Транзистор для чего. Биполярные транзисторы: принцип работы, виды и применение

alexxlabРазное
Что такое биполярный транзистор. Как устроены и работают биполярные транзисторы. Какие бывают виды биполярных транзисторов. Где применяются биполярные транзисторы в электронике. Как рассчитать схему с биполярным транзистором.

Содержание

Что такое биполярный транзистор

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, способный усиливать и переключать электрический ток. Он является «потомком» ламповых триодов, но обладает гораздо меньшими размерами и энергопотреблением.

Основные особенности биполярных транзисторов:

  • Имеют три вывода: эмиттер, база и коллектор
  • Бывают двух типов проводимости: NPN и PNP
  • Могут работать в нескольких режимах: активном, насыщения, отсечки
  • Способны усиливать ток в десятки и сотни раз
  • Используются для усиления сигналов и в ключевых схемах

Устройство и принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника с разным типом проводимости. Эти области образуют два p-n перехода.


Принцип работы биполярного транзистора можно описать следующим образом:

  1. При подаче напряжения на переход база-эмиттер, через него начинает протекать ток
  2. Этот ток вызывает инжекцию носителей заряда из эмиттера в базу
  3. Большая часть этих носителей проходит через тонкую базу в коллектор
  4. В результате небольшим током базы управляется гораздо больший ток коллектора

Таким образом, транзистор усиливает входной сигнал по току. Коэффициент усиления по току обозначается β и может достигать сотен.

Виды биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы делятся на два основных типа:

NPN-транзисторы

В NPN-транзисторах носителями заряда являются электроны. Ток течет от коллектора к эмиттеру. На схемах обозначаются стрелкой, направленной от базы.

PNP-транзисторы

В PNP-транзисторах носителями заряда являются «дырки». Ток течет от эмиттера к коллектору. На схемах обозначаются стрелкой, направленной к базе.

Также транзисторы различаются по материалу (кремниевые, германиевые), мощности, рабочим частотам и другим параметрам.


Режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор может работать в нескольких режимах:

Активный режим

Это основной рабочий режим для усиления сигналов. В нем ток коллектора пропорционален току базы.

Режим насыщения

В этом режиме транзистор полностью открыт и ток коллектора максимален. Используется в ключевых схемах.

Режим отсечки

Транзистор закрыт, ток через него не течет. Также применяется в ключевых схемах.

Инверсный режим

Коллектор и эмиттер меняются ролями. Используется редко из-за низкого коэффициента усиления.

Применение биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы широко применяются в электронике:

  • В усилителях сигналов (аудио, радио и т.д.)
  • В импульсных схемах и генераторах
  • В ключевых схемах для управления нагрузкой
  • В стабилизаторах напряжения
  • В логических схемах и цифровых устройствах
  • В источниках питания

Как рассчитать схему с биполярным транзистором

При расчете схем с биполярными транзисторами нужно учитывать следующее:

  1. Определить требуемый ток коллектора
  2. Рассчитать необходимый ток базы с учетом коэффициента усиления
  3. Подобрать резистор базы для обеспечения нужного тока
  4. Проверить, не превышены ли предельные параметры транзистора
  5. При необходимости добавить цепи температурной стабилизации

Для примера рассмотрим расчет простого ключа на биполярном транзисторе:


  1. Пусть ток нагрузки 100 мА
  2. При коэффициенте усиления 10 ток базы должен быть 10 мА
  3. При напряжении базы 5В и падении на переходе 0,7В получаем сопротивление базового резистора: (5-0,7)/0,01 = 430 Ом
  4. Выбираем ближайшее стандартное значение 470 Ом

Как проверить исправность биполярного транзистора

Проверить работоспособность биполярного транзистора можно с помощью мультиметра:

  1. Переключите мультиметр в режим «прозвонки диодов»
  2. Подключите щупы к выводам транзистора в разных комбинациях
  3. Исправный транзистор должен показывать два диода, соединенных в одной точке
  4. Проверьте коэффициент усиления в режиме измерения hFE

Если показания отличаются от ожидаемых, транзистор может быть неисправен.

Заключение

Биполярные транзисторы остаются одним из самых распространенных и универсальных электронных компонентов. Понимание их принципов работы и основных схем включения позволяет создавать разнообразные электронные устройства — от простых ключей до сложных усилителей и вычислительных схем.


Что такое транзистор — простым языком

Транзистор – это электронный компонент, который управляет высоким током с помощью низкого. Транзистор еще можно назвать полупроводниковым триодом. Это второе название пришло к нему от его «родителя» – электровакуумного триода, одной из разновидностей так называемых «ламп».

Из чего состоит транзистор?

Видимая часть транзистора состоит из корпуса и трех «ножек»-выводов (однако существуют и разновидности транзисторов, у которых количество выводов больше трех). Корпус транзистора изготовляют из керамики, металлических сплавов или пластмассы. Заглядывая наперед, отметим, что существует два вида транзисторов – биполярный и полевой.

Внутри корпуса биполярного транзистора размещается три слоя полупроводника, два из которых расположены по краям и имеют одинаковый тип проводимости (p либо n), это – коллектор и эмиттер. Третий слой расположен между первыми двумя и отличается типом проводимости от своих соседей. Это – база.

Расположение полупроводников определяет тип транзистора: p-n-p либо n-p-n. На каждый из полупроводников нанесен металлический слой. С помощью этого слоя и проволочных связей полупроводники соединены с выводами транзистора. Однако не стоит забывать, что расположение выводов транзистора может меняться, в зависимости от модели транзистора.

На изображении – биполярный транзистор n-p-n типа.

Полевой транзистор также имеет в своем арсенале полупроводники, но их расположение, количество и принцип работы отличается от биполярных транзисторов и зависит от вида полевого транзистора.

Где используются транзисторы?

Транзисторы используются в большинстве электронных схем. Это может быть как простой генератор частоты, так и материнская плата компьютера.

Заглянем под крышку усилителя – и тут транзисторы. Они аккуратно разместились на схеме радиоприемника, чтобы преобразовать радиосигнал в аналоговый. Если нужно собрать электронный стабилизатор или ключ – не обойдетесь без транзисторов.

Существует ряд сверхмощных транзисторов. Они могут работать с нагрузкой до 1.5 кВт и применяют их в промышленной сфере. Рабочая температура таких транзисторов может достигать 200-300 градусов Цельсия. Для их охлаждения используют радиаторы теплоотвода.

Группа транзисторов, в совокупности с дополнительными элементами, может совершать ряд логических операций и представляет собой своего рода процессор. Собственно, процессор на основе полупроводника и является группой транзисторов. Они заключены в общий корпус и связаны там между собой таким образом, как если бы располагались на монтажной плате. В мощных процессорах, благодаря миниатюрности кристаллов полупроводника, может быть заключено до нескольких десятков миллионов транзисторов.

Принцип работы транзистора

В биполярных транзисторах управление током коллектора происходит путем изменения управляющего тока базы. Ток, которым нужно управлять, направлен по цепи – «эмиттер-коллектор». Однако, в состоянии покоя транзистора этот ток не может проходить между ними. Это вызвано сопротивлением эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв полупроводника. Но стоит подать на базу транзистора незначительный ток, и сопротивление между эмиттером и коллектором упадет, тем самым даст возможность проходить току через эмиттер и коллектор, усиливая выходной сигнал. Изменяя ток базы, можно изменять ток на выходе транзистора.

В полевых транзисторах такое управление осуществляется благодаря созданию поперечного электрического поля, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Это значительно уменьшает энергопотребление транзистора, так как сопротивление затвора велико, и для создания поля не нужно постоянно поддерживать управляющий ток. Если бы не полевой транзистор, мы меняли бы батарейки в пульте от телевизора в разы чаще, чем обычно.

Таким образом, транзисторы можно сравнить с водопроводным краном, где подача и слив воды – это эмиттер\исток и коллектор\сток транзистора, а рукоять вентиля – это его база\затвор.

Разновидности, обозначение транзисторов

На большинстве схем транзисторы могут обозначаться буквами «VT», «Q», «T», «ПТ», «ПП». К буквам может применяться приписка в виде цифры, например «VT 4», которая указывает номер детали на схеме. Или модель транзистора целиком, например «T KT-315Б».

Транзисторы делятся на два вида: биполярный и полевой.

Схематическое обозначение биполярного транзистора:

Как видно на рисунке, обозначение транзисторов разных типов отличается направлением стрелки эмиттера. Транзисторы n-p-n типа обозначаются со стрелкой эмиттера, направленной от базы. В случае p-n-p типа, стрелка будет направлена в сторону базы транзистора. На многих схемах эмиттер, коллектор и база отмечены буквами латинского языка: эмиттер – «E», база – «B» коллектор – «C».

Типовая схема подключения биполярных транзисторов:

Рекомендовано практически во всех схемах с биполярным транзистором давать дополнительное сопротивление ко входам коллектора и базы. Это продлит срок службы транзистора и стабилизирует его работу.

Обозначений полевых транзисторов есть больше, чем биполярных. Основные представлены на изображениях ниже.

Как вы видите, выводы транзистора обозначены буквами «З»-затвор, «С»-сток, «И»-исток. Функцию базы выполняет затвор, а коллектор и эмиттер, это – сток и исток, соответственно. Как биполярные транзисторы делятся на n-p-n и p-n-p, так полевые делятся на:

  • с управляющим p-n переходом с каналом n-типа;
  • с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа;
  • с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа;
  • с управляющим p-n переходом с каналом p-типа;
  • с изолированным затвором с индуцированным каналом p-типа;
  • с изолированным затвором со встроенным каналом p-типа.

Некоторые транзисторы с управляющим p-n-переходом предоставляют доступ к каналу с помощью четвертой «ножки»-вывода либо используется сам корпус транзистора.

На изображениях ниже – схемы включения полевых транзисторов:

С управляющим p-n-переходом с общим истоком

С управляющим p-n-переходом с общим стоком

С управляющим p-n-переходом с общим затвором

Маркировка транзисторов

Маркировка транзистора наносится на корпус, иногда нужно также обращать внимание на длину выводов. Современная маркировка транзисторов зависит от производителя. По причине этого, рекомендовано изучать спецификации от производителей, чтобы корректно читать маркировку.

Маркировка бывает цветовая, кодовая и смешанная. Есть случаи нестандартной маркировки, где могут использоваться различного рода символы.

Вольт амперная характеристика

На двух графиках представлены вольт амперные характеристики отдельно для биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы:

Полевые транзисторы:

устройство, классификация и работа простым языком

С каждым годом появляется все больше и больше электронных средств, а они часто ломаются. На ремонт уходит немало средств, порой, достигая до 50 процентов от стоимости аппарата. И что досадно, некоторые из этих поломок можно было устранить самому, имея начальные знания о том, как работает транзистор. Почему он? Именно транзисторы чаще всего выходят из строя.

Виды транзистора

Чтобы легче разобраться в работе транзистора, необходимо иметь представление о нем. Он является полупроводником, что указывает на его способность проводить ток в одном направлении и не пропускать в другом. Чтобы достичь таких характеристик используются разные способы изготовления. Все эти приборы по своему характеру работы делятся на две группы:

  1. биполярные
  2. полярные

Хотя и те и другие относятся к одному классу — транзисторы, происходящие в них процессы сильно отличаются.

