Как работает ик транзистор: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Содержание

Транзистор — Transistor — qaz.wiki

Твердотельный переключатель с электрическим управлением, также используемый в качестве усилителя

Разборные дискретные транзисторы. Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3 , ТО-126 , ТО-92 , СОТ-23 .

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор , используемый для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии . Он состоит из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами для подключения к внешней цепи. Напряжения или ток применяется к одной паре клемм управления транзистором тока через другую пару клемм. Поскольку управляемая (выходная) мощность может быть выше управляющей (входной) мощности, транзистор может усиливать сигнал. Сегодня некоторые транзисторы упаковываются по отдельности, но гораздо больше встроено в интегральные схемы .

Австро-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но в то время фактически было невозможно построить работающее устройство. Первым рабочим устройством, которое было создано, был точечный транзистор, изобретенный в 1947 году американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном, когда они работали под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs . Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои достижения. Наиболее широко используемый транзистор является МОП — транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор), также известный как МОП — транзистора, который был изобретен Mohamed Atalla с Давон Канг в Bell Labs в 1959 году полевого МОП — транзистора был первым по- настоящему компактный транзистор которые могут быть уменьшены в размерах и произведены серийно для широкого круга применений.

Транзисторы произвели революцию в области электроники и , среди прочего , проложили путь для меньших и более дешевых радиоприемников , калькуляторов и компьютеров . Первый транзистор и полевой МОП-транзистор входят в список основных этапов развития электроники IEEE . МОП-транзистор является основным строительным блоком современных электронных устройств и широко используется в современных электронных системах.

По оценкам, в период с 1960 по 2018 год было изготовлено 13 секстиллионов полевых МОП-транзисторов (не менее 99,9% всех транзисторов), что сделало полевые МОП-транзисторы наиболее широко производимым устройством в истории.  

Большинство транзисторов изготовлено из очень чистого кремния , а некоторые из германия , но иногда используются и другие полупроводниковые материалы. Транзистор может иметь носитель заряда только одного типа, в полевом транзисторе, или может иметь два типа носителей заряда в устройствах с биполярным переходом . По сравнению с вакуумной лампой транзисторы, как правило, меньше и требуют меньше энергии для работы. Некоторые электронные лампы имеют преимущества перед транзисторами при очень высоких рабочих частотах или высоких рабочих напряжениях. Многие типы транзисторов изготавливаются по стандартизованным спецификациям несколькими производителями.

История

Термоэлектронной триод , вакуумная трубка изобретен в 1907 году, позволило усиленный радио технологии и междугородной телефонной связи . Однако триод был хрупким устройством, потребляющим значительное количество энергии. В 1909 году физик Уильям Экклс открыл генератор на кристаллическом диоде. Австро-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд подал патент на полевой транзистор (FET) в Канаде в 1925 году, который должен был стать твердотельной заменой триода. Лилиенфельд также зарегистрировал идентичные патенты в США в 1926 и 1928 годах. Однако Лилиенфельд не публиковал никаких исследовательских статей о своих устройствах, и в его патентах не приводились какие-либо конкретные примеры рабочего прототипа. Поскольку до производства высококачественных полупроводниковых материалов оставалось еще несколько десятилетий, идеи твердотельных усилителей Лилиенфельда не нашли бы практического применения в 1920-х и 1930-х годах, даже если бы такое устройство было построено. В 1934 году немецкий изобретатель Оскар Хайль запатентовал подобное устройство в Европе.

Биполярные транзисторы

С 17 ноября 1947 года по 23 декабря 1947 года , Джон Бардин и Уолтер Браттейн в AT & T «s Bell Labs в Мюррей — Хилл, штат Нью — Джерси , провели эксперименты и наблюдали , что , когда две точки контакта золота были применены к кристаллу германия , сигнал был произведен с выходной мощностью больше входной.

Руководитель группы по физике твердого тела Уильям Шокли увидел в этом потенциал и в течение следующих нескольких месяцев работал над значительным расширением знаний о полупроводниках. Термин « транзистор» был придуман Джоном Р. Пирсом как сокращение от термина « трансрезистентность» . По словам Лилиан Ходдесон и Вики Дэйч, авторов биографии Джона Бардина, Шокли предложил, чтобы первый патент Bell Labs на транзистор был основан на полевом эффекте и чтобы он был назван его изобретателем. Обнаружив патенты Лилиенфельда, которые ушли в безвестность несколько лет назад, юристы Bell Labs посоветовали не соглашаться с предложением Шокли, потому что идея полевого транзистора, использующего электрическое поле в качестве «сетки», не нова. Вместо этого в 1947 году Бардин, Браттейн и Шокли изобрели первый транзистор с точечным контактом . В знак признания этого достижения Шокли, Бардин и Браттейн были совместно награждены Нобелевской премией по физике 1956 года «за свои исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Исследовательская группа Шокли первоначально пыталась создать полевой транзистор (FET), пытаясь модулировать проводимость полупроводника , но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и материалами соединений германия и меди. . В ходе попыток понять загадочные причины их неспособности построить работающий полевой транзистор, они вместо этого изобрели биполярные точечные и переходные транзисторы .

Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

В 1948 году точечный транзистор был независимо изобретен немецкими физиками Гербертом Матаре и Генрихом Велкером, когда они работали в Compagnie des Freins et Signaux

, дочерней компании Westinghouse, расположенной в Париже . Матаре ранее имел опыт разработки кристаллических выпрямителей из кремния и германия в немецких радиолокационных станциях во время Второй мировой войны . Используя эти знания, он начал исследовать явление «интерференции» в 1947 году. К июню 1948 года, наблюдая токи, протекающие через точечные контакты, Матаре получил последовательные результаты, используя образцы германия, произведенные Велкером, аналогично тому, что Бардин и Браттейн достигли ранее в Декабрь 1947 г. Понимая, что ученые Bell Labs уже изобрели транзистор до них, компания поспешила осуществить свой «переход» в производство для усиленного использования в телефонной сети Франции и 13 августа 1948 г. подала свою первую заявку на патент на транзистор.

Первые биполярные транзисторы с переходом были изобретены Уильямом Шокли из Bell Labs, который подал заявку на патент (2569347) 26 июня 1948 года. 12 апреля 1950 года химики Bell Labs Гордон Тил и Морган Спаркс успешно создали работающий усилитель биполярного NPN перехода. германиевый транзистор. Bell Labs объявила об открытии этого нового транзистора «сэндвич» в пресс-релизе 4 июля 1951 года.

Поверхностно-барьерный транзистор Philco разработан и произведен в 1953 году.

