Транзистор прямой проводимости: простым языком для чайников, схемы

Виды транзисторов и область их применения. Общие сведения

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим виды транзисторов и область их применения. И так…

Транзистор, это радиоэлектронный компонент из полупроводникового  материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи. Это позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Виды транзисторов

Содержание

   Виды транзисторов

О том что такое транзистор, читайте в статье «Что означает слово транзистор? Назначение и устройство.» Здесь лишь отметим, в большинстве применений транзисторы заменили собой вакуумные лампы, свершилась настоящая кремниевая революция в создании интегральных микросхем. Так, сегодня в аналоговой технике чаще используют биполярные транзисторы, а в цифровой технике — преимущественно полевые.

Устройство и принцип действия полевых и биполярных транзисторов — это так же темы отдельных статей, поэтому останавливаться на данных тонкостях не будем, а рассмотрим предмет с чисто практической точки зрения на конкретных примерах.

Полевые и биполярные транзисторы

По технологии изготовления транзисторы подразделяются на два типа: полевые и биполярные. Биполярные в свою очередь делятся по проводимости на n-p-n – транзисторы обратной проводимости, и p-n-p – транзисторы прямой проводимости. Полевые транзисторы бывают, соответственно, с каналом n-типа и p-типа. Затвор полевого транзистора может быть изолированным (IGBT-транзисторы) или в виде p-n-перехода. IGBT-транзисторы бывают со встроенным каналом или с индуцированным каналом.

Виды транзисторов

   Виды транзисторов, p–n–p и n–p–n проводимость

Области применения транзисторов определяются их характеристиками, а работать транзисторы могут в двух режимах: в ключевом или в усилительном. В первом случае транзистор в процессе работы или полностью открыт или полностью закрыт, что позволяет управлять питанием значительных нагрузок, используя малый ток для управления. А в усилительном, или по-другому — в динамическом режиме, используется свойство транзистора изменять выходной сигнал при малом изменении входного, управляющего сигнала. Далее рассмотрим примеры различных транзисторов.

2N3055 – биполярный n-p-n-транзистор в корпусе ТО-3

Виды транзисторов

Популярен в качестве элемента выходных каскадов высококачественных звуковых усилителей, где он работает в динамическом режиме. Как правило, используется совместно с комплементарным p-n-p собратом MJ2955. Данный транзистор может работать и в ключевом режиме, например в трансформаторных НЧ инверторах 12 на 220 вольт 50 Гц, пара 2n3055 управляет двухтактным преобразователем.

Примечательно, что напряжение коллектор-эмиттер для данного транзистора в процессе работы может достигать 70 вольт, а ток 15 ампер. Корпус ТО-3 позволяет удобно закрепить его на радиатор в случае необходимости. Статический коэффициент передачи тока — от 15 до 70, этого достаточно для эффективного управления даже мощными нагрузками, при том, что база транзистора выдерживает ток до 7 ампер. Данный транзистор может работать на частотах до 3 МГц.

КТ315 — легенда среди отечественных биполярных транзисторов малой мощности

Виды транзисторов

Данный транзистор n-p-n – типа впервые увидел свет 1967 году, и по сей день пользуется популярностью в радиолюбительской среде. Комплементарной парой к нему является КТ361. Идеален для динамических и ключевых режимов в схемах малой мощности.

При максимально допустимом напряжении коллектор-эмиттер 60 вольт, этот высокочастотный транзистор способен пропускать через себя ток до 100 мА, а граничная частота у него не менее 250 МГц. Коэффициент передачи тока достигает 350, при том, что ток базы ограничен 50 мА.

Изначально транзистор выпускался только в пластмассовом корпусе KT-13, 7 мм в ширину и 6 мм высотой, но в последнее время можно его встретить и в корпусе ТО-92.

КП501 — полевой n-канальный транзистор малой мощности с изолированным затвором

Виды транзисторов

Имеет обогащенный n-канал, сопротивление которого составляет от 10 до 15 Ом, в зависимости от модификации (А,Б,В). Предназначен данный транзистор, как его позиционирует производитель, для использования в аппаратуре связи, в телефонных аппаратах и другой радиоэлектронной аппаратуре.

Этот транзистор можно назвать сигнальным. Небольшой корпус ТО-92, максимальное напряжение сток-исток — до 240 вольт, максимальный ток стока — до 180 мА. Емкость затвора менее 100 пф. Особенно примечательно то, что пороговое напряжение затвора составляет от 1 до 3 вольт, что позволяет реализовать управление с очень-очень малыми затратами. Идеален в качестве преобразователя уровней сигналов.

irf3205 – n-канальный полевой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET

Виды транзисторов

Популярен в качестве силового ключа для повышающих высокочастотных инверторов, например автомобильных. Посредством параллельного включения нескольких корпусов представляется возможность построения преобразователей, рассчитанных на значительные токи.

Максимальный ток для одного такого транзистора достигает 75А (ограничение вносит конструкция корпуса ТО-220), а максимальное напряжение сток-исток составляет 55 вольт. Сопротивление канала при этом всего 8 мОм. Емкость затвора в 3250 пф требует применения мощного драйвера для управления на высоких частотах, но сегодня это не является проблемой.

FGA25N120ANTD мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор)

Виды транзисторов

Способен выдержать напряжение сток-исток 1200 вольт, максимальный ток стока составляет 50 ампер. Особенность изготовления современных IGBT-транзисторов такого уровня позволяет отнести их к классу высоковольтных.

Область применения — силовые преобразователи инверторного типа, такие как индукционные нагреватели, сварочные аппараты и другие высокочастотные преобразователи, рассчитанные на питание высоким напряжением. Идеален для мощных мостовых и полумостовых резонансных преобразователей, а также для работы в условиях жесткого переключения, имеется встроенный высокоскоростной диод.

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым. Например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Мы рассмотрели здесь только несколько видов транзисторов, и это лишь мизерная часть из обилия моделей электронных компонентов, представленных на рынке сегодня.

Так или иначе, вы с легкостью сможете подобрать подходящий транзистор для своих целей. Документация на них доступна сегодня в сети в виде даташитов, в которых исчерпывающе представлены все характеристики. Типы корпусов современных транзисторов различны, и для одной и той же модели зачастую доступны как SMD исполнение, так и выводное.

Видео, виды транзисторов

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Транзистор простыми словами, принцип работы и устройство

Транзистор – это прибор, работающий по принципу полупроводника и предназначен для усиления сигнала. Из-за особенностей строения кристаллической решетки и своих полупроводниковых свойств, транзистор увеличивает протекающий через нее ток. Сами же вещества, имеющие такие свойства, препятствуют его протеканию. Самими основными элементами считаются германий (Gr) или кремний (Si). Полупроводники бывают двух видов – электронные и дырочные.

В статье будет приведена подробная информация об устройстве, производстве, сфере применения транзисторов. По этой теме добавлено два интересных видеоролика, а также научно-популярная статья по предмету вопроса.

Различные типы транзисторов.

Различные типы транзисторов.

Типы транзисторов

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

В таблице ниже представлена цветовая маркировка транзисторов:

Как транзисторы маркируют цветом

Цветовая маркировка транзисторов

Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами.

В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Слово “транзистор” составлено из слов TRANSfer и resISTOR – преобразователь сопротивления. Он пришел на смену лампам в начале 1950-х. Это прибор с тремя выводами, используется для усиления и переключения в электронных схемах.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость).

Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Классификация биполярных транзисторов.

Классификация биполярных транзисторов.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Что такое транзистор

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

  • Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
  • Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
  • Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Транзистор.

Транзистор.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

  • со встроенным каналом.
  • с индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

  • Входное сопротивление.
  • Амплитуда напряжения.
  • Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда. 

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

Что такое транзистор

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными.

Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Что такое транзистор

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала. 

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.

Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в заводской упаковке.

Транзисторы в заводской упаковке.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

  • Усилительные схемы.
  • Генераторы сигналов.
  • Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.

Что такое транзистор

На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Эволюция транзистора

Эволюция транзистора

PNP-транзистор

Впервые биполярный транзистор изготовили, вплавляя в кристалл германия (материал n-типа) капли индия. Индий (In) – трехвалентный металл, материал p-типа. Поэтому такой транзистор назвали диффузным (сплавным), имеющим структуру p-n-p (или pnp). Биполярный транзистор на рисунке ниже изготовлен в 1965 году.

Его корпус обрезан для наглядности. Кристалл германия в центре называется базой, а вплавленные в него капли индия – эмиттером и коллектором. Можно рассматривать переходы ЭБ (эмиттерный) и КБ (коллекторный) как обычные диоды, но переход КЭ (коллектор-эмиттерный) имеет особое свойство. Поэтому невозможно изготовить биполярный транзистор из двух отдельных диодов.

Интересно почитать: инструкция как прозвонить транзистор.

Если в транзисторе типа pnp приложить между коллектором (-) и эмиттером (+) напряжение в несколько вольт, в цепи пойдет очень слабый ток, несколько мкА. Если затем приложить небольшое (открывающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) – для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) – то ток некоторой величины потечет из эмиттера в базу.

Что такое транзистор

Но так как база сделана очень тонкой, то она быстро насытится дырками (“растеряет” свой избыток электронов, которые уйдут в эмиттер). Поскольку эмиттер сильно легирован дырочной проводимостью, а в слабо легированной базе рекомбинация электронов немного запаздывает, то существенно большая часть тока пойдет из эмиттера в коллектор.

Коллектор сделан больше эмиттера и слабо легирован, что позволяет иметь на нем большее пробивное напряжение (Uпроб.КЭ > Uпроб.ЭБ). Также, поскольку основная часть дырок рекомбинирует в коллекторе, то он и греется сильнее остальных электродов прибора. Обычно α лежит в пределах 0,85-0,999 и обратно зависит от толщины базы.

Эта величина называется коэффициент передачи тока эмиттера. Это коэффициент передачи тока базы, один из самых важных параметров биполярного транзистора. Он чаще определяет усилительные свойства на практике. Транзистор pnp называют транзистором прямой проводимости. Но бывает и другой тип транзистора, структура которого отлично дополняет pnp в схемотехнике.

Двухполярные транзисторы

Двухполярные транзисторы

NPN-транзистор

Биполярный транзистор может иметь коллектор с эмиттером из материала N-типа. Тогда база делается из материала P-типа. И в этом случае, транзистор npn работает точно, как pnp, за исключением полярности – это транзистор обратной проводимости. Транзисторы на основе кремния подавляют своим числом все остальные типы биполярных транзисторов.

Донорным материалом для коллектора и эмиттера может служить As, имеющий “лишний” электрон. Также изменилась технология изготовления транзисторов. Сейчас они планарные, что дает возможность использовать литографию и делать интегральные схемы. По планарной технологии изготавливаются как pnp, так и npn-транзисторы, в том числе и мощные. Сплавные уже сняты с производства.

Схемы включения транзисторов

Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении – обратная полярность на КЭ переходе ничего интересного не дает. Для прямой схемы подключения есть три схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК), и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.

Они поясняют только сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи установлена. Для открывания кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал ~0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого хватит ~0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Iб, ток коллектора Iк равен базовому току, умноженному на β. При этом напряжение +E должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, следовательно, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертируется). Это используется в цифровой технике как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то при помощи подбора базового тока устанавливают напряжение U2 равным E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса, с низкими искажениям и, как следствие, низким КПД.

Что такое транзистор

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления равен α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерный повторитель. Ток в цепи эмиттера получается в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное и очень высокое входное сопротивление.

Тут самое время вспомнить о том, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Здесь используют его огромное входное сопротивление и низкое выходное, что хорошо для согласования с низкоомным кабелем.

Полезный материал: что такое полупроводниковый диод.

Общая база

Эта схема отличается наиболее низким входным сопротивлением, но усиление по току у нее равно α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Ее особенностью является устранение влияния обратной связи по емкости (эфф. Миллера). Каскады с ОБ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на низких сопротивлениях 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой очень широко используются в технике СВЧ и их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного повторителя очень распространено.

Что такое транзистор

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем", МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о транзисторах можно узнать из статьи Что такое биполярные транзисторы. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки статьи:

www.tokar.guru

www.remosnov.ru

www.electroengineer.ru

www.samelectrik.ru

Предыдущая

ПолупроводникиКак расшифровать цветовую маркировку транзисторов?

Следующая

ПолупроводникиЧто такое биполярный транзистор

ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР

   Транзистор - главный компонент в любой электрической схеме. Эта статья именно о них и написана для начинающих радиолюбителей. Транзистор - своего рода усилительный ключ, принцип работы похож на тиристора. Без транзисторов в электронике никак не обойтись, на них собирают буквально все - простейшие мигалки, транзисторные усилители мощности низкой частоты, радиоприемники и передатчики, телевизионная и видео аппаратура и многие другие устройства. Транзисторами можно увеличить или снизить первоначальное напряжения источника питания, если они используются в схемах преобразователей. 

Транзисторы - основные виды

   Сам транзистор - полупроводниковый прибор, в основном кристалл транзистора делают из кремния или германия. Транзисторы бывают двух видов - однополярные и двухполярные, соответственно полевые и биполярные. По проводимости тоже бывают двух видов - транзисторы прямой проводимости (п - н - п) и транзисторы обратной проводимости (н - п - н). Н -П - от латыни негатив и позитив. На схемах легко можно отличить какой проводимости транзистор использован - если стрелка эмиттера входит в транзистор, значит он прямой проводимости, если же выходит из транзистора, значит транзистор имеет обратную проводимость тока. 

Транзисторы - основные виды, параметры и область применения

   Для работы транзистора на базу подают маленький ток, впоследствии которого транзистор открывается и может пропустить более большой ток через эмиттер - коллектор, то есть подавая сравнительно маленький ток на базу мы можем управлять более большим токам. Иными словами, прилагая лёгкое усилие поворачивая водопроводный кран, мы управляем мощным потоком воды. Транзистор может находится в двух состояниях, он открыт - когда на базу подано напряжение (рабочее состояние транзистора) и закрыт, когда ток не течет на базу (состояние покоя транзистора).

Транзисторы - основные обозначения

   По рабочей частоте часто всего используют низкочастотные и высокочастотные транзисторы. Низкочастотные транзисторы применяют для силовых цепей преобразователей напряжения, усилителей мощности в блоках питания и так далее. Низкочастотные транзисторы как правило бывают большей мощности. Высокочастотные транзисторы работающие на частотах в несколько гигагерц тоже применяются очень часто. В основном они нашли широкое применения в радиоприёмной и передающей аппаратуре, в усилителях высокой частоты и во многих других приборах. Такие транзисторы имеют сравнительно маленькую мощность, они незаменимы в области радиоприема и передачи.

Транзисторы - фото

   Транзисторы бывают самых разных форм и размеров - от невидимого для человеческих глаз чип элементов для поверхностного монтажа, до мегамощных транзисторов размером с дом.

Транзисторы планарные

   Последние могут иметь мощность до сотни мегаватт, их в основном используют в электростанциях и на заводах. Для лучшей проводимости тока по контактам транзистора высокой частоты часто наносят тонкий слой золота или серебра, но в последнее время такие транзисторы встречаются очень редко, в основном такие транзисторы использовались в радиоаппаратуре времен советского союза. Новичкам уверен данный материал помог разобраться что к чему и прояснить вопросы по транзисторам - Артур Касьян (АКА).

   Форум по теории

   Обсудить статью ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР


Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики, схемы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Внешний вид биполярного транзистора и его цоколевка

Внешний вид биполярного транзистора средней мощности и его цоколевка

Содержание статьи

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Биполярный транзистор

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

PNP — транзистор прямой проводимости.

NPN — транзистор обратной проводимости.

Определить структура транзистора и проверить его исправность можно при помощи мультиметра.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

  • Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

  • Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по Схема включения с общей базой

    Схема включения с общей базой

    току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства
  • Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
  • Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
  • Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
  • Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]. Схема включения с общим эмиттером

    Схема включения с общим эмиттером

  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства

Большой коэффициент усиления по току.

  • Большой коэффициент усиления по напряжению.
  • Наибольшее усиление мощности.
  • Можно обойтись одним источником питания.
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1]. Схема включения с общим коллектором

    Схема включения с общим коллектором

  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
  • Большое входное сопротивление.
  • Малое выходное сопротивление.
Недостатки
  • Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

  • Коэффициент передачи по току.
  • Входное сопротивление.
  • Выходная проводимость.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер.
  • Время включения.
  • Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
  • Обратный ток коллектора.
  • Максимально допустимый ток.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

  • коэффициент усиления по току α;
  • сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэrкrб, которые представляют собой:
    • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
    • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
    • rб — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h11Im1 + h12Um2;
Im2 = h21Im1 + h22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = IIm2 = IUm1 = Umб-эUm2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h21э = I/I = β.

Для схемы ОБ: Im1 = IIm2 = IUm1 = Umэ-бUm2 = Umк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

;

;

.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τфВременем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую). По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ.

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Технологии изготовления транзисторов

  • Эпитаксиально-планарная.
  • Диффузионно-сплавная.

Применение транзисторов

  • Усилители, каскады усиления
  • Генератор сигналов
  • Модулятор
  • Демодулятор (детектор)
  • Инвертор (лог. элемент)
  • Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

Какой проводимости транзистор и чем его заменить

Иногда бывает сложно определить какой проводимости транзистор стоит в плате, особенно если нет схемы на аппарат.
Затем встает вопрос — Где у транзистора База, где Коллектор, где Эмиттер?
Расскажу как определяю я, если попадается нечто без схемы.

На картинке кусок схемы автомагнитолы. Вполне реальный случай. Схемы нет, нужно определить одинаковые транзисторы или нет (будем считать что маркировки на них нет)

1. Транзистор N-P-N всегда имеет более положительное напряжение на коллекторе, относительно эмиттера. То есть при измерении напряжения, минусовой щуп прибора подключается к эмиттеру, плюсовой к Коллектору. С прямым транзистором P-N-P всё наоборот, на эмиттере плюс.

Соответственно в данном случае, если у нас на эмиттере обозначение GND, то на эмиттере транзистора минус питания, и транзистор является обратным N-P-N.
Если не на схеме а на реальной плате, то минусовой вывод можно вызвонить омметром относительно корпусных выводов. Они как правило имеют наибольшую площадь. К земле подключены многие теплоотводы и корпуса тюнеров, то есть как правило самые массивные железки звонятся накоротко с минусом питания.

2. Если два транзистора соединены друг с другом одинаковыми выводами, то понятно что они имеют одну полярность. Как в нашем случае на схеме. Не могут два разнополярных транзистора быть соединены Эмиттерами.

3. Базу исправного транзистора можно выяснить прибором, на пределе для проверки диодов. При такой проверке транзистор можно представить как два диода соединенных в Базовой точке.

Если у вас обратный транзистор и стрелочный прибор, то проводить он будет когда на базе минусовой щуп.

При применении цифрового прибора наоборот — проводить будет при плюсовом щупе на базе N-P-N транзистора.

В случае с прямым P-N-P транзистором,  всё наоборот.

4. Если транзистор пробит накоротко, или сгорел до дырки в корпусе — ищите на плате похожий по маркировке, или хотя бы по виду и обмеряйте омметром его.

Кстати, многие путают где у диода катод, а где анод. На схеме, если присмотреться к обозначению диода, можно разглядеть буквы К и А, лежащие на боку. Вот по ним и ориентируйтесь )

Предположим, что проводимость и цоколевку транзистора мы выяснили, теперь неплохо бы знать, чем его заменить. Один из интересующих нас параметров — напряжение Коллектор-Эмиттер. Косвенно можно судить по напряжению находящихся рядом на плате электролитических конденсаторов. Если конденсаторы на 25 вольт, то транзистор больше выдерживать не должен.
Кое что скажет нам о транзисторе его корпус. Чем меньше транзистор, тем как правило на меньший ток он рассчитан. Если у него есть железка в составе корпуса или транзистор довольно габаритный, значит он уже средней мощности, и замену выбирать нужно соответствующую.

Частота определяется примерно по назначению узла в котором стоит транзистор. В развертках телевизоров и в блоках питания стоят транзисторы без особых требований по частоте. Максимальная частота до 100 килогерц. В приемных трактах повыше.

Всегда лучше поставить родной транзистор, или по крайней мере правильную замену, отобранную после изучения двух даташитов. Но не всегда есть схема или даташит. Современная техника делается как правило одноразовая, и производитель не обременяет себя публикацией схем. Часто это делается умышленно. Схемы рассылаются только по сервис центрам, которые в свою очередь хранят их как великую военную тайну. 😉

Если чего не упомянул, или есть вопросы — пишите на Форум: http://vseprosto.net/forum

Что такое прямой конвертер

Что такое прямой конвертер?

Прямой преобразователь - это схема импульсного источника питания, которая передает энергию с первичной обмотки на вторичную, когда переключающий элемент включен, что является противоположностью обратного преобразователя.

Преобразователи прямого и обратного хода - это две широко используемые топологии, используемые для увеличения или уменьшения напряжений постоянного тока или преобразования одного напряжения в несколько выходных напряжений постоянного тока.

Типичный прямой преобразователь состоит из:

  • Трансформатор, который является либо повышающим, либо понижающим с одной или несколькими вторичными обмотками.Используемый тип зависит от доступного входного напряжения и желаемого выходного напряжения. Это также обеспечивает изоляцию нагрузки от входного напряжения.
  • Транзистор, такой как MOSFET, который действует как переключающее устройство
  • Диоды
  • Конденсаторы
  • Индуктор

Энергия передается непосредственно через трансформатор во время фазы проводимости транзистора. Выходное напряжение определяется входным напряжением, коэффициентом оборота трансформатора и рабочим циклом.

Две наиболее часто используемые топологии - это один коммутатор и два коммутатора прямого преобразования.

Операции с одним переключателем прямого преобразования

Когда транзисторный переключатель Q1 включен, ток течет в первичной обмотке и вызывает вторичный ток через DR и выходной фильтр. Это дает выходное напряжение Vo. Когда транзистор выключен, напряжение на трансформаторе будет иметь тенденцию изменять направление действия и увеличивать напряжение на катоде Diode DTR, пока оно не включится.

Forward Converter

Источник изображения

Преимущества одноклавишного преобразователя

  • Простая конструкция и эксплуатация
  • Низкий ток пульсации конденсатора на входе
  • Пониженный ток на вторичных диодах

Недостатки

  • Требуется высокий номинал транзистора (вдвое больше входного напряжения)
  • Требование к активным демпфирующим цепям для сброса сердечника трансформатора
  • выше потери проводимости
  • Большой трансформатор

Операции с двумя переключателями прямого преобразования

Энергия передается с первичной обмотки на вторичную обмотку трансформатора, когда два транзистора включены одновременно.Когда транзисторы отключены, ток намагничивания трансформатора возвращается к источнику через диоды D1 и D2, которые теперь смещены в прямом направлении. Диоды проводят до тех пор, пока вся энергия намагничивания в первичной обмотке вместе с энергией, накопленной в индуктивности рассеяния, не будет возвращена во входной источник.
Forward Converter
Рис. 1a) Стадия передачи мощности Рис. 1b) Поток мощности от выходной крышки к нагрузке - источник изображения

Для обеспечения сброса трансформатора в течение времени выключения, рабочий цикл менее 50% используется для увеличения времени выключения, чем время включения.В этой операции первичная обмотка трансформатора действует как обмотка сброса.

Преимущества двух преобразователей прямого переключения

  • Не требует демпфирующей цепи
  • Меньшее напряжение напряжения для MOSFET (такое же, как входное напряжение)
  • Простая конструкция и работа в широком диапазоне входных и выходных напряжений
  • Возможность обеспечить несколько изолированных выходов
  • Низкие потери мощности и шум системы

Недостатки

  • Ограниченная частота работы
  • Немного дороже, поскольку он использует больше компонентов
  • больших компонентов (трансформатор и индуктор)

Преобразователь с одним переключателем используется для выходной мощности до 100 Вт.Преобразователь с двумя переключателями является предпочтительным для большинства применений из-за его надежности и эффективности и широко используется в блоках питания ATX с выходной мощностью от 150 до 750 Вт.

,
Помощь для двух транзисторного прямого преобразователя
Помощь для двух транзисторного прямого преобразователя

Двухтранзисторный прямой преобразователь

Как пользоваться программой

Ссылка: Формы кривых тока и напряжения рассчитываются по закону Фарадея. Они не представляют собой поэтапное моделирование, как это обычно делают такие программы, как P-Spice.В расчетах прямое напряжение диодов учитывается при В F = 0,7 В, а транзисторы интерпретируются как идеальные переключатели.
  • Значения всех полей ввода могут быть изменены.
  • Если поле ввода оставлено пустым, выбирается значение по умолчанию. Это значение отображается после выхода из поля ввода, о котором идет речь.
  • Импульсный источник питания работает в определенном входном диапазоне, то есть между В in_min и В in_max .
    Примечание:
    • Для европейской сети 230 В +/- 10% и за выпрямителем и сглаживанием (с пульсацией напряжения 10%) диапазон входного напряжения находится между В in_min = 250 В и В in_max = 360V.
    • Для широкополосных импульсных источников питания диапазон входного напряжения сети составляет от 100 В переменного тока -10% (Япония) до 240 В переменного тока + 6% (Великобритания). В этом случае входной диапазон постоянного тока источника питания составляет от В in_min = 110 В до В in_max = 360 В.
    • Для использования регулятора коэффициента мощности диапазон входного напряжения обычно составляет от В in_min = 360 В до В in_max = 400 В.
  • Для программы нужны выходные значения В из и I из .
  • Частота переключения f является рабочей частотой транзистора.
  • Если поле «Предложение» активировано для индуктора L , предлагается значение для L и соответствующая пульсация тока Δ I L .Эти значения расположены таким образом, что Δ I L = 0,4 I из с В in_max в качестве входного напряжения.
  • Если поле «предложение» для поля ввода « N 1 / N 2 » активировано, то соотношение витков N 1 / N 2 предлагается , Это предложение выбрано так, чтобы требуемое выходное напряжение могло быть достигнуто с использованием В in_min в качестве входного напряжения.
  • Если вы не согласны с нашими предложениями, вы можете изменить N 1 / N 2 или L , а также Δ I L . Поле «предложение» автоматически деактивируется.
  • Значение В в - это значение для расчета диаграмм тока и напряжения в правой части дисплея. В в должно находиться между В in_min и В in_max .

Начало страницы

Приложение

Двухтранзисторный прямой преобразователь относится к семейству первичных коммутируемых преобразователей, поскольку между входом и выходом имеется изоляция. Подходит для выходной мощности до нескольких сотен ватт.

Начало страницы

Принципы работы

Иллюстрация 1: Двухтранзисторный прямой преобразователь

Для последующего анализа предполагается, что транзистор упрощен как идеальный переключатель, и диод не имеет прямого падения напряжения.В самой программе диод будет учитывать прямое падение напряжения В F = 0,7 В.

Два транзистора одновременно включаются и выключаются управляющим напряжением с широтно-импульсной модуляцией.
Прямой преобразователь передает энергию во время включения транзистора. В течение этого времени напряжение В 1 равно входному напряжению В в . Обмотка N 2 находится в том же направлении, что и N 1 .Когда транзистор находится под напряжением В 2 при N 2 , задан В 2 = В в · N 1 / N 2 , Напряжение В 2 заряжает выходной конденсатор C через через индуктор L .

Во время простоя транзистора вторичная обмотка N 2 не имеет тока.Индуктор L пропускает свой ток через диод D 3 . Значение напряжения В 3 в это время равно нулю (ровно 0,7 В).

Во время отключения транзистора магнитный поток трансформатора должен уменьшиться до нуля. Сердечник трансформатора размагничивается через N 1 и первичные диоды до входного напряжения В в . Поэтому для размагничивания требуется тот же временной интервал, что и для времени включения транзистора.Для этого минимальное время отключения должно быть равно времени включения. Это означает, что максимальный рабочий цикл t 1 / T для этого преобразователя никогда не может превышать 50%.

Следовательно, напряжение В 3 представляет собой напряжение с широтно-импульсной модуляцией, которое скачкообразно изменяется от 0 до В в · N 2 / N 1 . Фильтр нижних частот, образованный индуктором и выходным конденсатором, выдает среднее значение В 3 .Для непрерывного режима ( I L никогда не становится равным нулю) это приводит к:

В связи с тем, что рабочий цикл т 1 / Т не может превышать 50%, возникает условие для отношения оборотов:

В программе это значение умножается на коэффициент 0,95, так что предлагаемое значение для N 1 / N 2 включает небольшой запас, который гарантирует размагничивание сердечника, когда на входе Напряжение минимально, (помните: при минимальном входном напряжении рабочий цикл достигает своего максимума).

Для расчета индуктора L могут использоваться те же правила, что и для Бак-преобразователя. Также различают прерывистый и непрерывный режим , в зависимости от того, падает или нет ток индуктора до нуля во время отключения транзистора.

Во время непрерывной работы:

Выходное напряжение зависит только от рабочего цикла и входного напряжения, оно не зависит от нагрузки.Ток индуктивности I L имеет треугольную форму и его среднее значение определяется нагрузкой. Изменение тока индуктора Δ I L зависит от L и может быть рассчитано с помощью закона Фарадея.
В непрерывном режиме с В из = В в · ( N 2 / N 1 ) · т 1 / Т и выбранной частотой переключения f можно показать, что:

Изменение тока индуктора не зависит от нагрузки.Выходной ток I из принимается за среднее значение тока индуктора I L .

При низком токе нагрузки, а именно, если I из I L /2, ток индуктора I L падает до нуля во время каждого цикла переключения. Этот режим называется , непрерывный режим (см. Рисунок 2). Для этого режима приведенные выше расчеты являются , а не действительными.

В тот момент, когда ток индуктора становится равным нулю, напряжение В 3 скачет до значения В из .Емкость диодного перехода образует резонансный контур с индуктивностью, который активируется скачком напряжения на диоде D 3 . Напряжение В 3 затем колеблется и исчезает.

Непрерывный режим

Прерывистый режим

Иллюстрация 2: Режимы работы двухтранзисторного прямого преобразователя

Начало страницы

Советы

  • Чем больше выбранное значение индуктора L , тем меньше пульсация тока Δ I L .Однако это приводит к физически большему и более тяжелому индуктору.
  • Чем выше выбранное значение частоты переключения f , тем меньше размер индуктора. Однако потери на переключение транзистора также увеличиваются при увеличении f .
  • Наименьший возможный физический размер для индуктора достигается, когда Δ I L = 2 I из при В in_max . Однако потери переключения на транзисторах в этом состоянии самые высокие.
  • Выберите Δ I L , чтобы он не был слишком большим. Предложенные нами предложения имеют достаточно малую пульсацию тока наряду с физически малым размером индуктора. При большей пульсации тока пульсация напряжения выходного напряжения В из становится явно больше, в то время как физический размер индуктора незначительно уменьшается.
  • Лучше не изменять предложенный нами коэффициент поворотов N 1 / N 2 .

Начало страницы

Математика, используемая в программе

Следующие параметры должны быть введены в поля ввода:

В in_min , В in_max , В из , I из и f

Используя эти параметры, программа создает предложение для N 1 / N 2 и L :

    (коэффициент 0.95 принимается во внимание, чтобы учесть тот факт, что рабочий цикл t (1 / T = 0,5 не может быть достигнут полностью).

      В F = 0,7 (прямое напряжение диода)

      Δ I L = 0,4 I из

Для расчета формы кривой, а также для вычисления "Δ I L для V in_max " необходимо различать два случая, т.е.е. непрерывный режим и прерывистый режим :

Из этого следует, что:

  1. Для Δ I L I из преобразователь находится в непрерывном режиме, и поэтому:

    ,

  2. Для Δ I L > 2 I из преобразователь находится в прерывистом режиме и из этого следует:

    ,

,

Radartutorial

pnp- Транзистор

Коллектор

База

Эмитент

прямое смещение

обратное смещение

Рисунок 1: правильно смещенный pnp-транзистор

Коллектор

База

Эмитент

прямое смещение

обратное смещение

Рисунок 1: правильно смещенный pnp-транзистор

Транзистор pnp работает по существу так же, как транзистор npn.Однако, поскольку эмиттер, база и коллектор в транзисторе pnp выполнены из материалы, которые отличаются от тех, которые используются в NPN транзисторе, различные носители тока протекают в блоке pnp. Большинство носителей тока в транзисторе pnp являются дырками. Это в отличие от Транзистор NPN, где основными носителями тока являются электроны. Чтобы поддержать это другой тип тока (отверстие потока), батареи смещения обращены для транзистора pnp. Типичная установка смещения для транзистора pnp показана на рисунке 1.

Обратите внимание, что процедура, использованная ранее для правильного смещения npn-транзистора, также применяется здесь к транзистору pnp. Первая буква (p) в последовательности pnp указывает на полярность напряжения, необходимого для излучателя ( p с положительным знаком), а вторая буква (n) указывает полярность базового напряжения ( n, ). Поскольку соединение база-коллектор всегда смещено в обратном направлении, затем напряжение противоположной полярности (отрицательное) должен быть использован для коллекционера. Таким образом, база pnp-транзистора должна быть отрицательной по отношению к излучателю, а коллектор должен быть более отрицательным, чем база.Помните, как и в случае с NPN-транзистором, эта разница в напряжении питания необходимо иметь ток (отверстие потока в случае транзистора pnp) от Эмиттер к коллекционеру. Хотя поток дырок является преобладающим типом тока в транзистор pnp, поток дырок происходит только внутри самого транзистора, в то время как электроны текут во внешней цепи. Тем не менее, это внутренний поток отверстия, который приводит чтобы поток электронов во внешних проводах подключался к транзистору.

Коллектор

База

Эмитент

прямое смещение

Рисунок 2. Смещенный в прямом направлении переход в pnp-транзисторе.

Коллектор

База

Эмитент

прямое смещение

Рисунок 2. Смещенный в прямом направлении переход в pnp-транзисторе.

pnp прямолинейное соединение

Теперь давайте рассмотрим, что происходит, когда соединение эмиттер-база смещено вперед. При показанной настройке смещения положительный вывод батареи отталкивает отверстия эмиттера к основанию, в то время как отрицательный вывод направляет базовые электроны к излучателю.Когда дырка эмиттера и базовый электрон встречаются, они объединяются. Для каждого электрона, который объединяет с дыркой другой электрон покидает отрицательный вывод батареи и входит база. В то же время электрон покидает эмиттер, создавая новую дыру, и входит положительный вывод батареи. Это движение электронов в основание и Из эмиттера образуется базовый ток (I B ), и путь, по которому идут эти электроны, называется схемой эмиттер-база.

pnp Обратно-смещенный переход

В обратном смещении (рис. 3) отрицательное напряжение на коллекторе и положительное напряжение на базовом блоке большинства носителей тока от пересечения перекрестка.

Однако это же отрицательное напряжение коллектора действует как прямое смещение для меньшинства текущие отверстия в основании, которые пересекают переход и входят в коллектор. Меньшинство Текущие электроны в коллекторе также чувствуют прямое смещение - положительное основание напряжение - и двигаться в базу.Отверстия в коллекторе заполнены электронами, которые течь от отрицательной клеммы аккумулятора. В то же время электроны покидают отрицательный вывод батареи, другие электроны в основании разрывают свои ковалентные связи и введите положительный вывод батареи. Хотя есть только меньшинство тока поток в обратном смещенном соединении, он все еще очень мал из-за ограниченного числа миноритарных нынешних перевозчиков.

Коллектор

База

Эмитент

обратный
смещения
перехода

Рисунок 3: Обратный контакт в транзисторе pnp.

Коллектор

База

Эмитент

обратный
смещения
перехода

Рисунок 3: Обратный контакт в транзисторе pnp.

pnp Junction Interaction

Коллектор

База

Эмитент

обратный
смещения
перехода

вперед
смещения
перехода

отверстие
поток

поток электронов

I C

I B

Рисунок 4: Работа транзистора pnp.

Коллектор

База

Эмитент

обратный
смещения
перехода

вперед
смещения
перехода

отверстие
поток

поток электронов

I C

I B

Рисунок 4: Работа транзистора pnp.

Взаимодействие между прямое и обратное смещение в Транзистор PNP очень похож на транзистор NPN, за исключением того, что в транзисторе pnp большинство носителей тока являются дырками.В транзисторе pnp, показанном на рисунке 4, положительное напряжение на эмиттере отталкивает отверстия к основанию. однажды в основании отверстия соединяются с базовыми электронами. Но опять же помните, что база область сделана очень тонкой, чтобы предотвратить рекомбинацию дырок с электронами. Следовательно, более 90 процентов отверстий, попадающих в основание, притягиваются к большому отрицательное напряжение коллектора и пройти прямо через базу. Однако для каждого электрона и дырка, которая объединяется в базовой области, другой электрон покидает отрицательный конец базовая батарея (V BB ) и вводится в базу как базовый ток (I B ).На В то же время электрон покидает отрицательный вывод батареи, другой электрон покидает излучатель, как IE (создание новой дыры) и вводит положительный вывод V BB . Между тем, в цепи коллектора, электроны от аккумулятора коллектора (V CC ) введите коллектор как Ic и соедините с лишними отверстиями от основания. Для каждой лунки который нейтрализуется в коллекторе электроном, другой электрон покидает эмиттер и начинает свой путь обратно к положительному выводу V CC .

Рисунок 5: общий ток в транзисторе pnp.

Рисунок 5: общий ток в транзисторе pnp.

Хотя ток во внешней цепи транзистора pnp противоположен Направление к этому npn-транзистору, большинство носителей всегда вытекают из Эмиттер к коллекционеру. Этот поток основных носителей также приводит к образованию две отдельные токовые петли внутри каждого транзистора. Один цикл - это путь базового тока, а другой цикл - токоприемник.Сочетание тока в обоих из этих контуров (I B + I C ) получается суммарный ток транзистора (I E ). Самое важное, что следует помнить о двух разных типах транзисторов, это то, что напряжение на базе эмиттера транзистора pnp оказывает такое же управляющее воздействие на ток коллектора как у транзистора npn. Проще говоря, увеличение Напряжение прямого смещения транзистора уменьшает барьер между эмиттером и базой. это действие позволяет большему количеству носителей достигать коллектора, вызывая увеличение тока от эмиттера к коллектору и через внешнюю цепь.И наоборот, уменьшение при прямом смещении напряжение уменьшает ток коллектора.

,Инструментарий
для отсечки транзисторов, насыщения и активных областей

На рисунке ниже ( i ) показана транзисторная схема CE , в то время как на рисунке ( ii ) показаны выходные характеристики наряду с d.c. линия нагрузки.

( i ) Вырезать выкл. Точка, в которой линия нагрузки пересекает кривую I B = 0, называется , срез с . На данный момент, I B = 0 и только небольшой ток коллектора ( i.е . ток утечки коллектора ( (, генеральный директор )). При отключении соединение база-эмиттер больше не остается смещенным вперед, и нормальное транзисторное действие теряется. Напряжение коллектора-эмиттера почти равно В C C , т. Е. В C E ( срез с ) = В C C C Transistor-cut-off-saturation-active-regions

( ii ) Насыщенность. Точка, где линия нагрузки пересекает кривую I B = I B ( сб ), называется sa turation . В этот момент базовый ток максимален, как и ток коллектора. При насыщении соединение коллектор-база больше не остается смещенным в обратном направлении, и нормальное действие транзистора теряется.

Transistor-saturation-region-formula

Если базовый ток больше, чем I B ( sat ), то ток коллектора не может увеличиться, потому что соединение коллектор-база больше не имеет обратного смещения.

( iii ) Активно r egion. Область между отсечкой и насыщением известна как active r egion . В активной области соединение коллектор-база остается смещенным в обратном направлении, тогда как соединение база-эмиттер остается смещенным вперед. Следовательно, транзистор будет нормально функционировать в этой области.

Примечание. Мы обеспечиваем смещение транзистора, чтобы убедиться, что он работает в активной области.Читатель может найти подробное обсуждение смещения транзистора в следующей главе.

transistor diode symbol

Резюме. Транзистор имеет два pn перехода , т.е. , он похож на два диода. Соединение между базой и эмиттером можно назвать , эмиттер , диод . Соединение между базой и коллектором можно назвать коллектором , диодом и . Мы видели выше, что транзистор может работать в одном из трех состояний: отсечка , , , насыщенный, и , активный, , . Состояние транзистора полностью определяется состояниями эмиттерного и коллекторного диода [см. Выше рис.]. Соотношения между состояниями диода и состояниями транзистора:

CUT-OFF : Диод эмиттера и диод коллектора выключены .

ACTIVE : Диод эмиттера ВКЛ и диод коллектора ВЫКЛ.

насыщен : диод эмиттера и диод коллектора включены .

В активном состоянии ток коллектора [см. Ниже рис. ( i )] в β раз превышает базовый ток (, т.е. I C = I B ). Если транзистор отключен на , то на ток базы отсутствует, поэтому ток коллектора или эмиттера отсутствует. То есть путь эмиттера коллектора открыт [см. Ниже рис.]

( и )]. При насыщении коллектор и эмиттер фактически закорачиваются вместе.То есть транзистор ведет себя так, как если бы между коллектором и эмиттером был замкнут выключатель [см. Ниже рис. ( - )].

Transistor-regions

Примечание. Когда транзистор находится в активном состоянии, I C = I B . Следовательно, транзистор действует как усилитель при работе в активном состоянии. Усиление означает линейное усиление . Фактически, небольшие усилители сигнала являются наиболее распространенными линейными устройствами .

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о