Биполярный

Движение электронов по замкнутой цепи называется электрическим током. Грубо говоря, чем больше электронов, тем больше ток. Если атом отдает электроны, он становится положительно заряженным и, наоборот, притягивая лишние электроны, он становится отрицательно заряженным.

При добавлении в кремний и германий примесей они становятся необходимым материалом, из которых и изготавливаются биполярные транзисторы.

Биполярными называются электронные приборы, состоящие из двух, имеющие разные заряды слоев. Причем два крайних имеют одинаковый заряд. Тот слой, который имеет положительный заряд, называется «p», а отрицательный — «n». В связи с этим различают следующие типы:

Граница между этими слоями называется переход. Внутреннюю область, разделенную двумя переходами, называют базой. Две внешние области называют эмиттер и коллектор. Монокристалл изготовлен таким образом, что одна внешняя область передает в базу носители энергии и называется эмиттером. Другая внешняя область забирает эти носители и называется коллектором.

На электрической схеме биполярный транзистор обозначается в виде круга, внутри которого нарисована черточка, а к ней подходят три прямые. Одна подходит под углом в 90 градусов и обозначает базу, две другие под наклоном. Та из них что имеет стрелку обозначает эмиттер, другая — коллектор. Сам прибор, как правило, имеет три вывода, соответствующих этим областям.

Полевой

Другой вид называется полевой или униполярный. В отличие от биполярного p-n переход работает иначе. Его монокристалл имеет однородный состав. Канал, по которому движутся энергоносители, может быть дырочным или электронным. В дырочном носителем являются положительно заряженные неподвижные ионы, в электронном — отрицательно заряженные. Эти каналы также обозначаются буквами «p» и «n» соответственно.

Вокруг и почти по всей длине этого канала впрыскиваются, вживляются ионы противоположной полярности. Эта область называется затвором, она-то и регулирует проводимость канала. Тот край канала, через который заряженные частицы входят в кристалл, называется исток, а через который выходят — стоком.

Для улучшения электрических характеристик между металлическим каналом и затвором стали добавлять диэлектрик. Если классифицировать транзисторы по структуре, то можно выделить два семейства:

  • МДП (к ним можно отнести и МОП — металл-оксид-проводник)
  • JGBT

МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-проводник. Это полевой. Новый JGBT транзистор сочетает в себе достоинства биполярного, но имеет изолированный затвор.

Принцип действия

Один из сложных радиоэлементов — транзистор. Принцип работы его сводится к следующему:

  • регулировка
  • усиление
  • генерация

Биполярные обладают большей мощностью и могут работать с большими частотами. Однако, если нужен широкий спектр усиления, то без полевого не обойтись.

Работа полевого

Рассмотрим, как работает транзистор. Для начинающих радиолюбителей трудно разобраться во всех этих переходах. Чтобы показать принцип работы транзистора простым языком, обратим внимание на следующий пример.

Водопроводный кран вентильного типа способен очень плавно менять напор воды. Это достигается благодаря постепенному изменению пропускного отверстия. На этом же принципе основана работа и полевого транзистора.

Затвор окружает пропускной канал. При подаче на него запирающего напряжения, электрическое поле как бы сдавливает проход, тем самым уменьшая поток заряженных частиц. Как и при закрывании крана необходимо прилагать небольшое усилие, так и мощность затвора, по сравнению с основным каналом, очень мала. Сходство также и в том, что при небольших изменениях напряжения на затворе, сечение прохода также меняется незначительно.

Как работает биполярный

Работа биполярного прибора несколько отличается от работы полевого. В первую очередь отличается способ управления движением заряженных частиц. В полевом используется электрическое поле, в биполярном — ток между базой и эмиттером.

В зависимости от типа прибора стрелочка эмиттера на схеме будет либо направлена к базе, тогда это тип p-n-p, либо от базы, тогда это n-p-n. При подключении к этим зажимам одноименного напряжения («p» подключается к «+», а «n» подключается к «-«) в цепи эмиттер — база возникает ток. В базе появляется больше носителей заряда и их становится тем больше, чем больше ток в этой цепи.

К коллектору подводится обратное напряжение, т. е. к «p» подключается «-«, а к «n» — «+». Поскольку между эмиттером и коллектором возникает разность потенциалов, между этими выводами появляется ток. Он будет тем больше, чем больше носителей заряда имеется в базе.

Когда к эмиттеру и базе подключают источник питания противоположного знака, ток прекращается, транзистор закрывается. Что поможет лучше понять работу транзистора? Для чайников важно понять одну истину. Если открыт переход эмиттер — база (подается прямое напряжение), то открыт и сам прибор, в противном случае он закрыт.

Меры предосторожности

Полевые транзисторы очень чувствительны к повышенному напряжению. При работе с ними необходимо предотвратить возможность попадания на них статистического напряжения. Этого можно достичь надев заземленный браслет. При подборе аналога важно учитывать не только рабочее напряжение, но и допустимый ток. А если прибор работает в частотном режиме, то и его частоту.

Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы  и вообще с чем его едят, то берем  стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание,  будет удобнее ориентироваться в статье 🙂

[contents]

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.

 

 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!

Области применения транзисторов — изобретение транзистора

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Существует два основных типа транзисторов: биполярные, и полевые. В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом  (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов различаются по областям применения. биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

Транзисторы можно применять не только в схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

 Основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

По виду выполняемой функции (целевому назначению) транзисторы можно разделить на усилительные, переключательные и генераторные.

Общими для расчетов усилителей на транзисторах (постоянного тока, низкой частоты, промежуточной частоты, высокой частоты и др.) являются входное и вы­ходное сопротивления каскада, соотношения, определяющие усиление, частотные свойства, режимы работы, температурная стабильность и прочие показатели.

В соответствии с назначением различают каскады предварительного усиления (напряжения, тока или мощности), предназначенные для получения максимального усиления (обычно по резисториой или трансформаторной схемам), и каскады усиле­ния мощности, обеспечивающие на заданной нагрузке необходимую (выходную) мощность при минимальных искажениях и мощности потребления от источника пи­тания.

В усилителях, имеющих хорошую температурную и режимную стабилизацию, замена транзистора на однотипный с более высоким значением h3is обычно не при­водит к значительному увеличению тока коллектора в рабочей точке.

Транзисторы некоторых типов используются в специфических классах схем и характеризуются рядом особенностей режима и условий работы. Эти специализи­рованные транзисторы образуют своеобразный класс приборов, например, транзисто­ры для схем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), для усилителей про­межуточной частоты, для работы в микроампериом диапазоне токов, для работы в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, лавинные транзисторы, сдвоенные, составные, двухэмиттер- Эые и т. п. Есть узлы, в которых требуются высоковольтные транзисторы. Оптимальное сочетание параметров и характеристик, удовлетворяющих различным требованиям, дает воз­можность использовать их в радиоэлектронной аппаратуре вместо некоторых уси­лительных и переключательных транзисторов (например, транзистор КТ630).

Для схем с АРУ разработаны специальные транзисторы (германиевые и крем­ниевые), обладающие регулируемым усилением при увеличении рабочего тока (пря­мая АРУ). Уменьшение усиления таких транзисторов на высокой частоте происходит вследствие снижения frp при увеличении тока эмиттера и уменьшения напряжения на коллекторе (например, КТ3128, ГТ328). В связи с этим наблюдается сильная зависимость Кур от тока. Обычно транзисторы имеют меньшую зависимость коэф­фициента усиления от электрического режима. Для зарубежных транзисторов, пред­назначенных для АРУ, часто указывается глубина регулировки усиления (отноше­ние максимального коэффициента усиления к минимальному).

Жесткие требования к экономичности радиоэлектронной аппаратуры в ряде специальных применений способствовали созданию кремниевых транзисторов, функ­ционирующих при малых токах (единицы и десятки микроампер)’, поскольку гер­маниевые транзисторы вследствие большого обратного тока коллектора для этой цели непригодны. Такие приборы (например, транзисторы КТ3102, КТ3107) имеют малые токи 1кБО и большие коэффициенты усиления. Однако при работе в микро­режиме у них ухудшаются частотные свойства, но несколько улучшаются шумо­вые характеристики. Кроме того, при малых токах обычно увеличивается зависи­мость параметров от температуры, снижается крутизна и затрудняется стабили­зация режима.

Реализация большого коэффициента усиления по мощности в высокочастот­ных усилителях связана с уменьшением паразитной обратной связи, обусловленной проходной проводимостью транзистора Yi2. Разработаны транзисторы (напри­мер, КТ339АМ), у которых для снижения емкости обратной связи в транзисторную структуру введен интегральный экран (электростатический экран Фарадея), пред­ставляющий собой сочетание диффузионного экрана и дополнительного экранирую­щего диода. Применение интегрального экрана позволяет снизить емкость между коллекторным и базовым выводами в 2,5…4 раза (емкость С120 снижается до зна­чения ие более 0,3 пФ) и обеспечить большой коэффициент усиления Кур без при­менения схем нейтрализации.

Лавинные транзисторы предназначены для работы в режиме электрического пробоя коллекторного перехода. В зависимости от схемы включения они могут иметь управляемые S-образные (со стороны коллектора или эмиттера) и N-образ- ные (со стороны базы) вольт-амперные характеристики. Использование обычных транзисторов в этом режиме принципиально возможно и встречается на практике, но при этом не обеспечиваются необходимые быстродействие, амплитуда импуль­сов, стабильность и надежность. Например, одной из причин, снижающих эффек­тивность применения обычных высокочастотных транзисторов в лавинном ре­жиме, является значительное снижение частоты frp при увеличении коллекторного тока.

 Лавинные транзи­сторы применяются в релаксационных генераторах в ждущем или автоколеба­тельном режиме.

Следует также отметить транзисторы, предназначенные для использования в инверсном включении (например, зарубежные транзисторы 2N2432, 2N2944 — 2N2946, 2N4138), которые имеют малое остаточное напряжение (менее 1 мВ) и применяются в модуляторах для стабильных усилителей постоянного тока, по­строенных по схеме модуляции — демодуляции, в схемах управления реверсивными двигателями, в логических схемах, амплитудных детекторах и других схемах. В некоторых схемах, например автомобильного зажигания и строчной развертки телевизоров, при запирании транзистор может переходить в режим инверсного включения при работе на комплексную нагрузку.

Разработаны специальные модуляторные транзисторы, в основу которых по­ложены две транзисторные структуры. Это так называемые двухэмиттерные тран­зисторы, имеющие лучшие параметры инверсного включения (например, зарубеж­ные транзисторы 3N74—3N79, 3N108 — 3N111). У отечественного транзистора КТ118 остаточное напряжение менее 0,2 мВ.

Для работы в выходных каскадах усилителя низких частот радиовещательных приемников, высококачественных магнитофонов, радио, телевизоров разработаны германиевые и кремниевые транзисторы разного типа проводимости. Они характеризуются слабой зависимостью коэффициента усиления от тока, высокой частотой fЬ21э, низким напряжением Ukb нас, что позволяет улучшить акустические показатели устройств в широком диапазоне звуковых частот. В свою очередь, это дает возможность упрощать схемы усилителей, уменьшать число применяемых транзисторов, повышать надежность и снижать себестоимость устройств. Зависимость коэффициента передачи h3ia от тока характеризуется коэффициентом линейности — отношением коэффициентов передачи при двух значениях тока эмиттера. 