Первым высокочастотным транзистором был германиевый транзистор с поверхностным барьером, разработанный Philco в 1953 году и способный работать на частоте до 60 МГц . Они были сделаны путем травления углублений в германиевой основе N-типа с обеих сторон струями сульфата индия (III) до толщины в несколько десятитысячных дюйма. Индий, нанесенный гальваническим методом в углубления, образовал коллектор и эмиттер.

Первый «прототип» карманного транзисторного радиоприемника был продемонстрирован компанией INTERMETALL (компания, основанная Гербертом Матаре в 1952 году) на Internationale Funkausstellung Düsseldorf с 29 августа 1953 года по 6 сентября 1953 года. Первым «серийным» карманным транзисторным радиоприемником был Regency TR. -1 , выпущенный в октябре 1954 года. TR-1 производился совместным предприятием Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, IDEA и Texas Instruments из Далласа, штат Техас, в Индианаполисе, штат Индиана. Это было почти карманное радио с четырьмя транзисторами и одним германиевым диодом. Промышленный дизайн был передан чикагской фирме Painter, Teague and Petertil. Первоначально он был выпущен в одном из шести разных цветов: черный, слоновая кость, красный мандарин, серый, красное дерево и оливково-зеленый.

Вскоре должны были появиться и другие цвета.

Первый «серийный» полностью транзисторный автомобильный радиоприемник был разработан корпорациями Chrysler и Philco, и о нем было объявлено в выпуске Wall Street Journal от 28 апреля 1955 года. Осенью 1955 года компания Chrysler выпустила полностью транзисторную автомобильную радиостанцию ​​Mopar model 914HR в качестве опции для своей новой линейки автомобилей Chrysler и Imperial 1956 года, которые впервые появились в автосалоне 21 октября 1955 года.

Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым серийно транзисторные радиоприемники, что приводит к проникновению на массовый рынок транзисторных радиоприемников. К середине 1960-х TR-63 было продано семь миллионов единиц по всему миру. Успех Sony с транзисторными радиоприемниками привел к тому, что в конце 1950-х годов транзисторы заменили электронные лампы в качестве доминирующей электронной технологии .

Первый рабочий кремниевый транзистор был разработан в Bell Labs 26 января 1954 года Моррисом Таненбаумом . Первый коммерческий кремниевый транзистор был произведен Texas Instruments в 1954 году. Это была работа Гордона Тила , специалиста по выращиванию кристаллов высокой чистоты, ранее работавшего в Bell Labs.

MOSFET (МОП-транзистор)

Основная статья: MOSFET

Полупроводниковые компании первоначально сосредоточились на переходных транзисторах в первые годы полупроводниковой промышленности . Однако соединительный транзистор был относительно громоздким устройством, которое было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало его применение в нескольких специализированных областях. Полевые транзисторы (FET) теоретизировались как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не могли заставить полевые транзисторы работать должным образом, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал.

В 1950-х годах египетский инженер Мохамед Аталла исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в Bell Labs, где он предложил новый метод изготовления полупроводниковых устройств , покрывая кремниевую пластину изолирующим слоем оксида кремния, чтобы электричество могло надежно проникать в проводящие провода. кремний внизу, преодолевая поверхностные состояния, препятствующие проникновению электричества в полупроводниковый слой. Это известно как пассивация поверхности , метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку позже он сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем . Он представил свои открытия в 1957 году. Основываясь на своем методе пассивации поверхности, он разработал процесс металл-оксид-полупроводник (МОП). Он предложил использовать процесс MOS для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора, над созданием которого он начал работать с помощью своего корейского коллеги Давона Канга .

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET), также известный как МОП — транзистора, был изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в 1959 году полевого МОП — транзистора был первым по- настоящему компактный транзистор , который может быть миниатюрного и массового производства для а широкий спектр использования. Благодаря высокой масштабируемости , гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, MOSFET позволил создавать интегральные схемы высокой плотности , позволяющие объединить более 10 000 транзисторов в одной ИС.

КМОП (дополнительная МОП ) была изобретена Чих-Тан Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. Первое сообщение о МОП-транзисторе с плавающим затвором было сделано Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. МОП — транзистор с двойным затвором был впервые продемонстрирован в 1984 г. — исследователи Электротехнической лаборатории Тосихиро Секигава и Ютака Хаяси. FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного неплоского полевого МОП — транзистора с несколькими затворами , возник в результате исследований Дая Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году.

Важность

Транзисторы являются ключевыми активными компонентами практически всей современной электроники . Таким образом, многие считают транзистор одним из величайших изобретений 20 века.

МОП — транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор), также известный как МОП — транзистор, на сегодняшний день является наиболее широко используемый транзистор, используемый в приложениях , начиная от компьютеров и электроники для коммуникационных технологий , таких как смартфоны . MOSFET считается самым важным транзистором, возможно, самым важным изобретением в электронике и рождением современной электроники. МОП-транзистор был фундаментальным строительным блоком современной цифровой электроники с конца 20 века, открывая путь в цифровую эпоху .

Полевой транзистор принцип работы для чайников

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя  третьего контакта.  на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

  • Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
  • Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся  на участке n;
  • Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с  n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

  1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
  2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
  3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
  4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

  • устройства под управлениями р-n переходов;
  • устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем.  Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей.  Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

  1. Усиления высокой частоты.
  2. Усиления низкой частоты.
  3. Модуляции.
  4. Усиления постоянного тока.
  5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке.  Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

 

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

  • каскады детали расходуют малое количество энергии;
  • показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
  • достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
  • обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

  • менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
  • на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
  • чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Видео «Устройство и принцип работы полевого транзистора»

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.


Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔId /ΔUGS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. IDmax — максимальный ток стока.

2.UDSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.UGSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.РDmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.ton — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.toff — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.RDS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Для чего нужен транзистор в электрической цепи: назначение и принцип работы

Транзистор в качестве переключателя

Транзисторы можно рассматривать как электронные коммутаторы. Транзистор используется для включения различных устройств, таких как двигатели, фонари и так далее. Так же, как и выключатель света в комнате, транзистор может включать и выключать лампочку накаливания.

Это достаточно удобно, так как небольшой источник напряжения может быть использован для коммутации большого источника напряжения. Давайте рассмотрим это на простом примере с использованием обычной лампочкой.

На рисунке выше мы имеем транзистор, подключенный к лампочке и к двум различным источникам питания. Давайте сперва посмотрим на левую половину схемы:

  • Минус низковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
  • Плюс низковольтной батареи подсоединен к затвору транзистора.

