Две схемы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор: внешний вид, составные элементы, конструкция корпуса — кратко

Сразу стоит определиться, что биполярный транзистор предназначен для работы в цепях постоянного тока, где он используется. Мы сокращаем его имя до BT.

На фото ниже показано, сколько у него разных форм. Но этот небольшой ассортимент был разлит мной из маленькой коробочки.

Корпус транзистора может быть выполнен из пластика или металла в форме параллелепипеда, цилиндра, планшета различных размеров. Общие элементы — это три контактных штыря, предназначенные для подключения к электрической цепи.

Эти выводы необходимо выделить в технической документации, правильно связать во время установки. Поэтому были назначены:

1. E (E) — эмиттер;
2. К (С) — коллектор;
3. B (B) — база.

Буквы в скобках используются в международной документации.

Основной способ подключения БТ в электрических цепях — пайка, хотя допустимы и другие.

Размеры корпуса и контактных штырей зависят от мощности, которую этот модуль может коммутировать. Чем больше расчетная нагрузка, тем большие размеры необходимо создать производителям для обеспечения надежной работы и отвода опасного тепла.

известно, что полупроводниковые переходы не выдерживают сильного нагрева — они просто перегорают. Поэтому все мощные дома выполнены из металла и оснащены радиаторами.

В особо ответственных установках для них также создается принудительный обдув воздушными форсунками. Эта методика значительно увеличивает надежность системных блоков компьютеров, ноутбуков, сложной электронной техники.

Любой НН состоит из трех полупроводниковых переходов пера, как и обычный диод. Только диода меньше: всего два. Он способен пропускать ток только в одном направлении и блокировать его в противоположном направлении.

Биполярный транзистор создается по одной из двух схем подключения полупроводников:

1. pnp, называемый прямым включением;
2. npn — наоборот.

При обозначении на схемах они нарисованы одинаково, но с небольшими отличиями в выводе эмиттера:

1. направление вперед: стрелка указывает на основание;
2. наоборот — стрелка показана идущей от основания к внешней стороне элемента.

Стрелка-указатель эмиттера указывает положительное направление тока через полупроводниковый переход.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим подробнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что эта схема не совсем верна. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного тока. Но в этом случае будет проще и понятнее понять сам механизм усиления с помощью биполярного транзистора. Кроме того, тот же метод расчета в следующем примере несколько упрощен.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, предположим, что у нас есть транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключаем относительно мощный блок питания на 20В, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подключите слабый источник питания 2 В. К нему подключим последовательно источник переменного напряжения в виде синуса с амплитудой колебаний 0,1В. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы нужен для ограничения тока, протекающего от источника сигнала, который обычно слабый.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь давайте рассчитаем базовый ток Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нам необходимо рассчитать два значения тока: при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Мы называем эти значения тока соответственно Ibmax и Ibmin.

Также для расчета тока базы необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером имеется PN переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить, составляет около 0,6 В. Мы не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода и для простоты расчета возьмем примерную модель, согласно которой напряжение на ток диода всегда равен 0,6 В. Это означает, что напряжение между базой и эмиттером составляет VBE = 0,6 В. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), напряжение между базой и землей также составляет 0,6 В (VB = 0,6 В).

Мы рассчитываем Ibmax и Ibmin по закону Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно легко вычислить максимальное и минимальное значения тока коллектора (Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось рассчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В этой схеме это напряжение коллектора VC.

Коллекторный ток протекает через резистор Rc, который мы уже рассчитали. Осталось заменить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax меньше VCmin. Это связано с тем, что напряжение на резисторе VRc вычитается из напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала — амплитуда, которая увеличилась с 0,1 В до 1 В. Частота и форма синусоидального сигнала не изменились. Конечно, десятикратное соотношение Vout / Vin — далеко не лучшее значение для усилителя, но можно проиллюстрировать процесс усиления.

Итак, резюмируем принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу протекает ток Ib, несущий постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая необходима для того, чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал «открываться». Фактически, переменная составляющая — это сам сигнал (полезная информация). Ток коллектор-эмиттер внутри транзистора является результатом умножения тока базы на коэффициент усиления. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором является результатом умножения усиленного тока коллектора на номинал резистора.

Следовательно, на вывод Vout поступает сигнал с большей амплитудой колебаний, но с той же формой и частотой. Важно отметить, что транзистор получает питание для усиления от источника питания VCC. При недостаточном питающем напряжении транзистор не сможет полноценно функционировать и выходной сигнал может быть искажен.

