессиональных» конкурентов, но при этом значительно более функциональная других бесплатных аналогов.