В этой конфигурации транзистор открыт. Вы можете видеть, как небольшой ток протекает через транзистор от затвора к истоку. Теперь давайте посмотрим на правую половину схемы:

  • Минус высоковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
  • Плюс высоковольтной батареи подключен к одному из выводов лампочки.

Другой вывод лампочки подключен к стоку транзистора.

Поскольку транзистор открыт, то больший ток протекает через лампочку, далее через транзистор от стока к истоку. Если вы отключите низковольтную батарею от транзистора, то транзистор закроется, а лампочка погаснет.

Обратите внимание, что транзистор здесь работает в качестве ключа, включая и выключая лампочку под действием низковольтного напряжения.

Данная схема не особо полезна на практике. Однако, когда мы заменим низковольтную батарею другим источником напряжения, то транзисторный ключ становится намного интереснее.

Вместо того чтобы переключать транзистор с помощью низковольтной батареи, мы можем включать его и выключать с помощью других источников напряжения. В качестве примера приведем несколько источников сигнала, способных влиять на переключения транзистора:

  • Микрофон, создающий переменный электрический сигнал в зависимости от уровня звука.
  • Солнечная батарея, вырабатывающая постоянное напряжение при освещении ее поверхности.
  • Датчик влажности.

Обратите внимание, что все перечисленные выше датчики реагирует на различные источники сигнала. Используя их слабое выходное напряжение можно управлять гораздо более мощным устройством.

Следующий пример применения транзистора

В данном примере мы имеем микрофон, соединенный с затвором полевого транзистора и лампу накаливания, подключенную к транзистору и повышенному источнику питания. Теперь при улавливании звука микрофоном, лампочка будет загораться. И чем громче будет звук, тем ярче будет светиться лампа.

Это происходит потому, что микрофон создает напряжение, поступающее на затвор полевого транзистора. При появлении сигнала на затворе происходит отпирание транзистора, в результате чего через транзистор начинает течь ток от стока к истоку.

Фактически, в этой схеме полевой транзистор играет роль усилителя сигнала. Для еще большего усиления можно использовать еще один транзистор.

Примечание: в этой схеме мы использовали громкоговоритель в качестве микрофона, так как динамик генерирует более сильное напряжение по сравнению с Электродинамическим микрофоном.

Данная схема аналогична предыдущей, только теперь вместо лампы подключен электродвигатель. Это позволяет управлять скоростью вращения электродвигателя силой звука поступающего в динамик.

Чем громче вы кричите в микрофон, тем быстрее двигатель будет вращаться.

Транзистор в режиме инвертора

До сих пор все наши примеры были основаны на включении нагрузки при подаче напряжения на затвор транзистора. Транзистор так же может работать и в инверсном режиме, это когда он проводит ток при отсутствии входного напряжения на затворе.

Рассмотрим данный режим работы транзистора на примере простой охранной сигнализации, издающей звук при обрыве тонкого провода охранного шлейфа.

Сперва, мы должны с типами полевых транзисторов. Все транзисторы бывают двух разных типов проводимости: P-канальный и N-канальный.

N-канальный

P-канальный
Транзистор открыт при подаче напряжения на затвор

Транзистор заперт при подаче напряжения на затвор

Единственная разница в символьном обозначении является направление стрелки затвора.

До сих пор все наши примеры были связаны с полевым транзистором N-канальным. Транзисторы данного типа доминируют в радиоэлектронных схемах, поскольку они дешевле в производстве. Тем не менее, в следующем примере мы используем Р-канальный полевой транзистор.

Помните, что Р-канальный полевой транзистор находится в закрытом состоянии в тот момент, когда на его затворе находится управляющее напряжение. Поэтому, как видно из вышеприведенной схемы, звуковой генератор (buzzer) будет в выключенном состоянии до тех пор, пока провод цел. Как только провод будет разорван, напряжение на затворе пропадет, и транзистор начнет пропускать ток, и активирует звуковой генератор.

Пока охранный шлейф не оборван, основная аккумуляторная батарея бездействует и тем самым сохраняет свой заряд. В тоже время, для обеспечения напряжения на затворе транзистора необходимо ничтожно малый ток малой батареи, и ее хватит на очень длительный срок.

Мы так же можем оптимизировать данную схему и использовать всего один источник питания. Все, что мы должны сделать, это подключить охранный шлейф к затвору и плюсу большой батареи и исключить малую батарею.

Назначение и принцип работы.

Устройства, информирующие машиниста о состоянии путевых сигналов, независимо от профиля пути и погоды, называются автоматической локомотивной сигнализацией. На железных дорогах в основном применяется АЛСН (АЛСТ применяется только на участках, а полуавтоблокировкой). АЛС-ЕН применяется на участках высокоскоростного движения. Передача сигналов с пути на локомотив осуществляется посредством непрерывной индуктивной связи приемных катушек с рельсовыми цепями, по которым от каждого путевого светофора на встречу поезду подается переменный кодированный ток. Для передачи на локомотив нескольких сигнальных показаний используется числовой код, применяемый в системе кодовой числовой блокировки. Коды локомотивной сигнализации представляют собой периодически повторяющиеся комбинации импульсов тока. Зеленому огню соответствуют три импульса в одном цикле, желтому — два импульса, желтому с красным – один импульс в цикле.

Система АЛСН состоит из путевых и локомотивных устройств.

К путевым устройствам относятся:

— шкаф с электрической аппаратурой, среди которой есть кодовый трансмиттер. Он состоит из асинхронного двигателя, который через червячный редуктор вращает валик с тремя текстолитовыми шайбами. Полный оборот валика 1,6 сек.

— шайба зеленого огня имеет три выступа. К этой шайбе прижаты два контакта, которые при набегании на выступ замыкаются, т.е. за один оборот три замыкания.

— шайба желтого огня имеет два выступа, поэтому контакты имеют два замыкания за оборот.

— шайба красно-желтого огня имеет два диаметрально противоположных выступа через 180 градуса, значит, при вращении замыкаются равномерно по времени.

Все три группы контактов постоянно работают со своими шайбами, но электрически включена только одна группа контактов одной шайбы. Каждый выступ на шайбах имеет определенную ширину, которая определяет длительность включенного состояния трансмиттерного реле.

Трансмиттерное реле имеет сильноточный контакт на 25 ампер. Этот контакт коммутирует первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к рельсовому пути.

Вторичная обмотка путевого трансформатора подает в рельсовую цепь напряжение 12 вольт. Стыки каждого блок — участка вначале и в конце отделяются изоляцией, а внутри дополняются шунтами.

К локомотивным устройствам относятся:

— приемные катушки А-91, соединенные последовательно, принимают кодовые импульсы от рельсовой цепи и передают их на усилитель. На тепловозах и электровозах применяются катушки с разными электрическими характеристиками.