Принципы работы биполярного транзистора — 2 варианта его использования в различных электронных устройствах

Обычно такие процессы обычно объясняют движением носителей заряда внутри полупроводников: дырок и электронов. В этом случае токи, протекающие через выводы коллектора и эмиттера, создаются приложенными источниками ЭДС.

Они зависят от приложенных напряжений Ueb и Ukb, что показывает вольт-амперная характеристика.

При малых значениях ЭДС переходы не могут пропускать через себя электрический ток. В этом случае говорят, что электронный ключ закрыт. Чтобы его открыть, нужно подать управляющий сигнал. Это определенное напряжение, приложенное между базой и эмиттером.

Первым назначением биполярного транзистора является функционирование в качестве электронного переключателя, когда он блокирует прохождение электрического тока через себя без команды, а когда он поступает, он проходит через нагрузку.

Позвольте мне более подробно объяснить практическое применение этой функции.

Что такое электронный ключ на транзисторе и как он работает: 2 примера

На практике создано множество устройств, работающих на основе транзисторного ключа. Я покажу вам два, которые легко повторить своими руками даже начинающему мастеру, владеющему навыками использования паяльника.

Простейший датчик протечки воды — схема и описание для чайника

Устройство, которое помещается в спичечный коробок и автоматически оповещает владельца о появлении влаги на полу под раковиной или ванной, собирается из следующих пяти частей:

1. датчик влажности — пластиковая изолированная пластина с двумя токопроводящими контактными площадками (клееный металлический лист). Они отделены друг от друга воздушным пространством. Желательно надеть кусок марли или ваты, хорошо впитывающий пролитую воду;
2. марка транзистора 2Н5551 или его аналог;
3. светодиод VD1;
4. любой пьезоэлемент СП1 — звуковой преобразователь электрического сигнала, который можно снять с отслуживших свой срок электронных часов;
5. батарея 3 В: литиевая батарея типа «таблетка» подходит для часов, калькуляторов и подобных устройств.

Этот электронный ключ замкнут в сухом состоянии, потому что выводы его транзисторного перехода база-коллектор разомкнуты. В случае утечки воды между подшипниками датчика влажности создается электрический контакт.

Напряжения, приложенного источником питания к клеммам «В» и «К» ТН, достаточно для изменения состояния замкнутого перехода. Ключ открывается и ток в цепи эмиттера включает светодиод и активирует звуковое оповещение.

Более подробно работа этой схемы описана в отдельной статье. Ключ работает таким же образом в более позднем развитии.

Схема управления насосом откачки воды для повторения своими руками

Мы считаем, что перед нами стоит задача поддерживать объем воды в резервуаре между нижним допустимым горизонтом (L) и верхней отметкой (H) путем включения и выключения насоса. Для этого в емкость на указанной высоте помещаем три электрода.

Провода от них проводим к соответствующим входам электрической цепи управления. Он питается от постоянного напряжения 12 вольт (блок питания или аккумулятор).

Если в баке нет воды, то между контактами COM, L и N нет электрического соединения. Транзисторы VT1, VT2 закрыты. Но +12 вольт через диод VD1 проходит на базу VT3, открывая ее и, соответственно, VT4.

Последний подает напряжение на исполнительное реле KL1, которое своими контактами включает насос. Начните заполнять бак водой. Светодиод HL1 своим свечением указывает на работу насоса.

Когда вода достигает уровня L, VT1 открывается, но не влияет на состояние VT3. Напряжение на его базе поддерживается резистором R8.

Когда вода достигает верхнего уровня H, активируется ключ VT2, что дополнительно снижает напряжение на базе VT3 и, следовательно, VT4. Это обесточит реле и насос. Светодиод гаснет.

Насос будет обесточен до тех пор, пока не будет достигнут нижний уровень воды в баке. Кроме того, описанный алгоритм работы повторяется в одном цикле.

Обе диаграммы показывают работу транзисторного ключа. Управляется командой с контактных датчиков. В результате исполнительный орган активируется или деактивируется. Другие функции здесь не предусмотрены.

Регулятор тока на биполярном транзисторе: как работает схема управления

мне удобнее объяснять принцип работы регулятора следующей картинкой его открытого состояния.

В принципе, он ничем не отличается от расположенного выше и демонстрирует работу биполярного транзистора. Но здесь более наглядно и наглядно проявляются процессы, протекающие по закону Ома.

Напомню, что закрытый транзистор не пропускает через себя электрический ток. Но его открытое состояние создается сразу двумя рабочими цепями:

1. база-эмиттер, по которому циркулирует управляющий ток I1;
2. эмиттер-коллектор с подключенной силовой цепью и током в нем I2.

Здесь действует важное правило: небольшой ток, протекающий через базу, приводит в движение большую нагрузку, подключенную к цепи эмиттер-коллектор.

И все это осуществляется путем изменения напряжения между базой и эмиттером на такую ​​же разность потенциалов, приложенную к внешней цепи выводов коллектора и эмиттера.

Я попытался изобразить принцип регулирования тока коллектора в НН следующим изображением.

Надеюсь, понятно, что низкое напряжение U1 — маленькое, среднее — среднее, а высшее — повышенное.

Следовательно: ток коллектора регулируется напряжением, приложенным к базе при одинаковом напряжении между эмиттером и коллектором.

Многие блоки питания работают по этому принципу. Приведу пример одного из простых, конструкцию которого легко собрать своими руками.

Детали указаны сразу на схеме. Трансформатор можно взять от старого лампового телевизора или другого оборудования. Рассчитать и загрузить самостоятельно несложно. В любом случае он должен выдерживать нагрузку, которая будет проходить через него.

Защита от коротких замыканий и перегрузок выполняется простыми предохранителями. Подбираем диодный мост по нагрузке. В большинстве случаев можно обойтись старыми диодами D226.

В этом проекте нас в основном интересует принцип регулирования, выполняемый выходом BT KT815. Это происходит за счет изменения положения ползунка потенциометра R6, регулирующего потенциал по транзистору КТ315 (VT1).

С выхода КТ315 потенциал подается на базу VT2. И он уже определяет выходные параметры в цепи питания 0-12 вольт.

5 технических нюансов работы биполярных транзисторов, которые важно учитывать при проектировании и эксплуатации электронных ключей или регуляторов

Особенность # 1

Электрические характеристики LV описываются сложными формулами. Их очень неудобно использовать на практике. Поэтому инженеры-электронщики работают с графиками, которые выражают взаимосвязь между входными и выходными параметрами.

Они делятся на два типа:

1. статический, определение емкостей полупроводниковых переходов по токам и напряжениям на входе и выходе в холостом режиме (режим холостого хода);
2. output — зависимость тока через коллектор от приложенного выходного напряжения к определенному току через базу.

У каждого БТ есть свои индивидуальные особенности. Однако сейчас таких полупроводников производится так много, что практически любому из них нетрудно найти аналогичную замену даже от другого производителя.

Для работы транзисторов можно использовать один из следующих режимов:

• активный (нормальный или реверсивный);
• насыщенность;
• резать;
• барьер.

Особенность # 2

Любой БТ, созданный с помощью пакета pnp или npn, работает практически по одним и тем же алгоритмам, которые отличаются только направлением протекания положительного тока через переходы полупроводников.

Таким образом, для прямого и обратного транзисторов создаются индивидуальные схемы управления и подключения нагрузки к выходным схемам.

Для примера приведу еще одну схему простого зарядного устройства, собранного на транзисторном модуле с pnp переходами. Можете сравнить с предыдущей версией. Вы увидите почти такую ​​же структуру, но с противоположным направлением тока.

Здесь деталей еще меньше, а регулировка выходных значений осуществляется путем изменения значения напряжения, подаваемого на вход электронного модуля. Используется обычный потенциометр.

Особенность # 3

Когда он открыт, переход входного полупроводника в режим отсечки низкого напряжения имеет небольшое падение напряжения. В одном конкретном случае это около 0,7 вольт. Чтобы привлечь ваше внимание к этой проблеме, я специально нарисовал картинку — считается, что человеческая память лучше всего работает именно так.

Другими словами: потенциал на базе на 0,7 вольта меньше, чем на эмиттере. Для кремниевых изделий это всегда 0,6-0,7 В.

Особенность # 4

Ток коллектора НН определяется как базовый ток, умноженный на очень большое количество постоянных значений.

Это свойство используется для классификации транзисторов по коэффициенту передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Для этого был введен коэффициент h21. Его суть демонстрирует следующее изображение.

Если сохранить номиналы, указанные для данной тестовой схемы (10 вольт на источнике ЭДС и 100 кОм на сопротивлении), то показания амперметра в миллиамперах просто умножаются на 10. Получаем значение коэффициента h21.

Подобные алгоритмы встроены в цифровые мультиметры и аналоговые тестеры, позволяющие измерять коэффициент h21 при проверке БТ.

Особенность # 5

В открытом состоянии потенциал внутреннего полупроводникового перехода коллектора низкого напряжения выше, чем у эмиттера. В моем конкретном случае это 0,3 вольта.

Здесь открытый транзистор работает как обычный переключатель, но не идеально. На его внутренней цепи есть падение напряжения 0,3 вольта. Однако в большинстве случаев это не критично.

Предположим, что в цепи коллектора появилось дополнительное сопротивление. Изменение тока через этот резистор вызовет падение напряжения на нем.

Однако более высокий потенциал коллектора в сочетании с более высоким базовым током может стабилизировать выходные характеристики. В этом случае силовые токи сохраняют свое значение.

Как проверить биполярный транзистор: 2 доступные методики

Для подбора транзисторов с одинаковыми коэффициентами h21 существуют специальные пробники. Теперь они поставляются с обычными цифровыми мультиметрами. В молодости их устанавливали только на дорогие аналоговые тестеры.

Есть два метода оценки исправности транзисторов:

1. с помощью мультиметра или тестера измерить сопротивление между всеми выводами (самый распространенный и дешевый способ);
2. вычисление коэффициента h21 с помощью встроенного щупа.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром или тестером: подробная инструкция с фотографиями

Если мы вернемся к конструкции полупроводниковых переходов, то сразу заметим, что наш транзистор вполне законно представляет два диода, соединенных одними и теми же полюсами (pon) с их собственными выводами. Общая точка для них будет работать за основу.

Теперь вспомним, как проверяется диод: по нему пропускают электрический ток в обоих направлениях, а внутреннее сопротивление перехода оценивается по его прохождению. Если он соответствует стандарту, полупроводник в порядке. Другой образ — брак.

Тот же принцип включен в проверку BT. Просто через каждую пару контактов необходимо пропускать ток в обоих направлениях и по его изменению, чтобы судить о функциональности тестируемого объекта.

Для проверки нам потребуется:

1. уточнить возможности вашего мультиметра или тестера;
2. используйте приведенные ниже справочные данные;
3. принять меры.

Что учитывать в вашем счетчике

У моего старого тестера Ц4324 на шкале есть обозначения, на которые нужно обращать внимание.

Будем работать по шкале кОм. Рядом с гнездом для подключения проводов есть значок -kΩ., Указывающий на отрицательный потенциал этого контактного гнезда. Плюс находится на противоположной левой стороне.

Эта информация поможет нам определить направление тока, который будет течь через полупроводниковые переходы.

В роли вольтметра постоянного тока он имеет «плюс» на той же правой клемме. Зная это, проверяю полярность мультиметра, переводя его в режим измерения или непрерывности Ω, а тестером — вольт.

На представленном фото тестер измерял напряжение мультиметром, а последний измерял сопротивление вольтметра. Но сейчас нас интересует другая информация:

1. положительный полюс мультиметра находится на его красном щупе;
2. минус — черный.

Справочные данные — вкратце

Сразу замечаю, что указанные здесь параметры являются приблизительными. Однако они позволяют оценить характеристики полупроводниковых переходов.

БТ, работающий в цепи базового коллектора и базового эмиттера в одном направлении (в зависимости от прямой или обратной проводимости), имеет сопротивление в пределах Ом, например 50-1200 Ом.

В обратном направлении ток не течет. Прибор покажет бесконечность: ∞ (у меня это отображается как 0.L, на отдельных мультиметрах — знак 1).

При измерении учитываем:

1. положительный щуп устанавливается на выходе, соответствующем токовому входу, а отрицательный — на выходе;
2. значок ∞ означает, что при указанном пределе измерения мультиметром не удалось определить сопротивление: оно больше (вполне возможен обрыв цепи);
3. результат около 0 Ом при измерении током через базу означает пробой перехода;
4. значение сопротивления между коллектором и эмиттером оценивается знаком ∞.

Как снять мерки

Можно работать тестером или мультиметром. Разницы практически нет. Все покажу на примере своего кармана Mestek MT-102. Просто мне сложнее все объяснить про старый Ц4324, а вам сложнее понять.

Если у вас есть другое устройство и возникают проблемы с его освоением, то у меня есть статья, в которой изложены и подробно изложены принципы измерений любым цифровым мультиметром. Вы можете войти и использовать это.

Я знаю, что у мощных транзисторов в металлических корпусах коллектор всегда соединен с металлом корпуса.

Поставил мультиметр в режим набора (можно омметр), закрепил один конец крокодилом на корпусе и вторым щупом нашел соответствующий вывод. Измерение показывает ноль.

Чтобы вам было проще отслеживать мои действия на фотографиях, я выделил результат чисто случайным образом:

1. на булавку надеть короткий кусок батиста;
2. на втором — длинные;
3. третий остался голым (коллекционер).

Я тестировал силовой транзистор P213A с толстыми контактами. На них удобно только сажать крокодилов, фотографировать. То же самое и с мелкими предметами и тонкими ножками. Открытыми должны быть только щупы, избегайте ненужных контактов.

Знак P213A четко обозначен на корпусе. Позволяет изучить справочник, определить вывод по изображению в нем, узнать технические характеристики, в том числе проводимость: прямая или обратная.

На практике часто бывает не так: маркировка нечитаема, товар «безымянный». Именно этой сложной техники я буду придерживаться, так как приходится делать чаще.

Выбираю один из контактов (не отмеченный батистом) и вставляю в него щуп, например красный. Присоединяю черный конец к произвольной секунде (длинный батист). Замечу чтение: 196 Ом.

Переношу черный конец на короткую булавку из батиста. Я вижу большое сопротивление.

Меняю концы в точках: на неизолированный провод кладу черный щуп, а на длинный — красный. Я вижу высокое сопротивление.

Красный конец перекладываю на короткую булавку батиста. Измеряю 72 Ом.

Осталось два измерения. Красный щуп оставляю на прежнем месте, а черный присоединяю к розетке длинным батистом. Результат 198 Ом.

Меняю концы местами. Голая булавка не задействована. Я вижу большое сопротивление.

Теперь осталось проанализировать полученные результаты.

Мы знаем, что базовый вывод является общим для обоих составных диодов. Оба перехода следует вызвать к нему со значением Ом. Это меры №:

• 1 (больший или красный щуп на голой булавке, минус на длинном батисте);
• 4 (меньше на голой булавке, больше на коротком батите);
• 5 (короче, короче).

Замечу, что общий вывод для двух измерений (1 и 5) из трех отмечен длинным батистом. С двух сторон к нему течет ток. Итак, это основа.

Два других контакта — это эмиттер и коллектор. Мы должны как-то их различать. Методика заключается в следующем: сопротивление базы коллектора всегда ниже сопротивления базы эмиттера. (Коллекторный ток неизбежно самый большой). Сравните 196 Ом в первом случае и 198 Ом в пятом.

Получаем, что коллекционер ничем не помечен, что подтверждается фото его композиции на футляре. Остающийся выход с коротким батистом — эмиттер.

Обратите внимание на направление токов к базе. Они идут от внешнего к внутреннему переходам (прямое направление: структура pnp). В обратном направлении токи не проходят: полупроводники целы.

Теперь важное замечание: транзисторы малой мощности имеют очень высокое сопротивление между эмиттером и коллектором при измерении тока в обоих направлениях.

В мощных моделях BT между этими концами измеряется несколько Ом в одном направлении (в зависимости от проводимости), как показано на Рисунке No. 4.

А теперь я покажу вам характеристики проверенного P213A, взятые из интернет-магазина. Они помогут вам оценить результаты моей проверки.

Учтите, что эта методика позволяет определять исправность транзисторов прямо на схеме, не распаивая их. Бывают просто случаи, когда полупроводниковые переходы отклоняются резисторами с низким сопротивлением.

Они будут играть в обоих направлениях с низким сопротивлением. Тогда БТ придется разобрать. Но обычно они не пьяны: из-за лишних телодвижений.

Работайте аккуратно и аккуратно. Не прикасайтесь пальцами к металлической части зонда. Это изменит результат измерения и приведет к ошибке.

Проверка

Самый простой способ измерить h21e биполярных силовых транзисторов — это воспроизвести их с помощью мультиметра. Для открытия полупроводникового триода pnp на базу подается отрицательное напряжение. Для этого мультиметр переходит в режим омметра на -2000 Ом. Стандарт для колебаний сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Для управления другими участками необходимо приложить к основанию положительное сопротивление. Во время этой проверки индикатор должен показывать большее сопротивление, иначе триод неисправен.

Иногда выходные сигналы прерываются резисторами, установленными для уменьшения сопротивления, но сейчас эта технология шунтирования используется редко. Чтобы проверить характеристики сопротивления импульсных npn-транзисторов, необходимо подключить плюс к базе и минус к выводам эмиттера и коллектора.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включен так, что его эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход — в противоположном направлении. Для наглядности рассмотрим транзистор npn, все рассуждения повторяются абсолютно аналогичным образом для случая транзистора pnp, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений с противоположными знаками.

В NPN-транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Некоторые из этих электронов рекомбинируют с большинством носителей заряда в базе (дырках), другие диффундируют в эмиттер.

Однако из-за того, что база очень тонкая и слегка легированная, большая часть электронов, инжектированных эмиттером, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле коллекторного перехода с обратным смещением захватывает электроны (помните, что они являются неосновными носителями в базе, поэтому переход открыт для них) и переносит их к коллектору. Таким образом, ток коллектора практически равен току эмиттера, за исключением небольших потерь на рекомбинацию в базе, которые составляют ток базы (Ie = Ib + Ik).

Коэффициент α, который связывает ток эмиттера и ток коллектора (Ik = α Ie), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Числовое значение коэффициента α 0,9 — 0,999, чем выше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от базовых напряжений коллектора и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности β = α / (1-α) = (10-1000). То есть, изменяя низкий базовый ток, вы можете контролировать гораздо более высокий ток коллектора.

Биполярный транзистор — это полупроводниковое устройство с электропреобразованием с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенное для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполнена на пластине из кремния, германия или другого полупроводника, в которой созданы три области с разными типами электропроводности.

Будет интересно➡ Что такое полевые транзисторы?

Центральная область называется базой, одна из внешних областей — эмиттером, а другая — коллектором. Следовательно, в транзисторе имеется два pn перехода: эмиттер — между базой и эмиттером и коллектор — между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, намного тоньше, чем области эмиттера и коллектора (это непропорционально показано на рисунке). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах, в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме напряжение направляется на эмиттерный переход и наоборот — на коллекторный переход. В режиме прерывания на оба перехода подается обратное напряжение. Если к этим переходам приложить прямое напряжение, транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные особенности BT:

1. Я зарабатываю.
2. Вход и выход Р.
3. Ик-э инверс.
4. Время включения.
5. Частота передачи Ib.
6. Обратный ик.
7. Максимальное значение I.

Физические процессы

Возьмите транзистор NPN в режиме холостого хода, когда подключены только два постоянных напряжения питания E1 и E2. На стыке эмиттера напряжение прямое, на стыке коллектора — противоположное. Следовательно, сопротивление эмиттерного перехода невелико и напряжения E1 в десятые доли вольта достаточно для получения нормального тока. Сопротивление коллекторного перехода высокое, а напряжение E2 обычно составляет десятки вольт.

Следовательно, как и раньше, маленькие темные кружки со стрелками — электроны, красные — дырки, большие кружки — положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода является характеристикой полупроводникового диода постоянного тока, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода аналогична вольт-амперной характеристике диода обратного тока.

Принцип работы транзистора следующий. Прямое напряжение перехода ub-эмиттер влияет на токи эмиттера и коллектора, и чем оно выше, тем больше эти токи. Изменения тока коллектора лишь немного меньше, чем изменения тока эмиттера. Оказывается, напряжение на переходе база-эмиттер, то есть входное напряжение, контролирует ток коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы показаны в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

С увеличением прямого входного напряжения ub-e потенциальный барьер в эмиттерном переходе уменьшается и, как следствие, увеличивается ток через этот переход. Электроны этого тока инжектируются эмиттером в базу и путем диффузии проникают через базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Поскольку коллекторный переход работает в обратном напряжении, в этом переходе образуются пространственные заряды (большие кружки на рисунке). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (извлечению) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, то есть они притягивают электроны в области коллекторного перехода.

Схема работы и устройство биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней мала, большая часть электронов, проходя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками в базе и достигать коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в дырочной основе. Это приводит к базовому току.

Базовый ток бесполезен и даже вреден. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Поэтому область основания сделана очень тонкой и концентрация дырок в ней уменьшена. Таким образом, меньшее количество электронов будет рекомбинировать с дырками, и, опять же, базовый ток будет незначительным.

Когда на эмиттерный переход не подается напряжение, можно предположить, что в этом переходе нет тока. Следовательно, область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку большинство носителей заряда удаляются от этого перехода, и обедненные области этих носителей создаются вдоль обеих границ. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный движением неосновных носителей заряда друг к другу.

Если под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, электроны инжектируются в базу со стороны эмиттера, для этой области они являются неосновными носителями. Они достигают стыка коллектора, не успевая воссоединиться с отверстиями при прохождении через основание.

Чем выше ток эмиттера, тем больше электронов попадает в коллектор, тем меньше становится его сопротивление, поэтому ток коллектора увеличивается. Подобные явления происходят и в транзисторе pnp-типа, нужно только поменять местами электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как работает транзистор.

Помимо рассмотренных процессов, существует ряд других явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы: по мере увеличения напряжения на коллекторном переходе происходит лавинное умножение заряда, в основном из-за ударной ионизации.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрические сбои, которые по мере увеличения тока могут превратиться в тепловые сбои. Все происходит так же, как и с диодами, но в транзисторе с чрезмерным коллекторным током возможен тепловой пробой без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может происходить без повышения напряжения коллектора до напряжения пробоя. При изменении напряжений на переходах коллектора и эмиттера изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

особенно важно учитывать напряжение базы коллектора, так как с увеличением толщины коллектора толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект замыкания (так называемое «просверливание» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным переходом. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

По мере того, как инжекция носителей из эмиттера в базу увеличивается, неосновные носители заряда накапливаются в базе, то есть концентрация и общий заряд этих носителей увеличивается. Но с уменьшением инжекции концентрация и общий заряд этих же носителей в базе уменьшаются, и этот процесс получил название резорбции неосновных носителей заряда в базе.

И наконец, правило: при использовании транзисторов запрещается разрыв цепи базы, если цепь коллектора не запитана. Также необходимо включить питание цепи базы и, следовательно, цепи коллектора, но не наоборот.

Схема транзисторного устройства.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — это полупроводниковое устройство, состоящее из трех чередующихся полупроводниковых областей с разными типами проводимости (ppp или ppp) с одним проводником от каждой области. Рассмотрим работу транзистора типа npn. Чередующиеся области образуют два pn перехода база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

На переход BE подается прямое напряжение EBE, под действием которого электроны n-й области эмиттера устремляются к базе, создавая ток эмиттера. Концентрация примесей в эмиттере сделана во много раз больше базы, а сама база максимально тонкая. Следовательно, только небольшая часть (1-5%) электронов, испускаемых эмиттером, рекомбинирует с дырками в базе.

Большая часть электронов, прошедших узкую базовую область (доли микрон), «собираются» коллекторным напряжением Ek, которое представляет собой обратное напряжение для BC-перехода, и, двигаясь к плюсу внешнего источника Eк, создает ток коллектора, протекающий через нагрузку Rн. Электроны, которые рекомбинируют с дырками в базе, составляют базовый ток IB.

В этом случае ток коллектора определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Транзистор типа pnp работает аналогичным образом, отличаясь только тем, что его эмиттер испускает дыры в базе, а не электроны, поэтому полярности прямого и обратного напряжения Ek, приложенного к нему, должны быть противоположны транзистору типа ppn.

На символе транзистора стрелка расположена на эмиттере и всегда направлена ​​от области p к области n. На рис. 1.8, б показано условное обозначение транзистора ppp, а на рис. 1.9, б — ppp. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор выполнен в независимом корпусе, а отсутствие кружка означает, что транзистор выполнен за одно целое с другими элементами на полупроводниковой пластине интегральной микросхемы.

стрелку эмиттера удобно рассматривать как индикатор полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое «открывает» (как выпрямительный диод) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах требуется два вывода для входного сигнала и два для вывода.

Поскольку у транзистора всего три контакта, один из них должен быть общим, принадлежащим как входной, так и выходной цепи. Возможны три варианта коммутации транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.

Режим работы биполярных устройств

В зависимости от величины напряжения на выводах транзистора различают 4 режима работы:

• отсечка — переходы отверстия — электроды не встречаются;
• активный режим — описан в описании;
• насыщение — ток базы очень большой, а ток коллектора будет иметь максимальное значение и абсолютно не будет зависеть от тока базы, в результате не будет усиления сигнала;
• инверсия — использование устройства, в котором роли эмиттера и коллектора меняются местами.