Биполярный транзистор ток коллектора

Работа транзистора

Работа транзистора — устройство и обозначение

Условно биполярный транзистор можно нарисовать в виде пластины полупроводника с меняющимися областями разной проводимости, состоящие из двух p-n переходов. Причем крайние области пластины обладают проводимостью одного типа, а средняя область противоположного типа, каждая из областей имеет свой персональный вывод.

В зависимости от чередования этих областей транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости, соответственно.

А если взять и прикрыть одну любую часть транзисто, то у нас получится полупроводник с одним p-n переходом или диод. Отсюда напрашивается вывод, что биполярный транзистор условно можно представить в виде двух полупроводников с одной общей зоной, соединенных встречно друг к другу.

Часть транзистора, назначением которой является инжекция носителей зарядов в базу называется эмиттером, и соответствующий p-n переход эмиттерным, а та часть элемента, назначение которой заключается в выводе или экстракции носителей заряда из базы, получила название коллектор, и p-n переход коллекторный. Общую зону назвали базой.

Различие в обозначениях разных структур состоит лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p она направлена в сторону базы, а в n-p-n наоборот, от базы.

В чем разница между PNP и NPN транзисторами? Я постарался в этом видео показать разницу в работе двух видов биполярных транзисторов. Я использовал доступные радиодетали, такие как светодиод (и резистор для защиты), для демонстрации работы. В кпримера я использовал транзисторы типа 2n2907 и bc337. Регулировал напряжение с помощью переменного резистора (потенциометра).

Работа транзистора — коротко об технологии изготовления

В начальный период развития полупроводниковой электроники их изготавливали только из германия по технологии вплавления примесей, поэтому их назвали сплавными. Например, в основе кристалл германия и в него вплавляю маленькие кусочки индия.

Атомы индия проникаю в тело германиевого кристалла, создают в нем две области – коллектор и эмиттер. Между ними остается очень тонкая в несколько микрон прослойка полупроводника противоположного типа — база. А чтобы спрятать кристалл от света его прячут в корпус.

На рисунке показано, что к металлическому диску приварен кристаллодержатель, являющийся выводом базы, а снизу диска имеется ее наружный проволочный вывод.

Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам внешних электродов.

С развитием электроники приступили к обработке кристаллов кремния, и изобрели кремниевые приборы, практически полностью отправившие на пенсию германиевые транзисторы.

Они способны работать с более высокими температурах, в них ниже значение обратного тока и более высокое напряжение пробоя.

Основным методом изготовления является планарная технологи. У таких транзисторов p-n переходы располагаются в одной плоскости. Принцип метода основывается на диффузии или вплавлении в пластину кремния примеси, которая может быть в газообразной, жидкой или твердой составляющей. При нагрева до строго фиксированной температуры осуществляется диффузия примесных элементов в кремний.

В данном случае один из шариков создает тонкую базовую область, а другой эмиттерную. В результате в кремнии образуются два p-n перехода. По этой технологии производят в заводских условиях наиболее распространенные типы кремниевых транзисторов.

Кроме того для изготовления транзисторных структур широко применяются комбинированные методы: сплавление и диффузия или различные варианты диффузии, например, двусторонняя или двойная односторонняя.

Проведем практический эксперимент, для этого нам потребуется любой транзистор и лампочка накаливания из старого фонарика и чуть-чуть монтажного провода для того, чтоб мы могли собрать эту схему.


Работа транзистора практический опыт для начинающих

Лампочка светится потому, что на коллекторный переход поступает прямое напряжение смещения, которое отпирает коллекторный переход и через него течет коллекторный ток Iк. Номинал его зависит от сопротивления нити лампы и внутреннего сопротивления батарейки или блока питания.

А теперь представим эту схему в структурном виде:

Так как в области N основными носителями заряда являются электроны, они проходя потенциальный барьер p-n переход, попадают в дырочную область p-типа и становятся неосновными носителями заряда, где начинают поглощаться основными носителями дырками. Таким же и дырки из коллектора, стремятся попасть в область базы и поглощаются основными носителями заряда электронами.

Так как база к минусу источника питания, то на нее будет поступать множество электронов, компенсируя потери из области базы. А коллектора, соединенный с плюсом через нить лампы, способен принять такое же число, поэтому будет восстанавливаться концентрация дырок.

Проводимость p-n перехода существенно возрастет и через коллекторный переход начнет идти ток коллектора . И чем он будет выше, тем сильнее будет гореть лампочка накаливания.

Аналогичные процесс протекают и в цепь эмиттерного перехода. На рисунке показан вариант подключения схемы для второго опыта.

Проведем очередной практический опыт и подключим базу транзистора к плюсу БП. Лампочка не загорается, так как p-n переход транзистора мы подсоединили в обратном направлении и сопротивление перехода резко возросло и через него следует лишь очень маленький обратный ток коллектора Iкбо не способный зажечь нить лампочки.

Осуществим, еще один интересный эксперимент подключим лампочку в соответствии с рисунком. Лампочка не светится, давайте разберемся почему.

Если приложено напряжение к эмиттеру и коллектору, то при любой полярности источника питания один из переходов будет в прямом, а другой в обратном включении и поэтому ток течь не будет и лампочка не горит.

Из структурной схемы очень хорошо видно, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и открыт и ожидает прием свободных электронов. Коллекторный переход, наоборот, подсоединен в обратном направлении и мешает попадать электронам в базу. Между коллектором и базой образуется потенциальный барьер, который будет оказывать току большое сопротивление и лампа гореть не будет.

Добавим к нашей схеме всего одну перемычку, которой соединим эмиттер и базу, но лампочка все равно не горит.

Тут, в принципе, все понятно при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход превращается в диод, на который поступает обратное напряжение смещение.

Установим вместо перемычки сопротивление Rб номиналом 200 – 300 Ом, и еще один источник питания на 1,5 вольта. Минус его соединим через Rб с базой, а плюс с эмиттером. И свершилось чудо, лампочка засветилась.

Лампа засветилась потому, что мы подсоединили дополнительный источник питания между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое напряжение, что привело к его открытию и через него потек прямой ток, который отпирает коллекторный переход транзистора. Транзистор открывается и через него течет коллекторный ток Iк, во много раз превышающий ток эмиттер-база. И поэтому этому току лампочка засветилась.

Если же мы изменим полярность дополнительного источника питания и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а за ним и коллекторный. Через транзистор потечет обратный Iкбо и лампочка перестанет гореть.

Основная функция резистора Rб ограничивать ток в базовой цепи. Если на базу поступит все 1,5 вольта, то через переход пойдет слишком большой ток, в результате которого произойдет тепловой пробой перехода и транзистор может сгореть. Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение должно быть около 0,2 вольта, а для кремниевых 0,7 вольта.

Обратимся к структурной схеме: При подаче дополнительного напряжения на базу открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера взаимопоглощаются с электронами базы, создавая прямой базовый ток Iб.

Но не все дырки, попадая в базу, рекомбинируются с электронами. Так как, область базы достаточно узкая, поэтому лишь незначительная часть дырок поглощается электронами базы.

Основной объем дырок эмиттера проскакивает базу и попадает под более высокий уровень отрицательного напряжения в коллекторе, и вместе с дырками коллектора текут к его отрицательному выводу, где и взаимопоглощается электронами от основного источника питания GB. Сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор резко падает и в ней начинает течь прямой ток коллектора Iк во много раз превышающий ток базы Iб цепи эмиттер-база.

Чем выше уровень отпирающего напряжения на базе, тем выше количество дырок попадает из эмиттера в базу, тем выше значение тока в коллекторе. И, наоборот, чем ниже отпирающее напряжение на базе, тем ниже ток в коллекторной цепи.

В этих экспериментах начинающего радиолюбителя по принципам работы транзистора, он находится в одном из двух состояний: открыт или закрыт. Переключение его из одного состояния в другое осуществляется под действием отпирающего напряжения на базе Uб. Этот режим работы транзистора в электроники получил название ключевым. Он используют в приборах и устройствах автоматики.

В режиме усиления транзистор усилитель работает в схемах приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ и УНЧ). При работе применяются малые токи в базовой цепи, управляющие большими токами в коллекторе.В этом заключается и отличие режима усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор в зависимости от напряжения на базе

Каждый полупроводниковый прибор — транзистор, имеет свое уникальное обозначение или маркировку, по которой можно его индитифицировать из кучи других радиокомпонентов.

Транзистор это очень распространенный активный радиокомпонент, который попадается почти во всех схемах, и очень часто, особенно во время эксперементальных курсов по изучению азов электроники, он выходит из строя. Поэтому без навыка проверки транзисторов, вам в электронику лучше не соваться. Вот и давайте разбираться, как проверить транзистор.

www.texnic.ru

Биполярный транзистор. Эмиттерный повторитель

Как это ни странно, эмиттерным повторителем называется схема с Общим Коллектором (ОК). Вроде бы название должно говорить само за себя, а вот хрен-то там. Так что, не забывайте об этом ? Давайте разберемся, что значит словосочетание «эмиттерный повторитель»? Если досконально разобрать эту фразу, то она означает, что на эмиттере что-то должно повторяться.

Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:

На первый взгляд вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:

1) Напряжение Uвых меньше Uвх на каких-то 0,6-0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере)

2) Uвых в точности повторяет по форме и фазе Uвх

3) Сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) большое

4) Сопротивление со стороны выхода (выходное сопротивление) маленькое

Раз уж упомянули про входное и выходное сопротивление, то как же его рассчитать? Оказывается, сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) рассчитывается очень просто:

где Rэ — это сопротивление резистора в цепи эмиттера

Также не стоит забывать, что когда мы цепляем нагрузку, то меняется и входное сопротивление, так как параллельно Rэ мы цепляем какое-то сопротивление, являющееся нагрузкой.

Эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление источника сигнала в β раз. Допустим, если у нас выходное сопротивление источника сигнала равняется 500 Ом, а β в схеме эмиттерного повторителя равняется 100, то на выходе эмиттерного повторителя мы уже получим источник сигнала с выходным сопротивлением в 5 Ом.

Но опять же, раз выходной сигнал у нас стает меньше на 0,6-0,7 Вольт, получается, что он даже меньше входного!?

Значит схема не усиливает напряжение, а даже его чуток ослабляет) Вот тебе и транзистор — усилитель сигналов)) Но-но! Рано огорчаться. Так как входное сопротивление такой схемы большое, значит, мы можем нагрузить на вход эмиттерного повторителя какой-либо сигнал, не боясь, что он просядет, а на выход мы можем цепануть низкоомную нагрузку. В этом и заключается вся прелесть ?

Так, а теперь давайте представим, что было бы, если бы мы напрямую, без эмиттерного повторителя, подали сигнал в низкоомную нагрузку с генератора сигнала с высоким выходным сопротивлением? Да сигнал у нас просел бы раза в два! Чтобы это понять, читаем статью про входное и выходное сопротивление.

Значит, эмиттерный повторитель в электронике выполняет роль миротворца между источником сигнала с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Еще более простыми словами: эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление источника сигнала. В этом и заключается его роль в электронике ?

Также запомните простое правило: эмиттерный повторитель дает усиление по току, а не по напряжению. А так как повышается сила тока, следовательно, и мощность, отдаваемая в нагрузку, тоже будет больше, так как P=IU , где P — это мо щность, I — сила тока, U — напряжение.

Ладно, меньше слов и больше дела. Давайте рассчитаем эмиттерный повторитель. Пусть наше техническое задание (ТЗ) будет звучать так:

Рассчитать схему эмиттерного повторителя для звукового сигнала. +Uпит=12 Вольт.

1) Так как звук у нас представляет колебание как в одну, так и в другую сторону, следовательно, наш сигнал должен колебаться как в положительную, так и в отрицательную сторону. Поэтому, чтобы сигнал имел как можно больший размах, мы должны сделать так, чтобы он находился в середине активного режима. Так как мы сигнал будем снимать с эмиттера, следовательно, в статическом режиме (то есть когда НЕ подаем сигнал на вход нашего эмиттерного повторителя) у нас напряжение на эмиттере должно быть равно половине напряжения питания. Или буковками:

2) Чтобы зря не рассеивать на транзисторе тепло, оптимальный ток покоя берут в 1 мА. Это значит, что по цепи +12В——> коллектор——-> эмиттер——>Rэ ——>земля должен течь ток с силой в 1 мА. Здесь мы не учитываем крохотный ток базы. Как этого добиться? Вспоминаем закон Ома для участка цепи и высчитываем номинал резистора:

Rэ=6 В/0,001 А=6 000 Ом = 6 КилоОм .

Берем ближайший из ряда на 6,2 КилоОма

3) Какая же сила тока должна течь через базу-эмиттер, чтобы обеспечить ток покоя в 1 мА? Так как в нашем примере ток эмиттера Iэ почти равен току коллектора Iк (если, конечно, не учитывать крохотный базовый ток) то вспоминаем формулу зависимости тока базы от тока коллектора:

Я взял транзистор КТ817Б, замерял его коэффициент усиления по току , то есть β , и падение напряжения на переходе база-эмиттер с помощью транзистор-тестера:

Итого, β (hFE на транзистор-тестере) равно около 300, падение напряжения 0,55 Вольт.

Следовательно, Iб = Iк / β = 1/300 = 3,3 мкА

4)Высчитываем ток делителя напряжения, который образуют два резистора: Rб и Rэ . Его берут в основном в 10 раз больше, чем ток базы:

5)Считаем напряжение на базе. Оно равняется:

6)Теперь для простоты расчета чертим небольшую схемку:

Из закона Ома получаем следующие расчеты:

Rбэ = 6,55 В / 33 мкА = 200 КилоОм . Берем ближайший из ряда на 200 КилоОм.

Так как сумма падений напряжений на резисторах равняется Uпит , следовательно, на Rб будет напряжение 12-6,55 = 5,45 Вольта.

Rб = 5,45 В / 33 мкА = 165 КилоОм . Берем ближайший из ряда на 150 КилоОм.

7)Конденсаторы в схеме нам служат для того, чтобы убрать постоянную составляющую, то есть постоянный ток, который присутствует на базе и эмиттере. Нам ведь нужен только переменный сигнал без примеси постоянного тока, так ведь? Для выбора конденсаторов правило простое: постоянная времени RС-цепи должна быть больше периода передаваемого сигнала самой низкой частоты примерно в 100 раз.

Не будем сейчас говорить от дифференциальных и интегральных цепях (блин, голова заболела от одного их упоминания ), а просто разберемся, как высчитывается постоянная времени RC- цепи. Назовем ее t . Вычисляется она по формуле:

Входное сопротивление эмиттерного повторителя высчитывается по формуле:

Rвх = Rэ х β = 6000 х 300 = 1,8 МегаОм.

Для звукового сигнала самая низкая частота — это 20 Герц (предел слуха человека средних лет), находим период и значение конденсатора:

1,8 х 10 6 х С1 = 5

С1= 5 / 1,8 х 10 6 = 2,7 мкФ . То есть берем кондер от 2,7 мкФ. Думаю, 10 мкФ будет самое оно.

С2 — это вход какого-либо следующего каскада, следовательно, он рассчитывается аналогично. В нашем примере возьмем его на 100 мкФ, так как чем низкоомнее нагрузка, тем большая емкость должна быть на выходе каскада.

Следовательно, вся наша схема будет с такими параметрами:

Собираем схему в реале и проверяем в деле:

Итак, входной сигнал у нас будет красным цветом, выходной — желтым. Подаем сигнал с генератора частоты амплитудой в 0,5 Вольт. Не цепляем пока никакую нагрузку и смотрим, что у нас получилось:

Как вы видите, у нас получилось два абсолютно одинаковых сигнала, которые даже по фазе повторяют друг друга. Короче говоря, что на входе, то и на выходе.

Но фишка немного в другом. Давайте я сейчас нагружу входной сигнал резистором в 500 Ом. Область, выделенную штрихпунктирной линией мы пока что НЕ рассматриваем.

Какое напряжение Uвх у нас сразу станет? Все зависит от выходного сопротивление генератора. Так как я подаю сигнал через делитель напряжения, сделанный на потенциометре, следовательно, у меня красный сигнал очень жоска просядет, что мы и видим на осциллограмме ниже. На желтый пока что не обращайте внимание.

Но что будет, если я нагружу этот сигнал тем же самым резистором в 500 Ом через эмиттерный повторитель? Ставим резистор на выход эмиттерного повторителя:

Входной сигнал даже не просел, даже тогда, когда мы его нагрузили через эмиттерный повторитель ;-).

А где же та самая обещанная просадка напряжения в 0,6-0,7 Вольт? Если бы мы подавали сигнал сразу на базу, без делителя напряжения на резисторах Rб и Rбэ , то мы увидели бы просадку.

Есть, конечно, большой минус эмиттерного повторителя. Заключается он в том, что сигнал на выходе тупо срезается при отрицательной полуволне при сильной низкоомной нагрузке. Поставив резистор в 100 Ом, у нас получается вот такой ералаш:

Но почему так произошло?

Не хочу приводить дотошные формулы и выводить их, просто скажу, что из-за слишком низкоомной нагрузки, у нас получается так, что на эмиттере напряжение стает больше, чем на базе, а следовательно, транзистор тупо «затыкается», так как в этом случае P-N переход оказывается включен в обратном направлении.

Как же с этим бороться?

Можно уменьшить Rэ , но тогда и ток покоя будет больше, что приведет опять же к расточительству электроэнергии и нагреву транзистора.

Другой вариант, взять так называемый транзистор Дарлингтона, который имеет очень большое входное сопротивление порядка 10 МегаОм и обладает большим коэффициентом усиления β . Все дело в том, что такой транзистор состоит из двух транзисторов, коэффициент усиления которого будет равен:

β1 — коэффициент усиления первого транзистора

β2 — коэффициент усиления второго транзистора

Вот так выглядит транзистор Дарлингтона:

Также в ретроусилителях мощности уже не заморачиваются и используют эмиттерные повторители в так называемом режиме работы класса B, где усиливается по току только одна полуволна сигнала каждым транзистором. А если честно, лучше вообще забить на этот эмиттерный повторитель, так как есть радиоэлементы, которые не надо рассчитывать и которые выдают усиление во много раз превосходящее, чем у эмиттерного повторителя и без всяких заморочек.

www.ruselectronic.com

Транзистор КТ3107: параметры, аналог, цоколевка, datasheet

Транзистор КТ3107 – кремневый, биполярный транзистор, эпитаксиально-планарный, имеющий структуру p-n-p. Этот транзистор используется в основном в схемах усилителей низкой частоты (УНЧ), в генераторах НЧ и ВЧ, в устройствах переключения. Транзистор КТ3107 выпускается в пластмассовом корпусе и имеет гибкие выводы. Масса транзистора менее 0,4 грамма.

Параметры транзистора КТ3107

Транзистор

h21э

Iкmax,

mA

Iкmax(и),

mA

Uкэо, В

Pк max, Вт

Fгр, МГц

КТ3107А

КТ3107Б

КТ3107В

КТ3107Г

КТ3107Д

КТ3107Е

  • h21э — статический коэффициент передачи тока транзистора КТ3107 в схеме с ОЭ (общий эмиттер)
  • Iкmax — max разрешенный ток коллектора
  • Iкmax(и) — max разрешенный ток (импульсный) коллектора
  • Uкэо — max разрешенное напряжение коллектор-эмиттер
  • Pк max — max разрешенная стабильная рассеиваемая мощность коллектора без радиатора
  • Fгр — граничная частота h21э в схеме с общим эмиттером
  • Габаритные и установочные размеры транзистора КТ3107

    Производить пайку контактов транзистора следует не ближе 5 мм от корпуса. Температура припоя должна быть не более 250 гр.С при погружении выводов в припой на период менее 3 сек.

    Цоколевка КТ3107 транзистора

    Ниже приведена цоколевка транзистора КТ3107 в корпусе ТО-92

    Маркировка транзистора КТ3107

    Согласно цветовой маркировки транзистора КТ3107:

    Верхняя слева точка означает тип транзистора ( голубая – КТ3107)

    Верхняя справа точка указывает на группу (букву) транзистора:

    • А = розовая
    • Б = желтая
    • В = синяя
    • Г = бежевая
    • Д = оранжевая
    • Е = электрик
    • Ж = салатовая
    • И = зеленая
    • К = красная
    • Л = серая
    • Подробно о цветовой маркировке транзисторов можно прочитать здесь.

      Аналоги транзистора КТ3107

      Транзистор КТ3107 можно заменить на отечественный аналог: КТ361, либо на его зарубежный аналог: BC307, ВC308, BC309

      Скачать datasheet КТ3107 (82,3 Kb, скачано: 1 839)

      www.joyta.ru

      Как подобрать аналог транзистора

      В этой статье разберем тему подбора аналогов биполярных и полевых транзисторов. На какие параметры транзистора следует обратить внимание, чтобы по ним подобрать подходящую замену?

      Для чего это нужно? Бывает так, что ремонтируя какой-нибудь прибор, скажем, импульсный блок питания, пользователь оказывается вынужден обратиться в ближайший магазин электронных компонентов, но в ассортименте не находится именно такого транзистора, который вышел из строя в схеме прибора. Тогда и приходится выбирать из того, что есть в наличии, то есть подбирать аналог.

      А бывает еще и так, что сгоревший транзистор на плате был из тех, которые уже сняты с производства, и тогда как нельзя кстати приходится доступный в сети даташит, где параметры можно посмотреть, и по ним подобрать подходящий аналог из ныне доступных. Так или иначе, нужно знать, по каким параметрам выбирать, об этом и пойдет речь далее.

      Биполярные транзисторы

      Для начала поговорим о биполярных транзисторах. Главными характеристиками здесь выступают:

      максимальное напряжение коллектор-эмиттер,

      максимальный ток коллектора,

      максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность,

      коэффициент передачи по току.

      Первым делом оценивают схему в целом. На какой частоте работает прибор? Насколько быстрым должен быть транзистор? Лучше всего, если рабочая частота прибора будет в 10 и много более раз ниже граничной частоты транзистора. Например fгр равна 30 МГц, а рабочая частота прибора, где транзистор будет работать, составляет 50 кГц.

      Если же заставить транзистор работать на частоте близкой к граничной, то коэффициент передачи по току станет стремиться к единице, и для управления потребуется много энергии. Поэтому пусть граничная частота подбираемого аналога будет больше или равна граничной частоте транзистора, который нужно заменить.

      Следующим шагам обращают внимание на мощность, которую сможет транзистор рассеять. Здесь же смотрят на максимальный ток коллектора и на предельное значение напряжения коллектор-эмиттер. Максимальный ток коллектора должен быть выше максимального тока в управляемой транзистором цепи. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер у выбираемого транзистора должно быть выше предельного напряжения в управляемой цепи.

      Если параметры подбираются исходя из даташита на заменяемый компонент, то подбираемый аналог по предельному напряжению и предельному току должен соответствовать или превосходить заменяемый транзистор. Например, если сгорел транзистор, предельное напряжение коллектор-эмиттер которого было 80 вольт, а максимальный ток составлял 10 ампер, то в этом случае аналог с максимальными параметрами по току и напряжению 15 ампер и 230 вольт — подойдет в качестве замены.

      Далее оценивают коэффициент передачи по току h21. Данный параметр указывает на то, во сколько раз ток коллектора превосходит ток базы в процессе управления транзистором. Приоритет лучше отдавать транзисторам со значением этого параметра большим или равным h21 исходного компонента, хотя бы приблизительно.

      Нельзя ставить вместо транзистора с h21 = 30, транзистор с h21 = 3, управляющая цепь просто не справится или сгорит, а прибор не сможет нормально работать, лучше, если аналог будет иметь h21 на уровне 30 или больше, например 50. Чем выше коэффициент усиления по току, тем проще транзистором управлять, тем выше КПД управления, ток базы меньше, ток коллектора — больше.

      Транзистор без лишних затрат входит в насыщение. Если же прибор, куда подбирается транзистор, отличается повышенным требованием к коэффициенту передачи по току, то пользователю следует подобрать аналог с более близким к оригиналу h21, либо придется внести изменения в цепь управления базой.

      Наконец, смотрят на напряжение насыщения, напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора. Чем оно меньше, тем меньше мощности будет рассеиваться на корпусе компонента в виде тепла. И важно отметить, сколько реально в схеме придется транзистору рассеивать тепла, максимальное значение рассеиваемой корпусом мощности приводится в документации (в даташите).

      Умножьте ток коллекторной цепи на напряжение, которое будет падать на переходе коллектор-эмиттер в процессе работы схемы, и сравните с максимально допустимой для корпуса транзистора тепловой мощностью. Если реально выделяемая мощность окажется больше предела, транзистор быстро сгорит.

      Так, биполярный транзистор 2N3055 можно смело заменить на КТ819ГМ и наоборот. Сравнив их документацию, можно прийти к выводу, что это почти полные аналоги, как по структуре (оба NPN), так и по типу корпуса и по основным параметрам, важным для равно эффективной работы в аналогичных режимах.

      Полевые транзисторы

      Теперь поговорим о полевых транзисторах. Полевые транзисторы широко применяются сегодня, в некоторых устройствах, например в инверторах они почти полностью вытеснили собой биполярные транзисторы. Полевые транзисторы управляются напряжением, электрическим полем заряда затвора, и поэтому управление получается менее затратным, нежели в биполярных транзисторах, где управление осуществляется током базы.

      Полевые транзисторы намного быстрее переключаются в сравнении с биполярными, обладают повышенной термоустойчивочтью, и не имеют неосновных носителей заряда. Чтобы обеспечить коммутацию значительных токов, полевые транзисторы можно соединять параллельно в большом количестве без выравнивающих резисторов, достаточно подобрать подходящий драйвер.

      Итак, что касается подбора аналогов полевых транзисторов, то здесь алгоритм тот же, что и при подборе биполярных аналогов, с той лишь разницей, что отпадает проблема с коэффициентом передачи по току и дополнительно появляется такой параметр как емкость затвора. Максимальное напряжение сток-исток, максимальный ток стока. Лучше выбрать с запасом, чтобы наверняка не сгорел.

      У полевых транзисторов нет такого параметра как напряжение насыщения, зато есть параметр «сопротивление канала в открытом состоянии». Исходя из этого параметра можно определить, какая мощность будет рассеиваться на корпусе компонента. Сопротивление открытого канала может составлять от долей ома до единиц ом.

      У высоковольтных полевых транзисторов сопротивление открытого канала, как правило, больше одного ома, и это нужно обязательно брать в расчет. Если удастся выбрать аналог с меньшим сопротивлением открытого канала, то и тепловых потерь будет меньше, и падение напряжения на переходе не будет в открытом состоянии критически высоким.

      Крутизна характеристики S у полевых транзисторов – аналог коэффициента передачи по току биполярных транзисторов. Этот параметр показывает зависимость тока стока от напряжения затвора. Чем выше крутизна характеристики S, тем меньшее напряжение нужно подать на затвор для коммутации значительного тока стока.

      Не нужно забывать при выборе аналога и про пороговое напряжение затвора, ведь если напряжение на затворе будет ниже порогового, то транзистор полностью не откроется, и коммутируемая цепь не получит достаточного питания, всю мощность придется рассеивать транзистору, и он просто перегреется. Напряжение управления затвором должно быть выше порогового. Аналог должен иметь пороговое напряжение затвора не выше чем оригинал.

      Мощность рассеяния полевого транзистора аналогична мощности рассеяния биполярного транзистора, этот параметр указан в даташите, и зависит, как и в случае с биполярными транзисторами, от типа корпуса. Чем больше корпус компонента, тем большую тепловую мощность сможет он безопасно для себя рассеять.

      Емкость затвора. Поскольку полевые транзисторы управляются напряжением затвора, а не током базы, как биполярные транзисторы, то здесь вводится такой параметр как емкость затвора и полный заряд затвора. При выборе аналога на замену оригиналу, обратите внимание на то, чтобы затвор у аналога не был тяжелее.

      Емкость затвора лучше всего, если окажется чуть меньше, таким полевым транзистором проще управлять, фронты получатся круче. Однако если затворные резисторы в схеме управления вы перепаивать не намерены, то пусть емкость затвора будет максимально близкой к оригиналу.

      Так, очень распространенные несколько лет назад, IRFP460 заменяют на 20N50, у которого затвор немного легче. Если обратиться к даташитам, то легко заметить почти полное сходство параметров этих полевых транзисторов.

      Надеемся, что эта статья помогла вам разобраться в том, на какие характеристики нужно ориентироваться, чтобы подобрать подходящий аналог транзистора.

      electrik.info

      О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы

      В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

      Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

      Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

      Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

      Сам по себе транзистор может только управлять током.

      Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

      Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

      Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

      Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
      отрицательный знак).

      Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

      Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

      На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

      Режимы работы биполярного транзистора:

      1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β.

      Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

      2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

      3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт.

      Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

      4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

      Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

      Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

      Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): IБ*β=IK.

      Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

      В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить hFE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

      Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

      Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (IК=β*IБ) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
      — напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

      И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

      Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
      даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

      В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

      Мы устали… отдохнём немного…

      Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

      В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

      Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

      Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

      50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

      Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

      Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

      Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

      Вернёмся опять к теории.

      В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

      1) Схема с общим эмиттером.

      Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

      Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

      Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

      2) Схема с общей базой.

      Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

      Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

      3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

      Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(IК+IБ)/IБ=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

      Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

      Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

      Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

      radiohlam.ru

    Популярное:

    • Учебное пособие pr Ольшанский Д.В.. Книги онлайн Ольшанский Дмитрий Вадимович (1953-2003) — известный социальный психолог, политолог, публицист. Доктор политологических и кандидат психологических наук, академик Международной академии информатизации. Автор […]
    • Гос нотариус в харькове Восьмая государственная нотариальная контора Киевского района города Харькова Место для Вашей рекламы! За 99 грн в месяц о Вас узнают все посетители этой страницы. Ближайшие места: Частный нотариус Серветник Анна Геннадьевна, Ярослава […]
    • Правила хранения противогазов Срок годности и основания для утилизации противогаза Противогаз относится к средствам индивидуальной защиты, и далеко не все равно, годно это средство или нет. Сколько времени может храниться этот предмет на складе, каков срок годности […]
    • Сокращение штата закон Как происходит сокращение при банкротстве Каждый гражданин Российской Федерации имеет право на оплачиваемый труд, соблюдение и выполнение всех норм и требований должности. Со своей стороны государство контролирует процесс соблюдения […]
    • Стороны произвели взаимозачет НДС: правила взаимозачета Компании в основном практикуют взаимозачеты, когда между партнерами заключено два договора. При этом фирма по одному соглашению будет кредитором, по другому — должником, а погасить задолженность деньгами не […]
    • Приказ об аттестационной комиссии в колледже Приказ об аттестационной комиссии в колледже МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИХабаровского края от 20 октября 2014 года N 60 О создании аттестационной комиссии для проведения аттестации педагогических работников в целях установления […]
    • Полномочия и задачи фскн Проект закона о ФСКН России: подготовка к первому чтению Федеральная служба Российской Федерации по контролю за оборотом наркотиков была сформирована Указом Президента РФ 1 в 2003 году. Вот уже 10 лет ФСКН России остается единственным […]
    • Госпошлина за удостоверение по аттестации Как уплачивается госпошлина за аттестацию в Ростехнадзоре Если ваша деятельность связана с опасным оборудованием и от лиц (работников предприятия) зависит промышленная безопасность, вам придется воспользоваться услугами […]