— усилитель УК-25/50 усиливает мощность принятых импульсов, поступающих от приемных катушек, преобразует переменный ток в постоянный и посылает его в дешифратор. Усиление напряжения с 0,2 вольта до 50 вольт.

— дешифратор ДКСВ-1 расшифровывает импульсный код, включает на локомотивном светофоре сигнальный огонь и управляет работой автостопа. Имеет три схемных блока: узел реле счетчиков, узел сигнальных реле, узел АЛСН, который увязывает дешифратор с ЭПК, скоростемером, РБ.

— скоростемер обеспечивает действие автостопа в случаях превышения скоростей, а также регистрирует на скоростемерной ленте показания локомотивного светофора.

— электропневматический клапан (ЭПК) — выполняет экстренное торможение по команде АЛСН.

— рукоятка бдительности (РБ-70)-служит для подтверждения машинистом своей бдительности и предупреждения принудительного торможения автостопом.

-локомотивный светофор имеет следующие значения:

Дата добавления: 2016-02-24; просмотров: 344;

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
  2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
  3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
  4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

  1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
  2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
  3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
  4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти 🙂

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P. S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Ваш email: Подписаться

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия,

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Ключевой режим работы транзистора, наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.


Использование транзистора в ключевом режиме

но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает. Правила приведены для транзистора p-n-p-типа, но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:

Принцип работы трназистора

  • 1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
  • 2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод база – коллектор открыт, а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
  • 3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
  • 4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор IК прямо пропорционален току базы IБ и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей в

3. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3. 2. Статические характеристики биполярных транзисторов

3.2.1. Схема с общей базой

3.2.2. Схема с общим эмиттером

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко — на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)

б)

Рисунок 3. 1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n1+-p меньше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).

Рисунок 3.2

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n+). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1+) называется эмиттером, а область n2коллектором. Соответственно переход n1+-р называют эмиттерным, а n2-pколлекторным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Правая область n+ служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э — эмиттер; Б — база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой — дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)

б)

в)

Рисунок 3.3.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер — база UЭБ), а на коллекторном переходе — обратное (напряжение коллектор — база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный — обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (UЭБ = -UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов UКБ = UКЭ + UЭБ. Так как UЭБ = -UБЭ, тo UКБ = UКЭ — UБЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным — в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ = -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = UЭК — UБК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где Iэ р, Iэ n — инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а Iэрек — составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода Iэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие Iэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад Iэ рек незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток Iэ р, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера Iэ n и Iэ рек протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты Iэ n, Iэ рек должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током Iэ рек

. (3.4)

Коэффициент инжекции g Э «тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение Iэ n/ Iэ р. Величина Iэ n/ Iэ р << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора NАЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NДБ в базе (NАЭ >> NДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок — неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ рек, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию

Как использовать транзисторы | Самодельные схемотехнические проекты

Если вы правильно поняли, как использовать транзисторы в схемах, возможно, вы уже покорили половину электроники и ее принципов. В этом посте мы делаем попытку в этом направлении.

Введение

Транзисторы представляют собой полупроводниковые устройства с 3 выводами, которые способны проводить относительно высокую мощность через свои два вывода в ответ на значительно низкую мощность, потребляемую на третьем выводе.

Транзисторы в основном бывают двух типов: транзистор с биполярным переходом (BJT) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)

Для BJT 3 вывода обозначаются как база, эмиттер, коллектор .Сигнал малой мощности на выводе база / эмиттер позволяет транзистору переключать нагрузку сравнительно высокой мощности через вывод коллектора.

Для полевых МОП-транзисторов они обозначаются как затвор, источник, сток. Сигнал низкой мощности на выводе затвор / исток позволяет транзистору переключать нагрузку сравнительно высокой мощности через вывод коллектора.

Для простоты мы обсудим здесь BJT, поскольку их характеристика менее сложна по сравнению с MOSFET.

Транзисторы (BJT) являются строительными блоками всех полупроводниковых устройств, используемых сегодня.Если бы не было транзисторов, не было бы никаких микросхем или любого другого полупроводникового компонента. Даже ИС состоят из тысяч тесно связанных транзисторов, которые составляют особенности конкретного чипа.

Начинающим любителям электроники обычно трудно обращаться с этими полезными компонентами и настраивать их как схемы для предполагаемого применения.

Здесь мы изучим функции и способы использования и внедрения биполярных транзисторов в практические схемы.

Как использовать транзисторы, такие как коммутатор

Биполярные транзисторы, как правило, представляют собой трехпроводной активный электронный компонент, который в основном работает как переключатель для включения или выключения питания внешней нагрузки или соответствующего электронного каскада схемы.

Ниже приведен классический пример, в котором транзистор подключен как усилитель с общим эмиттером:

Это стандартный метод использования любого транзистора в качестве переключателя для управления заданной нагрузкой. Вы можете видеть, когда к базе прикладывается небольшое внешнее напряжение, транзистор включается и проводит более сильный ток через выводы эмиттера коллектора, включая большую нагрузку.

Помните, что отрицательная линия или линия заземления внешнего напряжения должна быть соединена с линией заземления транзистора или эмиттером, в противном случае внешнее напряжение не будет влиять на транзистор.

Использование транзистора в качестве драйвера реле

Я уже объяснял в одном из своих предыдущих постов, как сделать схему драйвера транзистора.

В основном используется та же конфигурация, что и показанная выше. Вот стандартная схема для того же:

Если вы не уверены в реле, вы можете обратиться к этой всеобъемлющей статье, которая объясняет все о конфигурациях реле.

Использование транзистора для регулятора освещенности

Следующая конфигурация показывает, как транзистор может использоваться в качестве регулятора яркости света с использованием схемы эмиттерного повторителя.

Вы можете видеть, как изменяется переменный резистор или горшок, интенсивность лампы также меняется. Мы называем это эмиттерным повторителем, потому что напряжение на эмиттере или на лампе следует за напряжением на базе транзистора.

Точнее, напряжение эмиттера будет всего на 0,7 В ниже напряжения базы. Например, если базовое напряжение 6 В, эмиттер будет 6 — 0,7 = 5,3 В и так далее. Разница 0,7 В обусловлена ​​минимальным падением прямого напряжения транзистора на базе эмиттера.

Здесь сопротивление потенциометра вместе с резистором 1 кОм образует резистивный делитель на базе транзистора. Когда ползунок потенциометра перемещается, напряжение на базе транзистора изменяется, и это, соответственно, изменяет напряжение эмиттера на лампе, и соответственно изменяется интенсивность лампы.

Использование транзистора в качестве датчика

Из приведенного выше обсуждения вы могли заметить, что транзистор выполняет одну важную функцию во всех приложениях.Он в основном усиливает напряжение на своей базе, позволяя переключать большой ток через его коллектор-эмиттер.

Эта функция усиления также используется, когда в качестве датчика используется транзистор. В следующем примере показано, как его можно использовать для определения разницы в окружающем освещении и соответствующего включения / выключения реле.

Здесь также LDR и предустановка 300 Ом / 5 кОм образуют делитель потенциала на базе транзистора.

На самом деле 300 Ом не требуется.Он включен, чтобы гарантировать, что база транзистора никогда не будет полностью заземлена, и, таким образом, она никогда не будет полностью отключена или отключена. Это также гарантирует, что ток через LDR никогда не может превысить определенный минимальный предел, независимо от того, насколько яркой является интенсивность света на LDR.

В темноте LDR имеет высокое сопротивление, которое во много раз превышает комбинированное значение 300 Ом и предустановки 5 К.

Из-за этого база транзистора получает большее напряжение со стороны земли (отрицательное), чем положительное, и его проводимость коллектор / эмиттер остается выключенной.

Однако, когда на LDR падает достаточное количество света, его сопротивление падает до значения в несколько килоом.

Это позволяет базовому напряжению транзистора значительно превышать отметку 0,7 В. Теперь транзистор смещается и включает нагрузку коллектора, то есть реле.

Как вы можете видеть, в этом приложении транзисторы в основном усиливают крошечное базовое напряжение, так что большая нагрузка на его коллекторе может быть включена.

LDR можно заменить другими датчиками, такими как термистор для измерения тепла, датчик воды для измерения воды, фотодиод для измерения ИК-луча и т. Д.

Вопрос к вам: Что произойдет, если поменять местами положение LDR и предустановки 300/5 K?

Пакеты транзисторов

Транзисторы обычно распознаются по внешнему корпусу, в который может быть встроено конкретное устройство. Наиболее распространенными типами корпусов, в которые помещаются эти полезные устройства, являются Т0-92, ТО-126, ТО-220 и ТО-3. Мы постараемся разобраться во всех этих характеристиках транзисторов, а также научимся использовать их в практических схемах.

Общие сведения о транзисторах TO-92 с малым сигналом:

Транзисторы, такие как BC547, BC557, BC546, BC548, BC549 и т. Д., Подпадают под эту категорию.

Это самые простые устройства в группе, которые используются для приложений с низкими напряжениями и токами. Интересно, что эта категория транзисторов наиболее широко и повсеместно используется в электронных схемах из-за их универсальных параметров.

Обычно эти устройства предназначены для работы с напряжением от 30 до 60 вольт на коллекторе и эмиттере.

Базовое напряжение не более 6, но они могут легко срабатывать при уровне напряжения всего 0,7 В на их базе. Однако ток должен быть ограничен примерно до 3 мА.

Три вывода транзистора TO-92 можно идентифицировать следующим образом:

Если держать печатную сторону к нам, правый вывод — это эмиттер, центральный вывод — основание, а левая сторона — вывод коллектор устройства.


ОБНОВЛЕНИЕ: Хотите знать, как использовать транзисторы с Arduino? Прочтите здесь


Как сконфигурировать транзистор TO-92 на практике Конструкции

Транзисторы в основном бывают двух типов, NPN-типа и PNP-типа, оба дополняют друг друга.В основном они оба ведут себя одинаково, но в противоположных направлениях и направлениях.

Например, устройству NPN потребуется положительный триггер относительно земли, в то время как устройству PNP потребуется отрицательный триггер по отношению к положительной линии питания для достижения указанных результатов.

Трем выводам описанного выше транзистора необходимо назначить определенные входы и выходы, чтобы заставить его работать для конкретного приложения, которое, очевидно, предназначено для переключения параметра.

Выводам необходимо назначить следующие входные и выходные параметры:

Эмиттер любого транзистора является эталонной распиновкой устройства , то есть ему необходимо назначить указанную общую ссылку питания, чтобы оставшиеся два вывода могу действовать применительно к нему.

npn-транзистор всегда будет нужен запас отрицательный в качестве ссылки, соединенный на его эмиттер свинца для надлежащего функционирования, в то время как для ПНП, это будет положительная линия питания для его эмиттер.

Коллектор — это провод, несущий нагрузку транзистора, а нагрузка, которую необходимо переключить, вводится на коллекторе транзистора (см. Рисунок).

База транзистора — это триггерный вывод, к которому требуется приложить небольшой уровень напряжения, чтобы ток через нагрузку мог проходить через линию эмиттера, замыкая схему и управляя нагрузкой.

Отключение источника питания триггера на базе немедленно отключает нагрузку или просто ток через клеммы коллектора и эмиттера.

Общие сведения о силовых транзисторах TO-126, TO-220:

Это силовые транзисторы среднего типа, используемые для приложений, требующих переключения мощных, относительно мощных нагрузок, трансформаторов, ламп и т. Д., А также для управления устройствами TO-3, например BD139, BD140, BD135 и т. Д.

Определение выводов BJT

Распиновки идентифицируются следующим образом:

Удерживая устройство печатной поверхностью, обращенной к вам, правый вывод является эмиттером, центральный вывод — коллектором и левый вывод является основанием.

Функционирование и принцип срабатывания точно такие же, как описано в предыдущем разделе.

Устройство работает с нагрузкой от 100 мА до 2 А через коллектор до эмиттера.

Базовый триггер может иметь напряжение от 1 до 5 В с токами, не превышающими 50 мА, в зависимости от мощности переключаемых нагрузок.

Общие сведения о силовых транзисторах TO-3:

Их можно увидеть в металлических корпусах, как показано на рисунке.Типичный пример

Что такое транзистор?

Транзисторы — это устройства, управляющие движением электронов и, следовательно, электричества. Они работают как водопроводный кран — они не только запускают и останавливают течение тока, но также контролируют его величину. С помощью электричества транзисторы могут переключать или усиливать электронные сигналы, позволяя с точностью управлять током, протекающим через печатную плату.

Транзисторы, изготовленные в Bell Labs, изначально были изготовлены из германия. Ученые знали, что чистый германий — хороший изолятор. Но добавление примесей (процесс, называемый легированием ) превратило германий в слабый проводник или полупроводник . Полупроводники — это материалы, которые обладают промежуточными свойствами между изоляторами и проводниками, обеспечивая электрическую проводимость в различной степени.

Момент изобретения транзисторов был выбран не случайно.Для правильной работы транзисторам требуются чистые полупроводниковые материалы. Так уж получилось, что сразу после Второй мировой войны улучшения в очистке германия, а также успехи в легировании сделали германий пригодным для применения в полупроводниках.

В зависимости от элемента, используемого для легирования, полученный слой германия был либо отрицательного типа (N-тип), либо положительного типа (P-тип). В слое N-типа легирующий элемент добавлял электроны к германию, облегчая выброс электронов.Напротив, в слое P-типа определенные легирующие элементы заставляли германий терять электроны, таким образом, электроны из соседних материалов текли к нему.

Поместите N-тип и P-тип рядом друг с другом, и вы получите P-N диод . Этот диод пропускает электрический ток, но только в одном направлении, что является полезным свойством при построении электронных схем.

Следующим шагом были полноценные транзисторы. Для создания транзисторов инженеры наложили легированный германий на два слоя, расположив их вплотную друг к другу, в конфигурации P-N-P или N-P-N.Точка контакта была названа переходом, отсюда и название переходного транзистора .

При подаче электрического тока на центральный слой (называемый базой) электроны будут перемещаться со стороны N-типа на сторону P-типа. Первоначальная небольшая струйка действует как переключатель, позволяющий протекать гораздо большему току. В электрической цепи это означает, что транзисторы действуют как переключатель и как усилитель.

В наши дни вместо германия в коммерческой электронике используются полупроводники на основе кремния, которые более надежны и доступны по цене, чем транзисторы на основе германия.Но как только технология прижилась, германиевые транзисторы широко использовались более 20 лет.

Его режимы работы и его работа

Основным устройством в области электротехники и электроники является регулируемый клапан, который позволяет слабым сигналом регулировать больший поток, аналогично форсунке, регулирующей поток воды из насосов, трубок и др. . В свое время этот регулируемый клапан, который применялся в области электричества, представлял собой вакуумные лампы.Внедрение и использование электронных ламп были хорошими, но с этим были большие сложности и потребление огромной электроэнергии, которая передавалась в виде тепла, что сокращало срок службы лампы. В качестве компенсации этой проблемы транзистор был устройством, которое обеспечило хорошее решение, удовлетворяющее требованиям всей электрической и электронной промышленности. Это устройство было изобретено «Уильямом Шокли» в 1947 году. Чтобы обсудить больше, давайте углубимся в подробную тему знания, что такое транзистор, реализации транзистора в качестве переключателя и многих характеристик.

Что такое транзистор?

Транзистор — это трехконтактное полупроводниковое устройство, которое может использоваться для коммутации приложений, усиления слабых сигналов, а тысячи и миллионы транзисторов соединены между собой и встроены в крошечную интегральную схему / микросхему, которая создает компьютерную память. Транзисторный переключатель, который используется для размыкания или замыкания цепи, что означает, что транзистор обычно используется в качестве переключателя в электронных устройствах только для приложений с низким напряжением из-за его низкого энергопотребления.Транзистор работает как переключатель, когда он находится в областях отсечки и насыщения.


Типы биполярных транзисторов

По сути, транзистор состоит из двух PN-переходов, эти переходы формируются путем размещения полупроводникового материала N-типа или P-типа между парой полупроводниковых материалов противоположного типа.

Транзисторы с биполярным переходом подразделяются на типы

Транзистор имеет три вывода: база, эмиттер и коллектор. Эмиттер — это сильно легированный вывод, и он испускает электроны в базовую область.Клемма базы слегка легирована и пропускает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Коллекторный вывод промежуточно легирован и собирает электроны с базы.

Транзистор типа NPN представляет собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов N-типа между легированным полупроводниковым слоем P-типа, как показано выше. Точно так же транзисторы типа PNP представляют собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов P-типа между легированным полупроводниковым слоем N-типа, как показано выше. Функционирование транзисторов NPN и PNP одинаково, но они различаются по смещению и полярности источника питания.


Транзистор в качестве переключателя

Если в схеме используется BJT-транзистор в качестве переключателя, то смещение транзистора, NPN или PNP, настроено для работы транзистора с обеих сторон кривых ВАХ, показанных ниже. Транзистор может работать в трех режимах: в активной области, в области насыщения и в области отсечки. В активной области транзистор работает как усилитель. Как транзисторный переключатель, он работает в двух областях: Область насыщения (полностью включен) и Область отсечки (полностью выключена).Транзистор как схема переключателя — транзистор

как переключатель

Транзисторы обоих типов NPN и PNP могут работать как переключатели. В некоторых приложениях силовой транзистор используется в качестве коммутационного инструмента. В этом состоянии может не потребоваться использование другого сигнального транзистора для управления этим транзистором.

Рабочие режимы транзисторов

Из приведенных выше характеристик видно, что розовая заштрихованная область в нижней части кривых представляет область отсечки, а синяя область слева представляет область насыщения транзистора.Эти области транзистора определены как

Область отсечки

Условиями работы транзистора являются нулевой входной базовый ток (IB = 0), нулевой выходной ток коллектора (Ic = 0) и максимальное напряжение коллектора (VCE), что приводит к в большом слое истощения и отсутствие тока, протекающего через устройство.

Поэтому транзистор переключен в положение «Полностью ВЫКЛ». Таким образом, мы можем определить область отсечки при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, поскольку переходы NPN-транзисторов имеют обратное смещение, VB <0.7v и Ic = 0. Точно так же для транзисторов PNP потенциал эмиттера должен быть –ve по отношению к базе транзистора.

Cut-Off Mode

Затем мы можем определить «область отсечки» или «режим OFF» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя как когда оба перехода смещены в обратном направлении, IC = 0 и VB <0,7v. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть отрицательным по отношению к клемме базы.

Характеристики области отсечки

Характеристики области отсечки следующие:

  • И база, и входные клеммы заземлены, что означает «0»
  • Уровень напряжения на переходе база-эмиттер меньше 0.7v
  • Переход база-эмиттер находится в обратном смещении
  • Здесь транзистор функционирует как ОТКРЫТЫЙ переключатель
  • Когда транзистор полностью выключен, он перемещается в область отсечки
  • Переход база-коллектор находится в Состояние обратного смещения
  • На клемме коллектора не будет протекания тока, что означает Ic = 0
  • Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор и на выходных клеммах равно 1
Область насыщения

В этом области транзистор будет смещен так, что будет приложена максимальная величина базового тока (IB), что приведет к максимальному току коллектора (IC = VCC / RL), а затем к минимальному падению напряжения коллектор-эмиттер (VCE ~ 0).В этом состоянии обедненный слой становится минимально возможным и максимальным током, протекающим через транзистор. Поэтому транзистор включен «полностью».

Saturation Mode

Определение «области насыщения» или «режима включения» при использовании биполярного NPN-транзистора в качестве переключателя как если бы оба перехода были смещены в прямом направлении, IC = максимум, и VB> 0,7v. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть + ve по отношению к базе. Это , работающий транзистора как переключатель .

Характеристики области насыщения

Характеристики насыщения :

  • И база, и входные клеммы подключены к Vcc = 5 В
  • Уровень напряжения на переходе база-эмиттер больше 0,7 В
  • База- эмиттерный переход находится в состоянии прямого смещения
  • Здесь транзистор функционирует как ЗАКРЫТЫЙ переключатель
  • Когда транзистор полностью выключен, он перемещается в область насыщения
  • Переход база-коллектор находится в состоянии прямого смещения
  • Текущий ток на клемме коллектора Ic = (Vcc / RL)
  • Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор, а на выходных клеммах равно «0»
  • Когда напряжение на переходе коллектор-эмиттер равно «0», это означает идеальное условие насыщения

Кроме того, работу транзистора как переключателя можно подробно объяснить следующим образом:

Транзистор как переключатель — NPN

В зависимости от значения приложенного напряжения на краю базы транзистора выполняется переключение.Когда имеется хорошее напряжение, которое составляет ~ 0,7 В между эмиттером и краями базы, то поток напряжения от коллектора к краю эмиттера равен нулю. Таким образом, транзистор в этом состоянии работает как переключатель, а ток, протекающий через коллектор, считается током транзистора.

Таким же образом, когда на входной вывод не подается напряжение, транзистор функционирует в области отсечки и работает как разомкнутая цепь. В этом методе переключения подключенная нагрузка контактирует с точкой переключения, где она действует как контрольная точка.Таким образом, когда транзистор переходит в состояние «ВКЛ», ток будет протекать от вывода источника к земле через нагрузку.

NPN транзистор в качестве переключателя

Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример.

Предположим, что транзистор имеет значение сопротивления базы 50 кОм, сопротивление на краю коллектора составляет 0,7 кОм, а приложенное напряжение равно 5 В и принимает значение бета как 150. На краю базы сигнал, который изменяется от 0 до 5 В. применены. Это соответствует тому, что выход коллектора наблюдается путем изменения значений входного напряжения, которые составляют 0 и 5 В.Рассмотрим следующую диаграмму.

Когда V CE = 0, тогда I C = V CC / R C

IC = 5 / 0,7

Таким образом, ток на клемме коллектора составляет 7,1 мА

При значении бета 150 , тогда Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 мкА

Таким образом, базовый ток равен 47,3 мкА

При указанных выше значениях максимальное значение тока на клемме коллектора составляет 7,1 мА в Состояние между коллектором и эмиттером равно нулю, а значение тока базы равно 47.3 мкА. Таким образом, было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 47,3 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения.

Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 0 В. Это означает, что базовый ток равен «0», и когда эмиттерный переход заземлен, эмиттерный и базовый переходы не будут находиться в состоянии прямого смещения. Итак, транзистор находится в выключенном состоянии, а значение напряжения на краю коллектора составляет 5 В.

Vc = Vcc — (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 5V.Здесь значение тока на краю базы можно узнать, используя принцип напряжения Кирхгофа.

Ib = (Vi — Vbe) / Rb

Когда рассматривается кремниевый транзистор, он имеет Vbe = 0,7 В

Итак, Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 мкА

Таким образом , было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 56,8 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения при условии на входе 5 В.

Транзистор как переключатель — PNP

Функциональные возможности переключения для транзисторов PNP и NPN аналогичны, но отличие состоит в том, что в транзисторе PNP ток протекает от клеммы базы.Эта конфигурация переключения используется для отрицательного заземления. Здесь базовая кромка имеет соединение с отрицательным смещением в соответствии с кромкой эмиттера. Когда напряжение на клемме базы больше -ve, будет протекать ток базы. Чтобы было ясно, что, когда существуют клапаны с очень минимальным или отрицательным напряжением, это делает транзистор короткозамкнутым, если не разомкнутым, либо высоким импедансом.

В этом типе подключения нагрузка связана с коммутационным выходом вместе с контрольной точкой.Когда транзистор PNP находится во включенном состоянии, ток будет течь от источника к нагрузке, а затем к земле через транзистор.

Транзистор PNP в качестве переключателя

Как и при переключении транзистора NPN, вход транзистора PNP также находится на краю базы, в то время как вывод эмиттера соединен с фиксированным напряжением, а вывод коллектора соединен с землей через нагрузку. На рисунке ниже поясняется схема.

Здесь клемма базы всегда находится в состоянии отрицательного смещения в соответствии с фронтом эмиттера и базой, которую он подключил к отрицательной стороне, а эмиттер — к положительной стороне входного напряжения.Это означает, что напряжение от базы к эмиттеру отрицательное, а напряжение от эмиттера к коллектору положительное. Таким образом, проводимость транзистора будет, когда напряжение эмиттера будет более положительным, чем напряжение на выводах базы и коллектора. Таким образом, напряжение на базе должно быть более отрицательным, чем на других клеммах.

Чтобы узнать значение токов коллектора и базы, нам понадобятся следующие выражения.

Ic = Ie — Ib

Ic = β. Ib

Где Ub = Ic / β

Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример.

Предположим, что для цепи нагрузки требуется 120 мА, а бета-значение транзистора равно 120. Тогда значение тока, необходимое для перехода транзистора в режим насыщения, равно

Ib = Ic / β

= 120 мА / 100

Ib = 1 мАмп

Таким образом, когда базовый ток равен 1 мА, тогда транзистор полностью находится в состоянии ВКЛ. В то время как в практических сценариях для правильного насыщения транзистора требуется примерно 30-40 процентов большего тока.Это означает, что базовый ток, необходимый для устройства, составляет 1,3 мА.

Операция переключения транзистора Дарлингтона

В некоторых случаях коэффициент усиления постоянного тока в устройстве BJT очень минимален для прямого переключения напряжения или тока нагрузки. Из-за этого используются переключающие транзисторы. В этом состоянии небольшое транзисторное устройство включено для включения и выключения переключателя, а увеличенное значение тока — для регулирования выходного транзистора.

Чтобы увеличить коэффициент усиления сигнала, два транзистора соединены способом «комплементарной конфигурации сложения усиления».В этой конфигурации коэффициент усиления является результатом работы двух транзисторов.

Транзистор Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона обычно входят в состав двух биполярных транзисторов типа PNP и NPN, где они соединены таким образом, что значение усиления исходного транзистора умножается на значение усиления второго транзисторного устройства.

Это дает результат, в котором устройство работает как отдельный транзистор с максимальным усилением по току даже для минимального значения базового тока.Полный коэффициент усиления по току устройства переключения Дарлингтона является произведением значений коэффициента усиления по току как PNP, так и NPN транзисторов, и это представлено как:

β = β1 × β2

С учетом вышеупомянутых пунктов, транзисторы Дарлингтона, имеющие максимальное β и коллектор текущие значения потенциально связаны с переключением одного транзистора.

Например, когда входной транзистор имеет значение усиления по току 100, а второй имеет значение усиления 50, тогда общий коэффициент усиления по току равен

β = 100 × 50 = 5000

Итак, когда нагрузка ток составляет 200 мА, тогда значение тока в транзисторе Дарлингтона на клемме базы составляет 200 мА / 5000 = 40 мкА, что является большим уменьшением по сравнению с прошлым значением 1 мА для одного устройства.

Конфигурации Дарлингтона

В транзисторе Дарлингтона есть в основном два типа конфигурации, а именно

Конфигурация переключателя транзистора Дарлингтона демонстрирует, что выводы коллектора двух устройств соединены с выводом эмиттера исходного транзистора, который имеет соединение с базовым краем второго транзисторного устройства. Таким образом, значение тока на выводе эмиттера первого транзистора будет формироваться, поскольку входной ток второго транзистора, таким образом, переводит его в состояние «Включено».

Входной транзистор, который является первым, получает свой входной сигнал на клемме базы. Входной транзистор обычно усиливается и используется для управления следующими выходными транзисторами. Второе устройство усиливает сигнал, что приводит к максимальному значению усиления по току. Одной из важнейших особенностей транзистора Дарлингтона является его максимальное усиление по току по сравнению с одним устройством BJT.

Помимо возможности максимальных характеристик переключения напряжения и тока, другим дополнительным преимуществом является максимальная скорость переключения.Эта операция переключения позволяет использовать устройство специально для цепей инвертора, двигателя постоянного тока, цепей освещения и регулирования шагового двигателя.

Разница, которую следует учитывать при использовании транзисторов Дарлингтона по сравнению с обычными одинарными типами BJT при реализации транзистора в качестве переключателя, заключается в том, что входное напряжение на переходе базы и эмиттера должно быть больше, что составляет почти 1,4 В для кремниевого типа. устройство, так как из-за последовательного соединения двух PN-переходов.

Некоторые из общих практических применений транзистора в качестве переключателя

В транзисторе, если ток не течет в цепи базы, ток не может течь в цепи коллектора. Это свойство позволит использовать транзистор в качестве переключателя. Транзистор можно включать и выключать, меняя базу. Есть несколько применений схем переключения, работающих на транзисторах. Здесь я рассмотрел транзистор NPN, чтобы объяснить несколько приложений, в которых используется транзисторный переключатель.

Световой выключатель

Схема разработана с использованием транзистора в качестве переключателя для зажигания лампы при ярком освещении и выключения ее в темноте и светозависимого резистора (LDR) в делителе потенциала. Когда окружающая темнота, сопротивление LDR становится высоким. Затем транзистор выключается. Когда LDR подвергается воздействию яркого света, его сопротивление падает до меньшего значения, что приводит к увеличению напряжения питания и увеличению тока базы транзистора. Теперь транзистор включен, коллекторный ток течет и лампочка загорается.

Переключатель с обогревом

Одним из важных компонентов схемы переключателя с обогревом является термистор. Термистор — это тип резистора, который реагирует в зависимости от окружающей температуры. Его сопротивление увеличивается при низкой температуре и наоборот. Когда термистор нагревается, его сопротивление падает, а базовый ток увеличивается, после чего увеличивается ток коллектора, и срабатывает сирена. Эта конкретная схема подходит как система пожарной сигнализации.

Переключатель с подогревом
Управление двигателем постоянного тока (драйвер) в случае высокого напряжения

Предположим, что на транзистор не подается напряжение, тогда транзистор отключается и ток через него не течет. Следовательно, реле остается в выключенном состоянии. Питание на двигатель постоянного тока подается от нормально замкнутой (NC) клеммы реле, поэтому двигатель будет вращаться, когда реле находится в состоянии ВЫКЛ. Подача высокого напряжения на базу транзистора BC548 вызывает включение транзистора и включение катушки реле.

Практический пример

Здесь мы узнаем значение базового тока, необходимого для полного перевода транзистора в состояние ВКЛ, когда нагрузке требуется ток 200 мА, когда входное значение увеличивается до 5 В. Также знайте стоимость руб.

Значение базового тока транзистора

Ib = Ic / β с учетом β = 200

Ib = 200 мА / 200 = 1 мА

Значение сопротивления базы транзистора Rb = (Vin — Vbe) / Ib

Руб = (5-0.7) / 1 × 10 -3

Rb = 4,3 кОм

Транзисторные переключатели широко используются в различных приложениях, таких как взаимодействие оборудования с большим током или высоким напряжением, такого как двигатели, реле или освещение, до минимума. значение напряжения, цифровые ИС или используемые в логических элементах, таких как элементы И или ИЛИ. Кроме того, когда выходной сигнал логического элемента составляет + 5 В, тогда как устройству, которое необходимо регулировать, может потребоваться напряжение питания 12 или даже 24 В.

Или такой нагрузке, как двигатель постоянного тока, может потребоваться контроль скорости с помощью нескольких непрерывных импульсов. Транзисторные переключатели позволяют выполнять эту операцию быстрее и проще по сравнению с традиционными механическими переключателями.

Зачем использовать транзистор вместо переключателя?

При использовании транзистора вместо переключателя даже минимальная величина базового тока регулирует более высокий ток нагрузки на выводе коллектора. Используя транзисторы вместо переключателя, эти устройства поддерживаются реле и соленоидами.Тогда как в случае, когда необходимо регулировать более высокие уровни токов или напряжений, используются транзисторы Дарлингтона.

В целом, вкратце, некоторые из условий, которые применяются при работе транзистора в качестве переключателя, следующие:

  • При использовании BJT в качестве переключателя, тогда необходимо использовать либо неполное, либо полное состояние ВКЛ.
  • При использовании транзистора в качестве переключателя минимальное значение тока базы регулирует повышенный ток нагрузки коллектора.
  • При использовании транзисторов для переключения в качестве реле и соленоидов лучше использовать диоды маховика.
  • Для регулирования больших значений напряжения или тока лучше всего подходят транзисторы Дарлингтона.

И эта статья предоставила исчерпывающую и ясную информацию о транзисторе, рабочих областях, работе как коммутатор, характеристиках, практических применениях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *