19K подписчиков

Диод, биполярный и полевой транзисторы для чайников

1,6K прочитали

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов. Изучив данный материал, вы сможете на "бытовом уровне" самостоятельно разобраться в работе некоторых электрических принципиальных схем, где эти самые компоненты применяются.

Направление электрического тока (упорядоченное движение частиц - носителей электрического заряда) в электротехнике и электронике принято от плюса к минусу источника питания (физики с этим не согласятся).

Простейшая электрическая цепь состоящая из Батареи G1 Переключателя SW1 и лампы накаливания EL1
Простейшая электрическая цепь состоящая из Батареи G1 Переключателя SW1 и лампы накаливания EL1
Движение зарядов по замкнутой электрической цепи
Движение зарядов по замкнутой электрической цепи

Полупроводниковый диод

Разновидностей диодов существует огромное множество, в статье речь пойдет про наиболее часто встречаемый в схемах выпрямительный диод.

Полупроводниковый диод - прибор с двумя выводами который пропускает ток в одном направлении и не пропускает в обратном.

Обозначение диода на схемах

По "нашенскому" ГОСТ на электрических принципиальных схемах диод чертят так:

Реальный диод и его условное обозначение на электрических принципиальных схемах
Реальный диод и его условное обозначение на электрических принципиальных схемах

В западной литературе и документации на компоненты обычно рисуют так:

П. Хоровиц У. Хилл "Искусство схемотехники"  стр. 158
П. Хоровиц У. Хилл "Искусство схемотехники" стр. 158

В книге "Электроника для начинающих" уже предлагают три варианта на выбор:

Чарльз Платт "Электроника для начинающих" стр. 158
Чарльз Платт "Электроника для начинающих" стр. 158

Если вы любитель и не собираетесь оформлять документацию по ЕСКД, то из чисто практических соображений достаточно знать, что изображение диода напоминает стрелочку. Ток течет, только в том направлении, куда эта стрелочка показывает - обратно соответственно не течет.

Полупроводниковый диод проводит ток только в одном направлении
Полупроводниковый диод проводит ток только в одном направлении

А поскольку принято, что ток течет от плюса к минусу, понять почему горит или не горит лампа El1 в этой простой схеме труда не составит:

Диод включен в прямом направлении лама EL1 светится
Диод включен в прямом направлении лама EL1 светится
Диод включен в обратном направлении лама L1 не светится
Диод включен в обратном направлении лама L1 не светится

Стрелочка в условном обозначении компонентов важная подсказка, так как она подскажет и как будет работать транзистор.

Биполярный транзистор

Трехвыводной полупроводниковый прибор.

Самый популярный транзистор времен СССР - КТ315
Самый популярный транзистор времен СССР - КТ315

Запомнить цоколевку самого массового транзистора времен СССР не сложно - поворачиваем его надписью к себе и произносим "ЭээКааБлин".

В остальных случаях лучше воспользоваться документацией:

Цоколевка импортного транзистора марки BC547
Цоколевка импортного транзистора марки BC547

Биполярный транзистор в режиме переключателя

Основное назначение транзистора - усиление сигнала.

Разбор работы транзистора в режиме усиления - это тема отдельной большой статьи. Однако во многих схемах транзистор используется именно как переключатель (открыт/закрыт). Для понимания работы таких схем информации изложенной в этой статьи будет достаточно.

Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n структуры.

Как открыть транзистор N-P-N структуры?

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-11

Чтобы открыть N-P-N транзистор, необходимо, чтобы от B(Базы) к E(Эмиттеру) по направлению куда указывает стрелочка протекал небольшой ток.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-12

В этой схеме мы этот ток получаем от источника питания G1. Вспоминаем правило - ток течет от плюса к минусу => следовательно база должна быть более положительна чем эмиттер (примерно на 0.7V) Резистор Rб нужен, чтобы ограничить ток проходящий через базу.

Транзистор открыт
Транзистор открыт

Скорость движения точек в этой симуляции отображает силу тока в цепи. Видно, что ток от G1 который открыл транзистор совсем небольшой. А вот через лампу EL1 протекает гораздо больший ток - в этом и заключаются усилительные свойства транзистора.

Если батарею G1 исключить или поменять полярность - транзистор закроется

Транзистор закрыт
Транзистор закрыт

Как открыть транзистор P-N-P структуры?

Также как N-P-N - пропустить небольшой ток в том направлении которое указывает стрелочка.

Транзистор P-N-P открыт.
Транзистор P-N-P открыт.

Стрелочка так же подсказывает как правильно подключить батарею Uэк от которой питается нагрузка - лампа EL.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-16
Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-17

Два простых правила:

  • ток течет от плюса к минусу
  • стрелочка указывает направление тока

расскажут как подключить диод и биполярный транзистор.

