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
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.
Особенности устройства биполярного транзистора
Биполярный транзистор включает в себя три области:
- эмиттер;
- базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
- коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.
К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.
Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.
Принцип работы биполярного транзистора
Этот тип транзистора имеет два перехода:
- электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
- между коллектором и базой – коллекторный.
Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.
Схемы включения
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
- Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
- Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общей базой
Схема включения с общей базой.Основная статья: Усилительный каскад с общей базой
- Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
- Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
- Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.
Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства
- Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
- Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
- Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
- Малое входное сопротивление
Схема включения с общим эмиттером
Схема включения с общим эмиттером.
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ.Основная статья: Каскад с общим эмиттером
- Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
- Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства
- Большой коэффициент усиления по току.
- Большой коэффициент усиления по напряжению.
- Наибольшее усиление мощности.
- Можно обойтись одним источником питания.
- Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
- Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.
Схема с общим коллектором
Схема включения с общим коллектором.
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ.Основная статья: Эмиттерный повторитель
- Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
- Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
- Большое входное сопротивление.
- Малое выходное сопротивление.
Недостатки
- Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.
Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».
Основные параметры
- Коэффициент передачи по току.
- Входное сопротивление.
- Выходная проводимость.
- Обратный ток коллектор-эмиттер.
- Время включения.
- Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
- Обратный ток коллектора.
- Максимально допустимый ток.
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.
Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:
- коэффициент усиления по току α;
- сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
- rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
- rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
- rб — поперечное сопротивление базы.
Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.
Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».
Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.
h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0.
Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.
h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.
h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.
Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.
h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.
Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:
Um1 = h11Im1 + h12Um2;Im2 = h21Im1 + h22Um2.
В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.
Для схемы ОЭ: Im1 = Imб, Im2 = Imк, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:
h21э = Imк/Imб = β.
Для схемы ОБ: Im1 = Imэ, Im2 = Imк, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б.
С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.
В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.
Токи в транзисторе
Токи в биполярном транзисторе
Токи в биполярном транзисторе имеют две основных составляющих.
- Ток основных носителей эмиттера IЭ, который частично проходит в коллектор, образуя ток основных носителей коллектора Iк осн, частично рекомбинирует с основными носителями базы, образуя рекомбинантный ток базы Iбр.
- Ток неосновных носителей коллектора, который течёт через обратно смещённый коллекторый переход, образуя обратный ток коллектора Iкбо.
Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ<0; UЭБ>0 (для транзистора n-p-n типа).
Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.
Режим отсечки
В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).
Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0
Барьерный режим
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с токозадающим резистором.
Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.
Работа биполярного транзистора.
Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного
транзистора. Для примера возьмем
модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только
полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет
противоположной.
Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках,
в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы —
дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В
транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает
концентрацию дырок в области P.
Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE).
Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора.
Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера.
Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.
Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE
(для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE
— 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения
подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до
N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе.
Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).
Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация
дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.
В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами.
Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше.
Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая,
все равно потечет в сторону плюса базы.
В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE,
и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.
Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще
больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и
значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом
изменении тока базы IB,
сильно меняется ток коллектора IС.
Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.
Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.
Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.
β = IC / IB
Простейший усилитель на биполярном транзисторе
Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы.
Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного
напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для
понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов
в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.
Описание основных элементов цепи
Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.
Расчет входного тока базы Ib
Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.
Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).
Расчет выходного тока коллектора IС
Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).
Расчет выходного напряжения Vout
Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.
Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали.
Анализ результатов
Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.
Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.
Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.
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!