Транзисторы: описание, подключение, схема, характеристики

Транзистор — электронная “кнопка” в цепи питания, которая нажимается не пальцем, а электрическим сигналом, например от контроллера, что позволяет управлять сильным импульсом при помощи слабого.

Содержание

  • Назначение
  • Биполярные транзисторы
  • Полевые транзисторы
  • Пример
  • Вывод

Назначение транзисторов

Транзистор — электронная “кнопка” в цепи питания, которая нажимается не пальцем, а электрическим сигналом, например от контроллера, что позволяет управлять сильным импульсом при помощи слабого. Также применяется для преобразования и коммутации электрических сигналов, что широко используется в электронных устройствах любой сложности, в том числе в микросхемах, в качестве атомарного триггера и так далее.

Как правило, у транзистора имеется три ноги: для входа, для выхода и для управляющего сигнала.

В DIY-разработках чаще всего используются транзисторы в двух корпусах: ТО-92 для небольших нагрузок и ТО-220 — более крупный и более мощный.

Транзисторы бывают двух типов: биполярные и полевые, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

Биполярные транзисторы.

Простое, надежное, компактное и недорогое устройство. Три контакта имеют следующие названия и назначения:
  • Коллектор — контакт для мощного положительного тока, которым следует управлять.
  • Эмиттер — контакт для “земли” мощного тока, на который открывается или закрывается транзит в зависимости от состояния Базы.
  • База — та самая “кнопка”, подавая небольшой ток на которую можно разблокировать связь коллектор-эмиттер, а заземлив его — заблокировать.
Простейшая схема подключения биполярного транзистора выглядит так:

В роли затвора, в нашем случае, чаще всего выступает пин Ардуино. Токоограничивающий резистор нужен для того, чтобы этот самый пин не сгорел, так как при подаче сигнала этот контакт замкнется на землю. Для этой цели достаточно резистора номиналом от 180 Ом.

Основной характеристикой биполярного транзистора является является коэффициент усиления hfe, соотношение между управляющим током и током нагрузки:

Ice = Ibe * hfe

Давайте рассчитаем, какой ток можно пропустить через типовой транзистор bc337 в корпусе ТО-92. Согласно даташита, коэффициент усиления такого транзистора составляет от 160 до 400, возьмем 300 как разумно-оптимальный. Примем номинал токоограничивающего резистора за 1 кОм, значит на базе получим ток:

Ibe = V/R = 5/1000 = 0.005 А

Вычисляем максимальный управляемый ток при помощи нехитрой формулы:

Ice = 5 мА * 300 = 1500 мА

Ответ: при помощи транзистора bc337 мы (теоретически) можем управлять нагрузкой до 1.5 А. При более высокой нагрузке транзистор откроется не полностью, “лишняя” часть пойдет на нагрев и транзистор быстро сгорит.

К основным характеристикам биполярного транзистора также можно причислить максимальное напряжение коллектор-эмиттер и максимальный ток через коллектор. Для нашего примера bc337 эти параметры, соответственно, 50 В и 0.8 А. Получается, что расчетные 1.5 А мы пропускать через этот транзистор все-таки не сможем, максимум 0.8. Поэтому, перед выбором транзистора, обязательно изучите его характеристики и свойства нагрузки.

Биполярные транзисторы выпускаются в двух разновидностях: NPN и PNP.

Транзистор из рассмотренного выше примера — NPN (Negative-Positive-Negative), такие более эффективны, а значит и распространены. PNP-транзисторы работают по обратной логике: при заземлении базы открываются, при подаче на нее питания закрываются.

Полевые транзисторы

Полевый транзисторы позволяют управлять гораздо более мощными нагрузками, при тех же размерах корпуса. В отличие от биполярных транзисторов, ток через затвор полевых не проходит, он изолирован от главной нагрузки, управление происходит только при помощи напряжения, а значит токоограничивающий резистор для них не нужен.

Названия и назначения контактов:

  • Сток — для подачи управляемой нагрузки;
  • Исток — для заземления, связь с которым открывается или закрывается в зависимости от состояния затвора;
  • Затвор — управляющий контакт, подаем напряжение — открываем транзистор, заземляем — закрываем.
Простейшая схема подключения полевого транзистора выглядит очень похоже:

Основными характеристиками полевого транзистора являются:
  • Максимальное напряжение сток-исток;
  • Максимальный ток через сток;
  • Сопротивление сток-исток;
  • Рассеиваемая мощность;
Недостатком полевого транзистора является то, что часть пропускаемой мощности в нем превращается в тепло, потому рассеиваемая мощность является таким важным параметром. Выделяемая мощность — это напряжение в квадрате, умноженное на сопротивление сток-исток, если она превысит допустимое, транзистор перегреется и выйдет из строя.

Наиболее известная разновидность полевого транзистора — MOSFET, чаще всего в DIY используются именно они. Особое внимание обратите на транзисторы с буквой L в маркировке, например IRLZ44n, они очень удобны для работы с контроллерами благодаря логическому уровню управления. Это значит, что для полного открытия гарантированно хватит сигнала с пина, обычно это от 2,5 В и выше. Максимальный ток сток-исток таких транзисторов многократно больше, чем у полевых, в случае IRLZ44n это аж 45 А, против 0,8 А у bc337. Поэтому для управления серьезной нагрузкой рекомендуется использовать именно их.

Пример

Рассматривать применение транзисторов в качестве простого выключателя мы здесь не будем, тем более, что такие схемы уже приведены выше. Давайте попробуем сделать из них что-то более сложное и полезное. Например, управление асинхронным электромотором с возможностью реверса. Для этого применим схему подключения, известную как Н-мост. Простейший вариант будет выглядеть так:

Для запуска мотора в одном направлении, подаем на первый пин единицу, на второй ноль. Нетрудно заметить на схеме, что при этом ток пойдет по красной линии, плюс на левый контакт мотора, минус на правый. Если выставим состояние пинов в обратное положение, ток пойдет по синей линии и мотор будет крутиться в противоположном направлении. Если оба пина выставить в одинаковое положение, мотор вращаться не будет, так как на его контактах будет отсутствовать разница потенциалов.

Можно обойтись и одним пином, для этого подключить второй управляющий контакт через логический инвертор, как пример — микросхему 74HC04, которая превращает ноль в единицу и наоборот. Тогда на пинах всегда будет разноименный сигнал и мотор будет вращаться в ту или другую сторону, в зависимости от подключения и состояния единственного управляющего пина.

Вывод


Транзистор — очередной элементарный “кирпичик”, один из базовых элементов электроники, наряду с резистором и конденсатором и диодом. Комбинацией этих “кубиков” создается подавляющее количество электронных схем. Знать эти элементы, их свойства, разновидности и уметь ими пользоваться должен каждый DIY-мастер.

Использование силовых транзисторов в линейном режиме

Теоретически, добиться работы в линейном режиме очень просто. Для этого достаточно подать на затвор напряжение определенной величины и следить за соблюдением требований документации в области безопасной работы в прямом смещении (ОБР-П). В действительности же задача реализации силовой схемы, работающей в линейном режиме, — одна из самых непредсказуемых: многие простые решения проявляют себя так, что могут стать кошмарным сном разработчика. В данной статье будут показаны «подводные камни» линейного режима и даны рекомендации и примеры реализации высоконадежных схем, работающих в таком режиме. В описаниях в основном будет идти речь о силовых МОП-транзисторах, хотя все сказанное в равной мере может быть отнесено и к IGBT силовым транзисторам.

 

Проблемы линейного режима

Реализация силовой схемы, работающей в линейном режиме, связана с тремя фундаментальными проблемами:

  1. Информация, приведенная в документации производителя, часто является неадекватной или даже некорректной по отношению к линейному режиму работы.
  2. Тепловая неустойчивость ограничивает возможности силового транзистора, работающего в линейном режиме, по управлению нагрузкой относительно значений, которые следуют из паспортных данных максимальной рассеиваемой мощности или температуры перехода кристалла.
  3. Пороговые напряжения и крутизна транзисторов с изолированным затвором (МОП и IGBT) могут существенно отличаться даже у однотипных транзисторов.

 

Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

Для управления током стока достаточно регулировать напряжение затвор-исток. Тем не менее, под влиянием некоторых различий температуры вдоль кристалла в нем возникает температурно-индуцированное изменение тока. Если температурно-зависимое изменение плотности тока окажется температурно-нестабильным (что нормально для линейного режима работы), то результатом может быть локальный разогрев и колебания тока в кристалле. Следствием разогрева может быть выход из строя, идентичный вторичному пробою биполярных силовых транзисторов. Исходя из этого, границы действительной ОБР-П могут быть существенно меньшими, чем те, что получены только на основании тепловых сопротивлений, часто публикуемых в документации. Исключение возможности отказа является самой большой проблемой при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Таким образом, есть смысл в том, чтобы разобраться, что же вызывает выход силового транзистора из строя.

Работа в линейном режиме возможна в области «насыщения» передаточной характеристики (смежная с омической область), как показано на рис. 1.

Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора

При работе в этой области ток стока зависит от напряжения затвор-исток VGS и от порогового напряжения VTH:

где k = (μeCOZW)/2L, μe — подвижность электронов, COZ — емкость оксидного слоя затвора, W — ширина канала, L — длина канала.

Коэффициент передачи и значение k тем выше, чем больше ширина канала W и чем меньше его длина L. Поскольку значение μe снижается по мере роста температуры, то рост температуры также вызовет снижение k. (Емкость не зависит от температуры, но зато зависит от напряжения сток-исток). Значение VTH тоже снижается с ростом температуры. Поскольку работа прибора в линейном режиме связана с его разогревом, то снижение подвижности электронов приведет к снижению тока стока, таким образом, поддерживая тепловую устойчивость. В противоположность этому, снижение порогового напряжения приводит к возрастанию тока стока. Таким образом, отрицательный температурный коэффициент порогового напряжения является фактором тепловой неустойчивости. Данные соотношения можно выразить математически. Для этого нужно продифференцировать (1) по температуре и выполнить подстановку в зависимость рассеиваемой мощности от температуры. В итоге получаем коэффициент устойчивости S:

Чем выше значение S, тем большей тепловой неустойчивостью будет обладать силовой транзистор. Это означает, что локальное возрастание температуры оказывает регенеративное влияние. Если же S имеет отрицательное значение, прибор будет температурно-устойчивым в линейном режиме. Обратите внимание, что значения dVТН/dT и dk/dT всегда отрицательны.

Пользуясь выражением (2), можно сформулировать факторы улучшения тепловой устойчивости (когда S имеет меньшие значения):

  1. Снижение теплового сопротивления.
  2. Снижение напряжения сток-исток.
  3. Увеличение тока стока.
  4. Снижение коэффициента передачи (а следовательно и k).
  5. Снижение абсолютного значения температурного коэффициента порогового напряжения dVТН/dT.