Полевые транзисторы

Типы полевых транзисторов гораздо более разнообразны чем биполярных. В статье будет разобрана схема переключателя на полевом транзисторе с изолированным затвором MOSFET.

Полевые транзисторы бывают N-канальные и P-канальные.

Как открыть N-канальный MOSFET

В книге "Искусство схемотехники" можно встретить такую аналогию:

П. Хоровиц У. Хилл "Искусство схемотехники"  стр. 122
П. Хоровиц У. Хилл "Искусство схемотехники" стр. 122

Открыть N-канальный MOSFET можно точно так-же как и биполярный N-P-N транзистор:

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-19

сделать Затвор более положительным чем Исток.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-20

Причем резистор в цепи Затвора не нужен, так как в открытом состоянии ток через Затвор MOSFET не проходит. (небольшой ток появляется только в момент открытия MOSFET.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-21

Это главное отличие переключателя на MOSFET от переключателя на биполярном транзисторе. Поэтому еще иногда говорят, что биполярные транзисторы управляются током, а полевые напряжением.

По этой же причине Затвор MOSFET нельзя оставлять "висящим в воздухе" (он может зарядиться от помех и транзистор откроется сам.

Схема простейшего переключателя на MOSFET N-канал
Схема простейшего переключателя на MOSFET N-канал

Резистор R1 (обычно номиналом 10-100 кОм) защищает затвор от помех. При нажатии на кнопку - на G(Затвор) относительно S(Исток) будет положительный потенциал и MOSFET откроется.

Как открыть P-канальный MOSFET

Схема простейшего переключателя на MOSFET P-канал будет выглядеть так:

Переключатель на P-канальном MOSFET
Переключатель на P-канальном MOSFET

Чтобы открыть P-канальный MOSFET нужно - сделать Затвор более отрицательным чем Исток.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-24
Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-25

Резюме:

  1. Направление тока на схемах всегда от "плюса" к "минусу".
  2. Ток через диод течет только в том направлении, куда указывает стрелка в его условном обозначении, и не течет в обратном.
  3. Биполярные транзисторы открываются, если пропустить ток между Базой и Эмиттером в том направлении куда указывает стрелка в условном обозначении транзистора.
  4. Для открытия N-канального MOSFET затвор "тянем к плюсу источника питания".
  5. Для открытия P-канального MOSFET затвор "тянем к минусу источника питания" (земле).

Практика:

Разберем схему ключа на 2-х транзисторах. С выхода микроконтроллера у нас может приходить либо 0V (лог 0), либо +5V (лог1).

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-26

Пусть сейчас напряжение на входе схемы равно 0.

Первый транзистор (Т1) биполярный:
Биполярные транзисторы открываются, если пропустить ток между Базой и Эмиттером в том направлении куда указывает стрелка в его условном обозначении.
Второй транзистор (Т2) P-канальный MOSFET:
Для открытия P-канального MOSFET затвор тянем к минусу источника питания (земле).

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-27

Т1 закрыт, потому что току который бы мог протекать между базой и эмиттером взяться неоткуда.
T2 закрыт потому что на коллекторе T1 сейчас напряжение источника питания, так как транзистор T1 закрыт.
Лампа соответственно не горит.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-28

Напряжение на входе схемы равно +5V.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-29

Ток от микроконтроллера через резистор 10К проходит через базу к эмиттеру Т1. Транзистор Т1 открывается. Сопротивление открытого Т1 (путь К-Э) гораздо меньше чем сопротивление 4.7К. Затвор транзистора Т2 оказывается "притянут к земле" через открытый Т1. Он тоже открывается. Лампа EL светится.

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-30

Данный ключ на двух транзисторах использовался в кото-кормушке на Ардуино. Он снимал питание с сервопривода дозатора, когда кот ей не пользовался, чтобы беречь ресурс. Сама кормушка работала 24/7 в течении нескольких лет.

Схема кормушки на Arduino Naano
Схема кормушки на Arduino Naano

Сервопривод управляется отдельным выходом микроконтроллера, и поэтому обязательно должен быть подключен к шине GND. Комбинация "ключа" из 2-х транзисторов позволила легко решить данную проблему.

Понятно, что фразы "ток в направлении по стрелочке", и "тянуть к земле" звучат "колхозно" по сравнению с определениями из учебников:

Данная статья, дает только общие представления о работе некоторых электронных компонентов.-32

За то, они дают возможность быстро понимать, как работает та или иная схема, и запоминать где у диода находится анод, а где катод совсем не обязательно. В самом условном обозначении радиокомпонентов есть все необходимые подсказки и как они работают и как их правильно подключить.

Но, это мое мнение, а Ваше как обычно жду в комментариях.

Если материал понравился - не забываем ставить лайк (иначе Дзен его больше ни кому не покажет, а писать в пустоту мне как автору не очень интересно).

Оглавление канала тут

Всем удачи!