Факторы 4 и 5 полностью зависят от конструкции силового транзистора. Таким образом, при его проектировании могут быть предприняты меры по улучшению тепловой устойчивости и, как следствие, расширению области безопасной работы в линейном режиме. Таким мерам были подвергнуты серии линейных МОП силовых транзисторов и большинство РЧ МОП силовых транзисторов серий ARF компании Microsemi (ранее Advanced Power Technology).

На рис. 2 показаны передаточные характеристики МОП транзистора для трех температур. На нем наглядно демонстрируется фактор тепловой устойчивости, описанный выражением (2). Существует одна точка, в которой пересекаются все кривые. Ниже этой точки преобладает влияние порогового напряжения, и поэтому локальные изменения тока вызывают температурную неустойчивость. Выше этой точки преобладает влияние изменения коэффициента передачи, и силовой транзистор будет температурно-устойчивым.

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора

 

Механизм отказа

Поскольку пересечение передаточных характеристик происходит в точке с относительно большим током, работа в линейном режиме ниже этой точки практически всегда сопровождается тепловой неустойчивостью. Проблема состоит в том, что в более разогретых областях кристалла выше плотность тока, что еще больше усиливает нагрев.

У любого МОП- или IGBT силового транзистора есть внутренний биполярный транзистор. Его коэффициент передачи возрастает при увеличении температуры прибора, а также при увеличении напряжения сток-исток. Сопротивление базы биполярного транзистора возрастает с нарастанием температуры, и снижается напряжение база-эмиттер. Учитывая данные факторы совместно, можно сделать вывод, что с ростом температуры повышается вероятность генерации напряжения на сопротивлении базы, достаточного для включения биполярного транзистора.

Таким образом, при определенном уровне нагретости кристалла может произойти отпирание расположенного в разогретой области биполярного транзистора. Вследствие этого работа в линейном режиме становится аварийной: разогрев становится необратимым, температура стремительно возрастает вплоть до перегорания аварийного участка, вызывающего закорачивание стока с истоком, а иногда и затвора с истоком. Некоторые поврежденные приборы еще могут работать в открытом состоянии, но после запирания они смогут работать только с напряжением, которое характеризуется большим током утечки, протекающим через поврежденную область.

 

Рекомендации по реализации линейного режима в силовых транзисторах

Первым этапом проектирования надежной силовой схемы, работающей в линейном режиме, является налаживание контакта с инженером по применениям компании-производителя силового транзистора. Этот специалист может дать бесценную информацию и советы, которых нет в документации.

Второй этап — это нахождение действительной ОБР-П для выбранных приборов. К сожалению, этот этап работы нельзя выполнить с помощью инструментов моделирования, так как модели полупроводниковых приборов не позволяют определить, когда же происходит его повреждение. Для нахождения рабочей ОБР-П потребуется тестирование на отказ нескольких приборов. Здесь можно воспользоваться преимуществами первого этапа, потому что эта работа уже скорее всего была выполнена. После того как были собраны данные, при каких напряжениях и токах возникали отказы, могут быть построены кривые или составлена математическая модель. Добавив небольшой запас надежности, получим действительную ОБР-П.

В таблице 1 представлена информация по рассеиваемой мощности IGBT силовым транзистором APT200GN60J в линейном режиме, когда при фиксированном напряжении коллекторэмиттер ток в линейном режиме возрастал вплоть до отказа силового транзистора. В результате в таблицу были внесены данные для нескольких напряжений коллектор-эмиттер.

Таблица 1. Данные по отказам силового транзистора APT200GN60J при работе в линейном режиме

VCE, В

IC, А

Р, Вт

500

0,227

114

450

0,25

113

400

0,338

135

350

0,413

145

300

0,473

142

250

0,565

141

200

0,68

136

150

1

150

100

1,84

184

Силовые транзисторы были смонтированы на теплоотводе с водяным охлаждением. Измеренная температура корпуса TC во время отказа составляла около 75 °C. С помощью аппроксимирующей кривой можно оценить среднюю температуру перехода, при которой возникает отказ, — это примерно 175 °C. Данная температура равна паспортной максимальной температуре перехода. Важно обратить внимание, что в линейном режиме отказ может произойти при средней температуре перехода, меньшей паспортного максимального значения.

На рис. 3 проиллюстрированы данные из таблицы 1, а также теоретические кривые ОБР-П, построенные из условий постоянства рассеиваемой мощности при температурах TJ = 175 °C и TC = 75 °C и 25 °C. Обратите внимание, насколько меньше действительная область ОБР-П, чем те, что получены расчетным путем на основании постоянства рассеиваемой мощности и ограниченные только тепловым сопротивлением (представлены кривыми для температур TC = 25 °C и 75 °C). В большинстве документов публикуются кривые ОБР-П для температуры корпуса 25 °C. Если полагаться на эти данные, то окажется, что при больших напряжениях ток может быть в 6 раз больше, чем на самом деле способен пропустить силовой транзистор!

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

Но даже если ориентироваться на более низкий ток, соответствующий температуре корпуса 75 °C, он все равно окажется намного выше тока, при котором наступает отказ прибора вследствие локального разогрева. Решить эту проблему можно только одним способом: проверить несколько силовых транзисторов, для того чтобы найти условия, вызывающие их повреждение.

На рис. 3 показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам тестирования на отказ при протекании постоянного тока (статическая ОБР-П). Затем, пользуясь данными по переходным тепловым сопротивлениям, были построены ОБР-П при импульсном протекании тока (импульсные ОБР-П). Результат показан на рис. 4. Полученные кривые являются рабочими ОБР-П силового транзистора APT200GN60J. Использование температуры перехода 125 °C (ниже температуры, при которой происходит повреждение силового транзистора) позволяет создать некоторый запас надежности. Обратите внимание, если сопоставить кривую статической ОБР-П с кривой испытания на отказ на рис. 3, то первая кривая окажется ниже. Именно так нужно поступать при использовании силового транзистора в линейном режиме, принимая запас минимум в 20 °C относительно средней температуры перехода, при которой наступает отказ. На рис. 4 за максимальную рекомендованную температуру перехода принято значение 125 °C, таким образом, запас надежности составляет 50 °C относительно предельной температуры.

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Далее рассмотрим ОБР-П МОП транзистора APL502J, который был специально создан для работы в линейном режиме.

Рабочие ОБР-П силового транзистора APL502J представлены на рис. 5. По сравнению с APT200 GN60J (рис. 4) APL502J имеет более широкую ОБР-П. Границы ОБР-П находятся в противоречии с потерями проводимости. При полном включении и токе нагрузки 200 А типичное значение напряжения коллектор-эмиттер APT200GN60J составляет всего лишь 1,7 В в разогретом состоянии (1,5 В при комнатной температуре). Более надежный силовой транзистор APL502J при токе 26 A и температуре 125 °C характеризуется примерно в 6 раз большими потерями по сравнению с APT200GN60J.

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Обратите внимание, что кривые ОБР-П на рис. 4 и 5 загибаются в области повышенных напряжений (обе оси имеют логарифмический масштаб). Кривые ОБР-П, построенные на основании постоянства рассеиваемой мощности, являются прямолинейными. Если в документации вы увидите прямолинейную ОБР-П для статического режима работы, будьте бдительны! Этот график, скорее всего, неадекватен линейному режиму.

 

Примеры применения силовых транзисторов в линейном режиме

Твердотельное реле для коммутации постоянного тока

APT200GN60J прекрасно работает в составе твердотельных реле (ТТР), где обеспечивает ограничение тока заряда больших конденсаторных батарей за счет работы в линейном режиме, а затем переходит в полностью открытое состояние для минимизации потерь проводимости. Чтобы вписаться в пределы ОБР-П IGBT силового транзистора, необходимо существенно ограничить ток заряда емкости. Если к времени заряда нет строгих требований, то решение этой задачи не будет проблемой.

Требования

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо зарядить конденсаторную батарею 1500 мкФ с напряжения 0 В до 400 В. Сколько будет длиться заряд емкости, значения не имеет. Для поддержания температуры корпуса ТТР на уровне 75 °C или менее может понадобиться теплоотвод.

Решение

В соответствии с графиком ОБР-П (рис. 4) ток больше всего ограничивается при максимальном прикладываемом напряжении, которое в данном случае составляет 400 В. Из данных, которые использовались для создания рис. 4, следует, что безопасный ток заряда конденсаторов при напряжении 400 В составляет 0,16 A (примерно вдвое меньше, чем ток в точке повреждения силового транзистора по данным из таблицы 1, таким образом, есть хороший запас надежности). При токе заряда 0,16 A заряд конденсаторной батареи с напряжения 0 В до 400 В произойдет за 3,75 с. Ускорить заряд, конечно же, можно, если, следуя по кривой ОБР-П, увеличивать ток заряда по мере нарастания напряжения на конденсаторе (то есть когда снижается напряжение коллектор-эмиттер). Тем не менее, поскольку нет требований по времени заряда, вариант заряда постоянным током ввиду простоты схемного решения более приемлем.

Обеспечение работы силового транзистора в пределах ОБР-П для статического режима — решение только половины проблемы. Необходимо оценить пиковое значение рассеиваемой мощности и результирующее пиковое значение температуры перехода. Поскольку ток заряда непрерывно поддерживается на постоянном уровне, то напряжение коллектор-эмиттер будет линейно снижаться с 400 В до практически 0 В, так как напряжение на конденсаторной батарее возрастает. Следовательно, рассеиваемая мощность достигает пикового значения на уровне 64 Вт (0,16 A, 400 В) сразу после подачи напряжения, а затем будет линейно снижаться. Изменение рассеиваемой мощности во времени имеет треугольную форму.

На рис. 6 показан результат моделирования теплового переходного процесса, для чего использовалась RC-схема моделирования переходного теплового сопротивления силового транзистора APT200GN60J, на вход которой подавался линейно снижающийся импульс рассеиваемой мощности с пиковым значением 64 Вт. Пиковое значение падения температуры между переходом и корпусом составляет около 12 °C. Если температура корпуса достигнет 75 °C, то средняя температура перехода должна приблизиться к 75 + 12 = 85 °C, что существенно меньше предельно-допустимого значения 125 °C.

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

Электронная нагрузка

Линейный МОП-транзистор APL502J хорошо работает в схемах, требующих более широкую ОБР-П, как, например, схема электронной нагрузки. В данном применении для удовлетворения требований по рассеиваемой мощности, а также по максимальному падению напряжения в открытом состоянии может понадобиться параллельное включение силовых транзисторов.

Требования

В рассматриваемом примере наша самодельная нагрузка должна иметь рабочие диапазоны до 400 Вт, 400 В, 20 А и перепад напряжения при полном открытии с током 20 А не более 1 В. С помощью теплоотвода можно добиться поддержания температуры корпуса на уровне не более 75 °C.

Решение

Чтобы добиться температуры перехода менее 125 °C, воспользуемся кривыми ОБР-П, они представлены на рис. 5. Сначала проверим, выполняется ли требование к полностью открытому состоянию. При комнатной температуре (и токе 26 А) максимальное значение RDS (on) силового транзистора APL502J составляет 0,090 Ом. При температуре 125 °C значение RDS (on) удваивается и составляет 0,180 Ом у каждого силового транзистора. Общее максимально-допустимое сопротивление равно 1 В/20 A = 0,050 Ом. Теперь находим, какое минимальное число силовых транзисторов позволит выполнить требование по падению напряжения в открытом состоянии: 0,180 Ом/0,050 Ом = 3,6. Следовательно, необходимо минимум 4 силовых транзистора. Обратите внимание, что при использовании токоизмерительных резисторов (об этом пойдет речь далее) падение напряжения на них также нужно учитывать при определении числа силовых транзисторов.

Рассматривая ограничения ОБР-П, определим минимальное значение мощности, которую можно рассеивать при наибольшем приложенном напряжении. В данном случае это 400 В. В случае применения APL502J с температурами корпуса и перехода, 75 °C и 125 °C соответственно, при напряжении 400 В максимальный ток равен 0,2 А, а рассеиваемая мощность 80 Вт. Минимальное число силовых транзисторов, которое необходимо для управления всей нагрузкой мощностью 400 Вт, составляет 400 Вт/80 Вт = 5 шт. Таким образом, все поставленные требования выполняются при параллельном включении минимум 5 силовых транзисторов APL502J.

Может возникнуть мысль о параллельном включении силовых транзисторов с добавлением к затвору каждого транзистора отдельного резистора (для предотвращения генерации) и контролем тока в одной точке. Но, к сожалению, реализация такой идеи, несомненно, привела бы к выходу из строя силовых транзисторов.

Наконец, нам осталось решить последнюю проблему при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Она связана с разбросом пороговых напряжений у однотипных силовых транзисторов. В линейном режиме силовые транзисторы нельзя напрямую соединять параллельно; каждый силовой транзистор должен пропускать через себя отведенную ему долю общего тока. Добиться этого можно с помощью различных способов.

При условии, что это позволяет требование по максимальному падению напряжения в открытом состоянии, последовательно с каждым МОП-транзистором может быть включено достаточно большое сопротивление, на которое будет возложена существенная часть тепловой нагрузки (резисторы будут нагреваться). С помощью резисторов можно также добиться уравновешивания токов через МОП-транзисторы. Для этого между истоком каждого МОП-транзистора и возвратной линией цепи управления затвором должен быть предусмотрен отдельный резистор. Такое включение создает отрицательную обратную связь возле каждого затвора. Добиться идеального уравновешивания токов невозможно. Сортировка транзисторов по пороговому напряжению также не даст результата, так как даже незначительное различие МОП-транзисторов по пороговому напряжению приведет к существенному разбросу тока.

Поскольку рассматриваемая схема должна обладать малым падением напряжения в открытом состоянии, то эффективным в стоимостном плане может оказаться решение с раздельной стабилизацией тока у каждого МОП-транзистора с помощью усилительной схемы (управляет напряжением затвор-исток) и датчика тока. Данную идею иллюстрирует упрощенная схема на трех параллельно работающих МОП-транзисторах (рис. 7). Чтобы выполнить требование по малому общему падению напряжения, в схеме нужно использовать низкоомные резисторы или датчики Холла.

Рис. 7. Осуществление линейного режима при параллельном включении транзисторов

Для упрощения сборки и минимизации размеров и стоимости готового решения компания Microsemi выпустила серию приборов, предназначенных главным образом для линейного режима, но они способны работать и в качестве коммутаторов. Данные приборы содержат в компактном корпусе SP1 силовой транзистор (линейный МОП- или Filed Stop IGBT-транзистор), токоизмерительный резистор (обладающий малой индуктивностью) и датчик температуры.

Рис. 8. Транзистор, токоизмерительный
резистор и датчик температуры
в одном корпусе SP1

Встроенный токоизмерительный резистор установлен на том же керамическом изоляторе, что и силовой транзистор. Тем самым транзистор минимизирует индуктивность и достигает охлаждения резистора, который при максимальной нагрузке рассеивает мощность всего лишь несколько ватт. Такое решение упрощает одновременный контроль напряжения сток-исток, тока стока и температуры корпуса. В результате обработки данной информации в численном виде могут быть получены такие кривые ОБР-П, которые позволят более полно использовать возможности прибора и максимально снизить стоимость системы.

Что такое транзисторы и как они работают

Рубрика: Статьи про радиодетали Опубликовано 09.06.2020   ·   Комментарии: 0   ·   На чтение: 7 мин   ·   Просмотры:

Post Views: 389

Транзисторы – это основа всей цифровой электроники 21 века. Они выполняют самые разнообразные функции. Это правопреемники и наследники радиоламп, так называемых вакуумных триодов. В этой статье мы на простом примере рассмотрим концепцию, принцип работы и применение транзисторов в электронике.

Концепция транзисторов

Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля – это четыре колеса, руль, корпус, двигатель и коробка передач. Концепция одна, а выпускаются автомобили с разной конструкцией, устройством и предназначением.

У транзисторов, как и у вакуумных триодов, очень простая концепция и принцип работы.

Триод – это та деталь, у которой три контакта.

Давайте представим бак с водой, в центре которого установлена задвижка.

Что мы можем сделать с потоком воды? Мы можем управлять им за счет задвижки.

Например, если в баке течет вода, и задвижки нет в нем, то вода проходит без препятствия.

В тоже время, если мы полностью перекроем путь задвижкой, то и вода не будет поступать во вторую условную часть бака и поток прекратится.

А еще мы можем полностью управлять потоком воды при помощи регулировки задвижки.

Получается, что при помощи небольшой задвижки можно контролировать огромный поток воды.
Небольшие колебания (перемещения) задвижки позволяют с такой же частотой пропускать большой поток воды.

И именно в этом суть транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять электрическим током больших значений применяя небольшие усилия.

Но в тоже время транзисторы могут быть по разному устроены.

Полевые транзисторы

Описанный выше пример – это полевой транзистор. У самого простого полевого транзистора есть сток, исток и затвор.

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому, у них есть второе название — полупроводниковые триоды.

При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.

Любой транзистор состоит из p-n переходов, которые пропускают электрический ток в одном направлении. И этот переход позволят управлять электрическим током как задвижкой.

Полевые транзисторы управляются при помощи напряжения, которое подается на затвор.

Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.

А вот так с n – типом.

Канал транзистора – это область между истоком и стоком.

Почему транзисторы бывают разными по проводимости? Транзистор с n типом управляется при помощи положительного потенциала, а с p типом наоборот, отрицательным потенциалом. Это позволяет усиливать сигналы с разными потенциалами.

Затворов у полевых транзисторов на самом деле два, но их выводы объединены в один, так как функция у них одинакова. Зачем нужно два затвора? Так транзистором проще управлять.

Подавая напряжение на затвор, мы можем регулировать электрический ток проходящий от истока к стоку.

А самое главное не это. Самое главное, что мы можем таким образом не просто включить или выключить электрический ток по цепи, но и управлять его движением.

Например, можно подать на затвор полевого транзистора переменный сигнал 5 мкВ. И он будет модулировать электрический ток, который проходит через исток и сток транзистора. Так можно получить усиленный сигнал.

Также полевые транзисторы имеют разные схемы включения, которые позволяют согласовывать сопротивления и регулировать усилительные функции.

Обозначение (УГО) полевого транзистора с каналом n типа на принципиальных схемах:

Биполярные транзисторы

Это другой тип транзисторов. Такие транзисторы управляются при помощи электрического тока. И они состоят из чередующихся p-n переходов.

Как и у полевого транзистора, у биполярного тоже три контакта. Это эмиттер, база и коллектор. База всегда по типу противоположна эмиттеру и коллектору.

А также размеры базы транзистора намного меньше, чем у коллектора или эмиттера. База только открывает транзистор. И так как через нее протекает ток, она не должна быть большой, чтобы на нее не тратилось много энергии.

Эмиттер — это большой источник основных носителей заряда. А коллектор — это самый большой контакт из этой троицы. С коллектора снимается усиленный сигнал в классической схеме, чтобы получить максимальную мощность. В транзисторах большой мощности коллектор припаян напрямую к корпусу, чтобы рассеивать тепло.

Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.

и p-n-p типа.

Обозначение (УГО) биполярного n-p-n транзистора на принципиальных схемах:

Отличие биполярных транзисторов от полевых

Полевые транзисторы управляются при помощи электрического поля и благодаря этому они очень энергоэффективны. Именно по этой причине они используются при производстве процессоров.

С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это их тонкий p-n переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если вы их вытащили из устройства во время работы.

Схемы защиты от статического электричества не успевают сработать, и статика разрушает полевые транзисторы.

А вот биполярные транзисторы наоборот, лучше переносят статику. Но в тоже время, они потребляют больше мощности, так как для их открытия нужен электрический ток.

Схемы включения

Так как у транзисторов три контакта, то можно чередовать вход и выход. Что это даст? У каждого контакта свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора, а снимать итоговый сигнал будем с эмиттера и коллектора, то такая схема будет называются с общим эмиттером.

Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.

Прочитать подробнее про работу схемы с общим эмиттером можно в этой статье.

Аналогичным образом можно подключить схему с общим коллектором и с общей базой. По сути, общий контакт — это такой контакт, который работает и на входе и на выходе одновременно с разными контактами.

Все тоже самое справедливо и для полевых транзисторов. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.

Другие типы транзисторов

А еще бывают однопереходные, комплементарные и КМОП, МДП (MOSFET) и множество других транзисторов. Они разные по своим характеристикам, выполняют разные задачи и предназначены для конкретных целей. Но в целом, принцип работы у всех одинаков. Это управление электрическим током.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент усиления по напряжению;
  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент обратной связи;
  • Коэффициент передачи по току;
  • Входное сопротивление;
  • Выходное сопротивление;
  • Время включения;
  • Максимально допустимый ток и др.

У биполярных:

  • Обратный ток коллектор-эмиттер;
  • Частота коэффициента передачи тока базы;
  • Обратный ток коллектора;
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

  • Номинальный режим;
  • Инверсный;
  • Насыщения;
  • Отсечка;
  • Барьерный.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

  1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
  2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
  3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
  4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

  • Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
  • Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Post Views: 389

Что такое транзистор? — Определение с сайта WhatIs.com

К

Транзистор — это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может пропускать ток.

Транзистор был изобретен тремя учеными из Bell Laboratories в 1947 году, и он быстро заменил вакуумную лампу в качестве электронного регулятора сигнала. Транзистор регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов.Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток. Полупроводник — это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полуэнтузиазмом». Это что-то среднее между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (например, пластиком, обернутым вокруг проводов).

Особые свойства полупроводниковому материалу придает химический процесс, называемый легирование . Легирование приводит к получению материала, который либо добавляет дополнительные электроны к материалу (который затем называется N-типа для дополнительных отрицательных носителей заряда), либо создает «дыры» в кристаллической структуре материала (которая затем называется P-типа. , потому что это приводит к большему количеству носителей положительного заряда).Трехслойная структура транзистора содержит полупроводниковый слой N-типа, зажатый между слоями P-типа (конфигурация PNP) или слой P-типа между слоями N-типа (конфигурация NPN).

Небольшое изменение тока или напряжения на внутреннем полупроводниковом слое (который действует как управляющий электрод) вызывает большое и быстрое изменение тока, проходящего через весь компонент. Таким образом, компонент может действовать как переключатель, открывая и закрывая электронные ворота много раз в секунду.В современных компьютерах используются схемы, изготовленные с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS). CMOS использует два дополнительных транзистора на затвор (один из материала N-типа, другой из материала P-типа). Когда один транзистор поддерживает логическое состояние, он почти не требует энергии.

Транзисторы — это базовые элементы в интегральных схемах (ИС), которые состоят из очень большого количества транзисторов, связанных между собой схемами и запеченных в единую кремниевую микросхему.

Последнее обновление: октябрь 2015 г.

Продолжить чтение о транзисторе Транзистор

— обзор | Темы ScienceDirect

1.2.4 Сильная инверсия

Сильная инверсия емкости МОП происходит, когда В G превышает В TH . В этой ситуации и φ s , и W dep не изменяются значительно из режима обеднения, поскольку любое небольшое изменение приводит к большой плотности электронов (или дырок). Это означает, что уравнение V G изменяется следующим образом:

(1,7) VG = Vfb + 2ϕB − QdepCox − QinvCox = Vfb + 2ϕB + qNa2ɛs2ϕBCox − QinvCox

Сводка всех режимов работы (как описано на рис.1.4), включая сильную инверсию, проиллюстрирована на рис. 1.5.

Рис. 1.5. На рисунке показан обзор различных режимов работы MOS.

В транзисторе не происходит транспортировка носителей между выводами истока и стока ( I D = 0), когда напряжение на затворе не приложено. Например, в МОП-транзисторе, если вывод затвора установлен на положительное напряжение и В GS > В TH , то в области канала формируется градиентное напряжение, приводящее к проводимости канала, который становится достаточно большим, чтобы обеспечить перенос электронов в канале.Здесь важно отметить, что условие V DS < V GS — V TH должно выполняться во избежание защемления транзистора. В ситуации, когда В GS управляет проводимостью канала, а канал работает как переменный резистор, проводимость между истоком и стоком ( г DS ) записывается как

(1,8) gDS = 1rDS = knVGS − VTH − 12VDS

, где r DS — сопротивление между стоком и истоком.В результате индуцированный заряд ( Q ) в области канала может быть выражен как

(1,9) Q = −CoxVGS − VTH − ϕs

Канальный ток также может быть получен с помощью подвижности носителей ( μ ). e ), сформированное электрическое поле ( ɛ y ) вдоль направления канала ( y ), длина канала ( Вт, ) и заряд ( Q ) в канале, согласно

(1.10) ID = WμeQɛywhereɛy = −dψ / dy

Следовательно, I D можно переписать следующим образом:

(1.11) IDdy = WμnCoxVGS − VTH − ψdψ⇒ID = μnCoxWLVGS − VTHVDS − 12VDS2)

или

(1,12) ID = μnɛ0ɛoxWtocLVGS − VTHVDS − 12VDS2

,

в режиме насыщения и I в режиме насыщения. (1.13) IDsat = μnCoxW2LVGS − VTh3

Ур. (1.12) показывает, что I D является квадратичной функцией V DS с максимальной точкой при V TH . Это уравнение используется для определения характеристик транзистора, когда подвижность канала может быть получена из электрических измерений.

nMOS-транзистор имеет три рабочих режима со следующими условиями, как показано на рис. 1.6:

рис. 1.6. I — В кривые n-канального MOSFET в различных режимах работы [4].

1.

Отсечка: возникает, когда В GS < В TH и ток канала I D = 0 A

Это состояние, когда транзистор находится в режиме выключения.Более подробное исследование с использованием распределения Ферми-Дирака показывает, что некоторые электроны с тепловой энергией в источнике могут перемещаться внутри области канала и течь в сток. Это вызывает подпороговый ток, который действует как экспоненциальная функция от В SG . Допороговый ток рассматривается как ток утечки, поскольку I D должен быстро приближаться к нулю, когда транзистор выключен [5,6]:

(1.14) ID≅ID0eVGS − VTHnVT

, где I D0 ток, а коэффициент наклона n записывается как:

(1.15) n = 1 + CDCox

, где C D и C OX — емкости обедненного слоя и оксидного слоя соответственно. Поскольку подпороговое напряжение I, — В, экспоненциально зависит от порогового напряжения, оно делает его уязвимым для любых изменений в структуре транзистора, таких как толщина оксида затвора, легирование корпуса транзистора и глубина перехода.

2.

Триодный или линейный режим возникает, когда условие 0 < В DS < В GS — В TH , а также большая проводимость и установлена ​​транспортировка носителя по каналу транзистора с током I D .

3.

Режим насыщения: возникает, когда В GS > В TH и В DS ≥ В GS — В TH . Это также источник тока, управляемый напряжением, и I D можно переписать как I D = (1/2) k n ( V GS — V TH ) 2 .

Здесь стоит упомянуть, что все приведенные выше уравнения для токов и напряжений для nMOS-транзистора могут быть записаны с обратным знаком для pMOS. Это означает, что V TH , V SG , V DS и V OV становятся отрицательными и, например, условия для режима насыщения становятся: V GS < В TH и В DS < В GS — В TH .

что такое транзисторы? зачем это нужно в электротехнических конструкциях.

Что такое транзисторы?

Транзистор — это электронный компонент, который используется для переключения и для усиления электрических сигналов. Транзисторы коренным образом изменили мир до того, как стали использоваться транзисторные электронные лампы. Эти лампы были не только громоздкими, но и потребляли много энергии, что приводило к снижению эффективности всей системы.

С другой стороны, транзисторы на компактные по размеру, и потребляют на меньше энергии, чем на , чем электронная лампа.Современные транзисторы имеют размер в нанометрах, а на сигнальном чипе их миллиарды. Транзисторы могут действовать как переключатель без движущихся частей; также они могут усиливать слабый сигнал. Давайте теперь обсудим основы транзисторов.

Легирование транзисторов

Современные транзисторы состоят из полупроводников, таких как кремний. В случае кремния каждый из атомов связан с четырьмя соседними атомами кремния. Во внешней оболочке для проводимости электричества нет свободных атомов.Таким образом, атом фосфора вводится между этими атомами кремния, что создает свободный электрон в системе, и этот процесс известен как N-тип легирование . Другой тип легирования — это легирование P-типа , в котором создается / вводится свободная дырка для движения электронов. Легирование увеличивает проводимость полупроводника.

Есть три вывода транзистора.

  • База: База транзистора расположена в середине транзистора.База очень тонкая и всегда слегка легированная . Он образует две диодные цепи с эмиттером и коллектором. Контролируя величину тока в базе-эмиттере, вы можете управлять током на конце коллектора. Это основной принцип использования транзисторов в качестве переключателя.
  • Эмиттер: Эмиттер действует как отрицательный конец транзистора. Это высоколегированная секция с средней шириной . Этот раздел всегда настроен как прямое смещение.
  • Коллектор: Коллектор служит положительным концом транзистора. Эта секция умеренно легирована и имеет наибольшей ширины среди всех трех секций. Большая длина этой секции позволяет собирать большую часть носителя заряда, который подается эмиттером транзистора.

Типы транзисторов

В принципе, существует два типа транзисторов

  • Биполярный транзистор (BJT)
  • Полевой транзистор (FET)

Оба из них имеют свои собственные функции с определенными плюсами и минусами.В BJT небольшая величина base current отвечает за управление большим током на конце коллектора. В полевых транзисторах также есть три терминала: затвор, исток и сток. Для этих типов транзисторов напряжение затвора управляет протеканием тока через исток и сток.

Теперь давайте подробно обсудим работу обоих этих транзисторов.

  • Биполярный переходный транзистор: Биполярные транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов и присутствуют почти в каждом электронном устройстве.Он состоит из трех легированных областей , названных базой, эмиттером и коллектором. Эти транзисторы далее делятся на две части
  • Транзисторы N-P-N
  • Транзисторы P-N-P

В транзисторе N-P-N легированный полупроводник P-типа помещается между двумя легированными полупроводниками N-типа и наоборот. В транзисторах N-P-N электрона составляют большинство носителей заряда , а в остальных транзисторах P-N-P дырки составляют большинство носителей заряда .В транзисторах PNP направление тока от эмиттера к коллектору и противоположно для транзистора NPN. BJT — это транзисторы управления током, с низким входным сопротивлением , , что позволяет протекать через транзистор массивным током. Эти транзисторы работают в трех режимах / областях.

  • Область отсечки
  • Активная область
  • Область насыщения

Для области отсечки транзистор остается в состоянии «ВЫКЛ».Для использования транзистора в качестве усилителя , мы задействуем его в активной области. А в области насыщения транзистор работает как переключатель .

На рисунке выше представлены транзисторы NPN и PNP. Стрелка показывает направление обычного тока через транзистор.

Смещение в BJT

Одним из наиболее распространенных применений BJT является его использование в качестве усилителя. Если вы применяете изменяющийся во времени сигнал в качестве входа, то он производит усиленный сигнал на выходе.Это усиление осуществляется за счет энергии, поступающей от источника постоянного тока. Этот процесс применения источника напряжения постоянного тока , , который помогает транзистору функционировать, известен как смещение .

Это обычно используемые методы смещения в BJT

  • Смещение базового резистора или смещение тока
  • Смещение обратной связи
  • Смещение делителя напряжения
  • Двойное смещение базы

Полевой транзистор

Также полевые транзисторы имеют три основных терминала, названные как вентиль , , сток , и исток , .В отличие от биполярных транзисторов, эти транзисторы представляют собой устройства с регулируемым напряжением с очень высоким входным сопротивлением . Полное сопротивление колеблется от нескольких мегаом до гораздо больших значений, что позволяет минимальному количеству тока проходить через них. Эти транзисторы используют электрическое поле для управления потоком тока через исток в сток.

На рисунке выше представлен полевой транзистор N-типа. Если стрелка направлена ​​наружу, она представляет полевой транзистор P-типа.Напряжение , подаваемое на клемму затвора , управляет потоком тока от источника к стоку . Из-за высокого значения импеданса , эти транзисторы потребляют очень небольшую величину тока от схемы, что идеально, поскольку не нарушает мощность схемы. Далее полевые транзисторы делятся на две основные категории, а именно JFET и IG-FET. MOSFET, также известный как Metal Oxide Semiconductor FET, является наиболее распространенным типом IG-FET.

Полевые транзисторы

идеально подходят для таких приложений, как ограничители тока для ограничения чрезмерного тока от достижения нагрузочного устройства. Помимо этого, полевые транзисторы также используются в качестве мультиплексоров , прерывателей, и фаз генераторов сдвига . Для усиления больше подходят целевые биполярные транзисторы, но для малошумящих усилителей более желательны полевые транзисторы . Вдобавок ко всему, полевые транзисторы занимают на меньше места на , чем биполярные транзисторы, поэтому большинство электрических компонентов используют полевые транзисторы в интегральных схемах.Еще одно важное различие между BJT и FET заключается в том, что BJT — это биполярных, и FET — это униполярных устройства, . Это означает, что полевые транзисторы в своей работе полагаются либо на дырки, либо на электроны, в то время как BJT полагаются на оба.

Что такое транзистор

Из всех изобретений ХХ века рождение транзисторов, несомненно, является САМЫМ важным. Создание транзистора привело к миниатюрным полупроводникам, которые привели к современному миру.Такие технологии, как искусственный интеллект (AI), Интернет вещей (IoT), современная медицина, исследования, Интернет и многие другие, были бы невозможны без транзистора. Но почему изобретение транзистора так важно, что такое транзистор и что делают транзисторы, что делает их уникальными? [Подробнее — Что такое диод]

Важность транзисторов — усилители

Вы, наверное, слышали о транзисторах, но что делает транзистор? Важность транзисторов проистекает из их способности усиливать сигнал, при котором крошечный входной сигнал преобразуется в гораздо более сильный сигнал.Это важно, потому что многие компоненты в электронике производят только крошечные слабые сигналы (например, микрофоны), которые нельзя напрямую подключить к динамику. Следовательно, эти сигналы передаются в усилитель, который, в свою очередь, обеспечивает мощность, необходимую для управления динамиком. Но динамики и микрофоны существовали за много десятилетий до транзистора, и в это время вместо них использовался электронный клапан. Клапан — это усилительное устройство, которое выглядит как лампочка, но вместо этого имеет множество входных соединений, которые могут контролировать поток тока.

Хотя клапаны позволяли создавать радиоприемники и телевизоры, их большой размер и потребляемая мощность делали их непрактичными для более совершенных электрических систем. Например, электрические переключающие устройства (такие как клапаны и транзисторы) являются важным компонентом построения компьютера, поскольку они могут обрабатывать сигналы, которые, в свою очередь, могут использоваться для выполнения вычислений. В результате первые крупные компьютеры были построены с использованием клапанной технологии, но они были огромными по размеру, часто ломались и потребляли слишком много энергии.Когда появился транзистор, компьютеры могли внезапно уменьшиться в размерах, что сделало их практичными для повседневного использования.

Что такое транзистор и как работают транзисторы?

Транзистор — это электронный компонент, который может управлять протеканием тока с помощью внешнего электрического сигнала. Все транзисторы управляют потоком тока, но транзисторы могут использовать ток или напряжение для управления этим потоком. Хорошая аналогия транзистора — водопроводный кран; расход воды через кран регулируется поворотом крана.Транзисторы, которые управляют током с помощью входного тока, часто являются биполярными транзисторами (BJT), а транзисторы, которые управляют током с использованием входного напряжения, часто являются полевыми транзисторами (FET). [Подробнее — Что такое индуктор]

Как устроены транзисторы?

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, но их физическая конструкция зависит от типа транзистора. Как указывалось ранее, транзисторы в основном относятся к одной из двух категорий; Биполярные и полевые транзисторы.Существуют и другие типы транзисторов (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором или IGBJT), но они не так распространены, как BJT или полевые транзисторы.

Объяснение биполярных переходных транзисторов (BJT) — Что такое BJT?

Эти транзисторы состоят из трех слоев кремния, и заряд этих слоев зависит от типа транзистора. BJT бывают двух типов: NPN и PNP, которые указывают заряд каждого слоя. Три вывода BJT — это коллектор, база и эмиттер.Коллектор — это входная мощность транзистора, база — входной управляющий ток, а эмиттер — выходная мощность транзистора. Ток течет в коллектор, регулируется током базы и вытекает из эмиттера. [Подробнее — Что такое конденсатор]

Транзисторы

NPN и PNP используются в зависимости от полярности схемы и необходимого действия переключения. Транзисторы NPN очень распространены, поскольку они хорошо работают с большинством схем и могут считаться имеющими положительное действие (чем больше положительный ток на входе, тем больше положительный ток на выходе).Транзисторы PNP не так распространены и обычно встречаются в приложениях, дополняющих транзисторы NPN. Транзисторы PNP имеют отрицательное действие, в результате чего ток, покидающий базу, приводит к увеличению тока, протекающего через транзистор.

Полевые транзисторы — Что такое JFET?

Полевые транзисторы также бывают N и P вариантов, как и BJT, но термин FET фактически относится к семейству транзисторов. Полевые транзисторы с переходным эффектом являются примером полевого транзистора, но они не очень распространены.Вместо этого мы сосредоточимся на полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник или полевых МОП-транзисторах, поскольку на сегодняшний день они являются наиболее широко используемыми транзисторами. MOSFET-транзисторы имеют сложную структуру, которая начинается со слоя полупроводника, который имеет три полупроводниковых слоя (как и BJT, это NPN или PNP). Однако три контакта полевого МОП-транзистора вместо этого называются стоком (вход мощности), затвором (вход управления) и истоком (выходом мощности). Ток через полевой МОП-транзистор контролируется напряжением между затвором и истоком, где полевые МОП-транзисторы N-типа проводят ток, когда это напряжение является положительным, а МОП-транзисторы P-типа проводят ток, когда это напряжение отрицательно.Выше среднего слоя между контактом затвора и средним слоем расположен тонкий слой оксида металла. MOSFET N-типа имеет полупроводник N-типа для истока и стока, в то время как P-тип имеет полупроводник p-типа. [Подробнее — Что сейчас?]

Какой для чего — Какие существуют типы транзисторов?

При выборе транзистора для использования в проекте необходимо определить, с каким типом сигнала вы имеете дело. Оба типа транзисторов, BJT и FET, могут использоваться в любом приложении, но каждый транзистор имеет определенные преимущества, которые делают один предпочтительным по сравнению с другим.

BJT — это текущие устройства ввода, поэтому они не подходят для проектов, в которых есть датчики с очень слабыми выходными токами. Однако полевые транзисторы представляют собой устройства, управляемые напряжением, и поэтому идеально подходят для таких приложений. Однако биполярные транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления (т. Е. Величину усиления) и поэтому часто встречаются в усилителях мощности. С другой стороны, полевые транзисторы не имеют такого большого усиления, и в результате их часто можно найти в коммутационных приложениях, а не в аналоговых усилителях.

Как они выглядят?

Транзисторы бывают разных форм, размеров и форм, поэтому невозможно показать изображение каждого корпуса транзистора. Эта проблема усугубляется, когда многие другие компоненты, такие как линейные регуляторы, используют те же корпуса, что и транзисторы, что затрудняет их идентификацию. Однако, как правило, большинство транзисторов имеют три контакта, но некоторые могут иметь четыре контакта (особенно редко). Транзисторы бывают как в сквозных отверстиях, так и в деталях для поверхностного монтажа и почти всегда черного цвета.[Подробнее — Что такое резистор]

Базовые схемы переключения

Изучение того, как работают транзисторы, — большая тема, требующая немного математики. Например, есть уравнения, которые связывают входной ток с выходным током BJT, а также уравнения, которые связывают входное напряжение затвора с выходным током полевого транзистора. Вместо этого мы рассмотрим некоторые базовые схемы, использующие BJT и FET, которые вы можете использовать в своих собственных проектах без необходимости сложной математики.

Коммутатор

NPN — Что такое NPN?

Схема переключателя NPN используется в качестве электронного переключателя вместо усилителя. Когда на транзистор подается входной ток, мощность проходит через транзистор в реле, таким образом, включая его. Эта схема может быть полезна в приложениях, где небольшой ток (например, от фотодиода) можно использовать для управления более мощным устройством.

Переключатель NMOS

Переключатель NMOS такой же, как переключатель NPN, однако вместо того, чтобы требовать входного тока, схема требует входного напряжения.Эта схема очень полезна в приложениях, где датчик вырабатывает напряжение вместо тока (например, микрофон).

Логические ворота CMOS

Хотя это довольно сложная тема, важно понимать, как работают логические вентили КМОП, в частности вентили НЕ, И-НЕ и ИЛИ-ИЛИ, поскольку это демонстрирует, почему транзисторы так важны. Логические вентили — это вычислительные схемы, которые принимают двоичные данные, обрабатывают эти данные и производят выходные данные.

Примечание. Логическая 1 представляет VDD или, во многих случаях, 5 В.Логическая 1 представляет VSS или 0 В.

I (вход) O (выход)
1 0
0 1


Логический элемент НЕ принимает один бит и переворачивает его на выходе.

V1 В2 ВОУТ
0 0 1
1 0 1
0 1 1
1 1 0

Логический элемент И-НЕ принимает два бита и выдает на выходе только 0, когда оба входа равны 1.

V1 В2 ВОУТ
0 0 1
1 0 0
1 0 0
1 1 0

Логический элемент ИЛИ-НЕ принимает два бита и выдает на выходе только 1, когда оба входа равны 0.

В зависимости от того, как объединены логические элементы, их можно использовать для сложения, вычитания, умножения, деления и сравнения двоичных чисел. Отсюда последовательные схемы могут передавать числа по одному для выполнения нескольких операций. Это основы того, как работают компьютеры, и почему транзисторы так важны. Эти устройства могут быть преобразованы в интегральные схемы, которые могут содержать миллиарды транзисторов, которые, в свою очередь, могут использоваться для питания смартфонов, компьютеров, микроволновых печей, духовок, автомобилей и практически любого электронного устройства, о котором вы только можете подумать.

Заключение

Транзистор — это трехконтактное устройство, которое может управлять током с помощью электричества. Они очень важны в схемах усиления, которые превращают малые сигналы в большие. Транзисторы, когда они используются в качестве переключателей, могут использоваться в логических схемах, которые, в свою очередь, составляют основу всей вычислительной техники. [Подробнее — Что такое напряжение]

Важные параметры транзистора для выбора правильного транзистора для вашего приложения

Транзистор — это трехконтактное полупроводниковое устройство, которое используется в качестве усилителя или переключателя в электронных схемах.Из этих трех выводов входное напряжение или ток подается на одну пару выводов транзистора, а контролируемое выходное напряжение / ток может быть получено через другую пару выводов.

Существуют тысячи различных типов транзисторов, и каждый транзистор имеет разные параметры. Транзисторы сложнее резисторов и конденсаторов, потому что вы можете выбрать резистор или конденсатор в соответствии с требуемым сопротивлением или значением емкости, но при выборе транзистора вы должны искать многие параметры транзистора .Поэтому выбрать подходящий транзистор для вашей схемы — непростая задача.

Ниже приведены некоторые важные параметры, которые следует учитывать при выборе транзистора.

1. Типовой номер

Типовой номер транзистора — это уникальный номер, присвоенный каждому транзистору. Используя номер типа транзистора, мы можем искать его характеристики и особенности. Существует три основных системы нумерации: JIS, Pro Electron и JEDEC .JIS используется японским промышленным стандартом, Pro Electron — европейским стандартом, а JEDEC — американским стандартом. Если вы создаете схему из Интернета, то ее можно выбрать напрямую, используя типовое количество транзисторов, используемых в исходной схеме.

2. Коэффициент усиления по току (β)

В любой схеме коэффициент усиления транзистора по току является важным параметром. Текущее усиление обычно обозначается как β или h fe . Ток — это отношение тока базы к току коллектора и мера усилительной способности транзистора.Если вы хотите использовать транзистор в качестве усилителя, выберите транзистор с более высоким коэффициентом усиления по току.

3. Напряжение коллектор-эмиттер (В CEO )

В CEO — это максимальное напряжение, с которым может работать переход коллектор-эмиттер транзистора. Для большинства транзисторов напряжение V CEO обычно составляет 30 В или более и измеряется при разомкнутой цепи базы. Подача напряжения выше V CEO может повредить транзистор.Поэтому перед использованием транзистора проверьте максимальное напряжение V CEO по даташиту.

4. Напряжение эмиттер-база (В EBO )

В EBO — максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу эмиттер-база. Напряжение выше, чем у V EBO , может повредить или разрушить ваш транзистор. V EBO относительно меньше, чем V CEO . Максимальное напряжение V EBO обычно составляет 6 В или более для большинства транзисторов и измеряется при разомкнутой цепи коллектора.

5. Напряжение коллектор-база (В CBO )

В CBO — максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу коллектор-база, и оно измеряется при разомкнутой цепи эмиттера. V CBO обычно составляет 50 В и более. V CBO относительно выше, чем V CEO , потому что напряжение между коллектором и базой часто выше, чем напряжение между коллектором и эмиттером.

6.Ток коллектора (I C )

Коллекторный ток — это максимальный ток, который может протекать через коллектор. Обычно он измеряется в миллиамперах, но для мощных транзисторов он определяется в амперах. Ток коллектора не должен превышать максимальное значение, иначе можно повредить транзистор. Вы можете использовать резистор для ограничения тока коллектора.

7. Полная рассеиваемая мощность (Ptot)

Это полная мощность, рассеиваемая транзистором.Рассеиваемая мощность меняется от транзистора к транзистору. Для небольших транзисторов номинальная мощность составляет порядка нескольких сотен милливатт, но для мощных транзисторов она определяется в ваттах. Рассеивание мощности на устройстве можно рассчитать, умножив ток коллектора на напряжение на самом устройстве.

Итак, вот некоторые основные параметры для выбора подходящего транзистора для вашего приложения. Если вы используете печатную плату, вам также следует проверить тип корпуса транзистора.

Использование транзисторов — принцип, применение, примеры и ответы на часто задаваемые вопросы

Введение

Если мы читаем историю электронных устройств, одним из наиболее важных компонентов этих устройств была электронная лампа. Эта трубка использовалась для контроля электрического тока. Эти трубки были больше, требовалось более высокое рабочее напряжение, высокое энергопотребление означало большое тепловыделение, что, в свою очередь, сказывалось на сроке службы трубки из-за ее низкой эффективности.

На этой странице мы узнаем о следующем:

Чтобы решить эту проблему, три американских физика Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели компактное и эффективное полупроводниковое устройство, названное точечным транзистором в Bell Labs. в декабре 1947 г.

Что такое транзистор?

  • Транзисторы являются мощными устройствами из-за их способности управлять током, протекающим через цепь (устройство управления током), который генерируется потоком электронов и дырок. Есть два типа: NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) и PNP (положительный-отрицательный-положительный).

  • Наиболее широко используемые транзисторы — это NPN-транзисторы, поскольку большинство носителей заряда — это электроны, которые представляют собой более подвижные частицы заряда с меньшей массой, благодаря которым они могут легко ускоряться.

  • Это полупроводниковое устройство, которое действует как переключатель и усилитель.

  • Эти устройства могут как проводить, так и индуктировать.

  • Эти устройства имеют небольшие размеры, поэтому одна ИС может вместить в себя миллионы этих устройств.

  • Транзисторы могут работать от низковольтного источника питания для большей безопасности, что означает более высокую эффективность и очень долгий срок службы.

  • В транзисторах вместо нагревательных электродов используются полупроводниковые переходы, но они выполняют ту же функцию, что и вакуумный триод.

  • Транзисторы могут управлять потоком тока через один канал, изменяя интенсивность небольшого количества тока, протекающего через второй канал. Поэтому их называют текущим управляющим устройством.

Основы биполярных транзисторов

Так как контролируемый ток должен проходить через два типа полупроводниковых материалов, которые являются P и N. Ток состоит из потока электронов и дырок в разных частях транзистора, а именно: бывают двух типов:

  • npn-транзистор:

  • pnp-транзистор

  • База отвечает за активацию транзистора

  • Эмиттер является отрицательным проводом, а коллектор — положительным.

Использование транзистора

Схема усилителя

Для усиления тока можно использовать транзистор.

Vbe напряжение смещения, создаваемое в переходе база-эмиттер Из-за прямого смещения перехода база-эмиттер электроны начинают течь от эмиттера, чтобы рекомбинировать с дырками в базе, база становится отрицательно заряженной. Если базовый ток Ib увеличивается на небольшую величину, рекомбинация дырочных электронов нейтрализуется, ток коллектора Ic увеличивается.Следовательно, небольшое изменение тока Ib в базовой цепи будет контролировать большую величину тока Ic.

Пример микрофона

  • Микрофон — это преобразователь, который преобразует наш голос или звуковую волну в электронный сигнал. Поскольку звуковая волна не имеет постоянного значения, величина звуковой волны меняется со временем в зависимости от нашего голоса.

  • Электрический выход микрофона изменяется в зависимости от звуковых волн, так как базовый ток Ib изменяется из-за небольшого переменного напряжения, создаваемого микрофоном, что означает, что небольшое изменение Ib может вызвать большое изменение Ic.

  • Когда этот выход микрофона подается на транзистор в качестве входа. Изменяющийся ток коллектора Ic течет в громкоговоритель, и мы знаем, что если есть изменения на входе транзистора, то будет большое изменение на выходе транзистора. Таким образом, транзистор усиливает электронный сигнал микрофона.

  • Частота остается постоянной, но амплитуда звуковой волны из громкоговорителя выше, чем звуковые волны, подаваемые в микрофон.

Схема осциллятора

На рисунке 2 схематично показан колебательный контур.

Электронный генератор — это устройство, которое генерирует непрерывные электрические колебания. В простом контуре генератора параллельный LC-контур используется в качестве резонансного контура, а усилитель используется для подачи энергии в резонансный контур.

Частота резонансно усиливается, и выходной сигнал действует как источник переменного напряжения этой частоты.Частоту можно изменять, изменяя L или C.

Транзистор, используемый в качестве переключателя

BJT Транзисторы могут использоваться в качестве переключающего устройства для управления мощностью постоянного тока, подаваемой на нагрузку. Коммутируемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором, а управляющий ток проходит между эмиттером и базой.

Транзистор в качестве переключателя, используемый при изготовлении:

  • Карты памяти в мобильных телефонах.

  • Большинство частей современных электронных устройств, таких как смартфоны, умные часы и т. Д., Состоят из транзисторов, где они действуют как переключатели.

  • Логические вентили, схема триггеров.

  • Микропроцессоры и микроконтроллеры.

  • Регистровые цепи.

  • Радио, медицинские инструменты, системы управления, камеры, автомобили, самолеты, радары и т. Д.

Применение транзисторов

Фототранзисторы: это тип транзистора, который работает в зависимости от интенсивности входящий свет, т.е. они светочувствительны.Этот транзистор чаще всего используется в оптоизоляторах и светозависимых устройствах управления.

Биполярные транзисторы с гетеропереходом (HBT): в основном используются для микроволновой связи, поскольку они могут обеспечить гораздо более высокую скорость переключения и могут обрабатывать сигналы различных частот до нескольких сотен ГГц.

Транзисторы Дарлингтона: Эти транзисторы образованы путем соединения двух BJT, соединенных таким образом, что ток, усиленный первым, повторно усиливается вторым.Они в основном используются в схемах усиления тока на выходе микроконтроллеров и системах на основе ПЛК, которые должны потреблять большой ток.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT): IGBT — это силовое полупроводниковое устройство, используемое в качестве электронного переключателя в очень мощных и современных приборах, таких как электромобили, поезда, холодильники с регулируемой скоростью, системы кондиционирования воздуха.

Сводка

  • При нормальной работе транзистора переход эмиттер-база всегда смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении.

  • В транзисторах с n-p-n переходом имеется большое количество электронов в эмиттере и большое количество дырок в базе.

  • В реальной конструкции транзисторов n-p-n средний слой очень тонкий (1 мкм) по сравнению с шириной двух слоев по бокам.

Что такое транзисторы?

МОП-транзисторы, транзисторы Дарлингтона и биполярные транзисторы

Транзистор используется для усиления и переключения электронных сигналов и электроэнергии.Они используются в различных схемах и бывают разных форм. Вы можете использовать транзистор в качестве переключателя или транзистор в качестве усилителя.

МОП-транзисторы

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник — это тип транзистора, который обычно используется в цифровых и аналоговых схемах для усиления или переключения электронных сигналов. Трехконтактное устройство имеет исток (S), затвор (G) и сток (D) и доступно как в P-канале (PMOS), так и в N-канале (NMOS). МОП-транзисторы могут также называться полевыми транзисторами с изолированным затвором (IGFET) или полевыми транзисторами металл-диэлектрик-полупроводник (MISFET).Хотя на полевом МОП-транзисторе он похож на соединительный полевой транзистор (JFET), вход затвора электрически изолирован от основного канала, несущего схему.

MOSFET доступен в двух основных формах: с истощением и с расширением. Тип истощения подобен переключателю «Нормально замкнутый» и требует напряжения затвор-исток для выключения устройства. Тип расширения похож на «нормально открытый» переключатель и требует напряжения затвор-исток для включения устройства. Типичными типами упаковки являются ТО-252, ТО-251, ТО-247, ТО-220, ТО-92, СО-8, СПТ-23 и СОТ-223.

Конструкция и тип полевого МОП-транзистора

Серия BU: приложения усилителя (включая серию BUZ — BUZ77 и BUZ78)
Серия IRF: приложения усилителя (включая серии IRFP и IRFZ — IRF540 и IRFP350)


Щелкните здесь, чтобы увидеть полный список МОП-транзисторов.
Щелкните здесь, чтобы увидеть полный выбор SMD MOSFET-транзисторов.

Транзисторы Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона — это два стандартных биполярных транзистора NPN или PNP, соединенных вместе.Эмиттер одного транзистора соединен с базой другого, чтобы получить более чувствительный транзистор с гораздо большим коэффициентом усиления по току. Пары транзисторов Дарлингтона

могут состоять из двух индивидуально соединенных биполярных транзисторов или одного устройства, выпускаемого на рынке в едином корпусе со стандартными соединительными выводами базы, эмиттера и коллектора, и доступны в широком диапазоне стилей корпуса и напряжения (и тока). ) рейтинги в версиях NPN и PNP.

Также известные как «пара Дарлингтона» или «супер-альфа-схема», транзисторы соединены вместе, так что ток эмиттера первого транзистора TR1 становится базовым током второго транзистора TR2.


Basic Darlington Connection
Щелкните здесь, чтобы увидеть полный список транзисторов Дарлингтона

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор, более известный как транзистор с биполярным переходом (BJT), представляет собой тип транзистора, работа которого основана на контакте двух типов полупроводников. Они состоят из трех выводов: коллектора, базы и эмиттера, которые могут быть выполнены как усилители или переключатели. В зависимости от полярности они могут быть NPN или PNP.

Биполярные транзисторы работают как регуляторы тока с регулируемым током. Они ограничивают количество проходящего тока в соответствии с меньшим управляющим током. Они называются биполярными, потому что контролируемый ток должен проходить через два типа полупроводникового материала: P и N.

Похожие записи

21.11.2024 0

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

19.11.2024 0

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

19.11.2024 0

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *