Как найти ток базы биполярного транзистора

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1.Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2.Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

• p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
• n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

• В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
• В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1.Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база < 0 – для n-p-n транзисторов),

2.Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3.Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

4.Отсечка (напряжение коллектор-база < 0, на эмиттере напряжение менее порогового),

5.Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Таблица

Различные режимы работы используются для разных целей.

Наиболее частым способом включения биполярных транзисторов является схема с общим эмиттером (“ключевой режим”, входной сигнал на базе, выходной на коллекторе), ее и рассмотрим ниже.

Рис. 1. Схема с общим эмиттером

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления,
генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный,
поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки.
Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток,
только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока —
основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.
У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля.
В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов.
Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей.
Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base).
Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter).
Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В
дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора
несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще,
чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного
транзистора. Для примера возьмем
модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только
полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет
противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках,
в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы —
дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В
транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает
концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE).
Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора.
Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера.
Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE
(для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE
— 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения
подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до
N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе.
Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).
Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация
дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами.
Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше.
Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая,
все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE,
и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще
больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и
значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом
изменении тока базы I_B,
сильно меняется ток коллектора I_С.
Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.
Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току.
Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы.
Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного
напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для
понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов
в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200).
Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V,
за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора
подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного
напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.
Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала,
обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I_b

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением,
нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min).
Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается
один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение,
при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности
вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель,
согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между
базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0),
то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I_С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200),
можно с легкостью посчитать максимальное и
минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения V_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out.
В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того,
что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве
случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда,
которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же,
соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя,
однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе.
Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие.
Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся».
Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация).
Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β.
В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний,
но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор
берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно,
транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт.
В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет,
поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе.
Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся.
В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы,
умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора,
который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора,
которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным,
который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал,
поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен».
Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном.
В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру,
и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме.
Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме.
Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B.
Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора.
Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа,
даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного
транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах,
то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх).
Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться
источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока.
Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом).
Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору,
где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером.
Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер
сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления)
увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных
потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью
усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ,
он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления,
но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше.
Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность
(или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала.
С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает.
Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.
На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно,
а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей.
Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Для построения идеализированной
модели биполярного транзистора будем
считать, что его структура разбивается
на области пространственного заряда (
обедненные области эмиттерного и
коллекторного переходов) и квазинейтральные
области эмиттера, базы и коллектора, в
которых выполняется условие 
n

p. Кроме того, примем
обычные допущения идеализированной
теории n-p-перехода:

1. Области пространственного заряда
   практически не содержат подвижных
   носителей заряда и имеют резкие границы
   с квазинейтральными областями эмиттера,
   базы и коллектора.

2. Объемные сопротивления эмиттера, базы
   и коллектора близки к нулю и внешние
   напряжения приложены непосредственно
   к эмиттерному и коллекторному переходам.

3. На краях областей пространственного
   заряда (на границах переходов) справедливы
   граничные уравнения, связывающие
   концентрации носителей заряда с
   напряжениями, приложенными к переходам.

4. В областях эмиттера, базы и коллектора
   имеет место низкий уровень инжекции
   неосновных носителей заряда.

Составляющие токов транзистора

Рассмотрим
транзистор, включенный по схеме с ОБ
(рис 3.9). Во внешних цепях транзистора
будут протекать токиi_Э,
i_К,
i_Б.
За положительные направления токов
примем указанные стрелками (они совпадают
с физическими направлениями токов в
активном режиме). Внешние напряжения
u_ЭБ
и u_КБ
, как и ранее, будем отсчитывать от общего
электрода (в данном случае – базы). Кроме
того , введем напряжения на переходах
транзистора u_ЭП
– на эмиттерном переходе, u_КП
–
на коллекторном. Эти напряжения будем
считать положительными, если они прямые
( “+” приложен к p- области, а “-” к
n-области) и отрицательными, если они
обратные.
Для рассматриваемого
n-p-n-транзистора в схеме с ОБ
u_ЭП=
– u_ЭБ
= u_БЭ
и
u_КП
= – u_КБ
.
Для p-n-p-транзисторов:
u_ЭП=
u_ЭБ
, u_КП
= u_КБ
Использование понятий напряжений на
переходах позволяет получить одинаковые
формулы для n-p-n- и p-n-p-транзисторов.
Как
было показано в предыдущей главе, каждый
ток содержит различные составляющие;
для удобства сгруппируем их следующим
образом:

1. Выделим единственную
   полезную составляющую, обусловленную
   переносом электронов из эмиттера в
   коллектор. Назовем ее током связи i_Э-Кк
   ( направление тока на рис. 3.9 обратно
   направлению движения электронов).

2. Дырочные токи переходов и
   токи, обусловленные рекомбинацией в
   базе, объединим в дополнительные токи
   эмиттерного i _эд
   и коллекторного i _кд
   переходов. Эти токи замыкаются каждый
   через свой переход и не могут передаваться
   из эмиттера в коллектор. Таким образом,
   наличие дополнительных токов приводит
   только к потерям энергии.

Полные токи транзистора могут быть
представлены в виде:

(3.1)
 

Вредные дополнительные
токи переходов мало изменяют токи i_Э
и i_К
( на 1 – 3 %), однако именно они определяют
ток базы.

Перенос электронов из эмиттера в коллектор. Ток связи

Расчет полезной электронной
составляющей токов транзистора – тока
связи i_Э-К
– проведем, пренебрегая малыми
дополнительными токами. С физической
точки зрения это соответствует отсутствию
рекомбинации в базе и переходах
транзистора. Электронный поток из
эмиттера в коллектор одинаков в любом
сечении транзистора, а его величина
зависит от процессов в базовой области
( в эмиттере и коллекторе электроны
являются основными носителями, их
концентрация велика и движение
обеспечивается пренебрежимо малыми
электрическими полями).

Перемещение
электронов в базовой области (для нее
электроны – неосновные носители)
происходит путем диффузии за счет разной
концентрации на границах базы с эмиттерным
и коллекторным переходами, см. рис. 3.10,
( для определенности будем полагать,
что на обоих переходах действуют прямые
напряженияu_ЭП
>u_КП
>0. Естественно, что
дальнейшие рассуждения справедливы
при произвольных напряжениях на
переходах).

Вычисление тока связи будем проводить
в произвольном сечении базы в следующей
последовательности:

1. Найдем общее решение
уравнения диффузии для электронов в
базе.
2. Найдем граничные концентрации
n(x_p)
и n(x_p).
3.
Получим распределение n(x)
концентрации электронов и определим
градиент концентрации

Определим величину диффузионного тока
в базовой области, равного току связи.
В соответствии с граничным уравнением
p-n-перехода получим:

(3.2)
 

где n_p–
равновесная концентрация электронов
в p-базе. Запишем стационарное уравнение
диффузии для электронов:

(3.3)
 

Если пренебречь рекомбинацией
в базе (это эквивалентно условиюL_n


), то уравнение (3.3) упрощается и приобретает
вид:

или(3.4)
 

Таким образом, решением
уравнения будет прямая линия, проходящая
через точки n(x
_p)
и n(x_p
). Распределение
электронов в p-базе показано на рис 3.10,
из которого с учетом (3.2) следует:
.
Тогда
ток связи может быть рассчитан по
формуле:,
гдеS –
площадь переходов транзистора.
Окончательно:

(3.5)
 

где
(3.6).

Ток I₀
называется тепловым током транзистора
(в зарубежной литературе – током
насыщения). Он аналогичен электронной
составляющей теплового тока изолированного
p-n-перехода.

Часто ток связи представляют
в виде разности нормальной i_N
и инверсной i_I
составляющих.

,
(3.7)

где
(3.8);

(3.9).

Физически i_N
– это ток связи при u_КП
= 0 , а i_I
– ток связи при u_ЭП
= 0. Таким образом, ток связи имеет две
составляющие, каждая из которых зависит
от напряжения на одном из переходов.

Соседние файлы в предмете Электроника

• #
• #
• #

  02.05.201412.63 Mб61Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практичкское применение..djvu

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Мы уже рассказывали, что такое транзисторы, для чего они нужны и как работают, если вам интересно можете прочесть эту статью. А сегодня давайте разберёмся как их использовать, и как они подключаются в схемах. Для наглядных иллюстраций предлагаю использовать простую бесплатную программу для моделирования электрических цепей Circuit .JS . Заодно посмотрим, как она работает и подходит ли для изучения основ электроники.

Немного теории

В прошлой статье мы узнали, что транзистор может по нашей команде пропускать через себя ток или отключать его. Да не просто пропускать, но и плавно регулировать его величину.

Но в реальных схемах транзисторы работают в определённом режиме, например:

1. Если транзистор плавно регулирует силу тока в цепи, то он работает в активном (линейном) режиме.
2. Если транзистор во время работы находится в двух характерных состояниях: «включено» (проводит ток, цепь замкнута) или «выключено» (не проводит ток, цепь разомкнута), то он работает в ключевом режиме. При этом состояние, в котором транзистор полностью открыт и не ограничивает ток называется режимом насыщения, а в котором полностью закрыт и не пропускает ток – режимом отсечки.

В режиме насыщения на биполярном транзисторе падает какое-то напряжение, которое может отличаться у разных транзисторов, но обычно находится в пределах вольт, а если быть точнее, то 0,3…0,5 вольт.

Для того чтобы транзистор открылся нужно подать какое-то напряжение на базу относительно эмиттера. Если мы обеспечим нужный ток базы, то через коллектор-эмиттер потечёт ток нагрузки.

При этом зависимость тока базы от напряжения не линейна, а повторяет ветвь параболы, и очень похожа на прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода.

На что обратить внимание? Ток базы при увеличении напряжения на ней растёт сначала медленно, а затем рост ускоряется, и примерно после 0,6 Вольт ток резко возрастает. При возрастании тока базы I б транзистор открывается — увеличивается ток коллектора I к. Значение тока базы и тока коллектора связаны через коэффициент усиления (H 21э) — I к=I б×H 21э.

При увеличении напряжения U бэ c 0 до 0,5 вольт ток возрос с 0 до 10 мА, а при увеличении с 0,5 до 0,6 вольт, всего на 20%, ток вырастет примерно до 30 мА, в целых 3 раза. При дальнейшем увеличении напряжения ток будет расти ещё быстрее, в итоге переход перегреется и транзистор выйдет из строя. Поэтому нельзя подавать напряжение на базу без токоограничительного транзистора, что мы сейчас и проверим.

Такие величины напряжения характерны для кремниевых транзисторов, которые, собственно, и используются в настоящее время. Реальные значения токов при указанных напряжениях могут отличаться, к тому же они зависят от температуры транзистора, а для полного открытия транзистора может потребоваться и больше 1 вольта, что вы и можете видеть на вырезке из технических характеристик NPN -транзистора типа MJE 13003.

У полупроводников положительный температурный коэффициент сопротивления, то есть при нагревании ток в них увеличивается, у проводников – наоборот.

В прошлой статье были приведены типовые схемы включения транзисторов, и на них было показано, что база-эмиттер и коллектор-эмиттер подключаются к разным источникам

Транзистор как ключ

Для начала попробуем включить лампочку транзистором по первой схеме, собственно, обычно именно так и управляют нагрузкой с помощью транзисторов. Для примера будем использовать NPN -транзистор, и пару источников питания. Минусы источников питания соединим друг с другом.

Важно! В программе circuit .JS нет привязки к реальным элементам, поэтому транзистор принимается каким-то условным, а из параметров в нём настраивается только коэффициент усиления H 21э, я его выставил на значение 100. Но это в рассматриваемом примере никак не влияет на правильность отображения поведения транзистора в схеме.

Попытаемся зажечь лампу на полную мощность. Лампа накаливания на 10 ватт должна потреблять ток около 0,83 ампер, давайте проверим, что у нас получится в опыте. На базу подадим +0,6 вольт, а на коллектор +12 вольт.

Видим, что практически всё напряжение падает на транзисторе, а ток в цепи лампа-коллектор-эмиттер всего лишь 1 мА. При этом ток базы 11 мкА (микроампер), при напряжении в 0,6 В, начнём увеличивать напряжение по 0,05 вольта и посмотрим, что будет происходить с цепью. (листайте картинки ниже влево).

Лампа засветилась, когда напряжение на базе достигло 0,8 вольт. При этом ток, протекающий через лампу, ток коллектора составляет 831 мА (0,83 А), при этом на лампе падает 11,973 В, а 0,83×11,97=9,9 ватта. Что, в общем, соответствует номинальной мощности, небольшое отклонение связано с наличием транзистора в цепи, падением напряжения на нём и особенностями программы.

Но что у нас творится с током базы? Он достиг почти 1 ампера, это очень много, а если учесть, что коэффициент усиления транзистора мы выбрали 100, то ток базы должен быть в 100 раз меньше тока коллектора – около 8 миллиампер.

Тут же мы видим, что ток базы действительно изменяется нелинейно. Как и было показано на вольт-амперной характеристике выше, он сильно увеличивается при незначительном изменении напряжения, например, при 0,6В он составлял 11 мкА, при 0,65В — 82 мкА, при 0,7В — 567 мкА и при 0,75 уже 3,9 мА (что равняется 3900 мкА). То есть суммарно напряжение увеличилось на 0,2 раза, а ток вырос в 390 раз.

Кроме этого, обратите внимание на ток эмиттера — он равняется сумме токов коллектора и тока базы, ниже приведена иллюстрация с прошлой статьи.

Что нужно сделать, чтобы ток базы принял нормальные значения? И так, ток через pn -переход база-эмиттер имеет нелинейную зависимость, и если его ничем не ограничить, то при подаче напряжения прямого смещения он будет неконтролируемо расти. В реальной схеме это недопустимо, так как при малейших изменениях параметров цепи, ток может «гулять» в обе стороны. Чтобы этого избежать, сигнал на базу подают через токоограничительный резистор.

Для примера добавим в цепь резистор номиналом 1 Ом, напряжение на базе так и оставим 0.8 вольта, посчитаем какой ток должен быть через резистор, известно, что падение напряжения на переходе база эмиттер составляет порядка 0.6 вольта, тогда на резисторе упадёт около 0.2 вольта, и ток через базу в этом случае составит:

IR =(U п-U бэ)/R базы=(0,8-0,6)/1=0,2/1=0,2А=200 мА

Но это расчёты, на практике видим, что ток снизился в 30 раз, и теперь он 33 мА, это уже хорошо. Но почему расчёты не совпали? Потому что в представленной в программе модели транзистора падение напряжение отличается от 0,6 В, чтобы его измерить в схему добавлен ещё один вольтметр, он показывает 0,77 В (или 770 мВ).

Давайте пересчитаем резистор базы, но уже подставим измеренное напряжение, и выразим R базы из предыдущей формулы. Для расчётов зададимся током:

I б=I к/H 21э=0,83/100=0,0083

R базы=(U п-U бэизм)/I б=(0,8-0,77)/0,0083=3,6 Ома

Заменим в схеме резистор базы с 1 Ома, на расчётные 3,6 Ома и посмотрим, как изменятся параметры схемы.

Как вы можете видеть лампа продолжает светить, ток через неё равен 0,823 ампера, что соответствует номинальному. А ток базы стал 8,5 мА, в расчёте у нас было 8,3 мА. Это незначительное отклонение связано с уменьшением падения напряжения на переходе, и в реальности никто не будет рассчитывать и подгонять номиналы элементов с такой точностью. Поэтому оставляем как есть.

Какие выводы мы можем сделать на текущий момент?

1. Нельзя подавать напряжение на базу без токоограничивающего резистора.
2. Ток базы нелинейно растёт с увеличением напряжения.
3. Ток эмиттера равняется сумме токов базы и коллектора.
4. Ток коллектора больше, чем ток базы в «коэффициент усиления» раз.

Как всё это выглядело бы на практике? На практике по подобной схеме подключается нагрузка к микроконтроллерам, ниже вы видите схему подключения лампы из брошюры по ардуино – популярной платформе среди любителей цифровой электроники.

И напряжение логической единицы у ардуино 5 вольт, давайте попробуем подобрать резистор ограничивающий ток базы под это напряжение.

R базы=(U п-U бэ)/I б=(5-0,77)/0,0083=509 Ом

И в программе для моделирования изменим резистор в схеме на 509 Ом, а напряжение сигнала на базе увеличим до 5 вольт.

Результаты «как в аптеке», ток базы ровно 8,3 мА, лампа горит с номинальной мощностью. Но в жизни резисторов на 509 Ом не бывает – ближайший в ряду Е24 на 510 Ом. Если мы заменим на этот резистор, то ситуация особо не изменится, всё и дальше будет нормально работать, но если так случилось, что резистор у нас и ряда Е12 и ближайшие к нему — 470 и 560 Ом.

Попробуем заменить резистор базы на 560 Ом, посмотрим, что из этого выйдет.

Ток базы снизился до 7,6 мА, соответственно транзистор прикрылся, и ток коллектора снизился до 0,76 А. Следовательно напряжение на лампе снизилось до 10,2 В, а на транзисторе увеличилось, до 1,8 В, так как он немного закрылся и ограничивает ток через лампу. Соответственно на нём выделяется мощность в виде тепла и он греется. В ключевом режиме это очень плохо, скорее даже недопустимо.

Соответственно такой резистор нам не подходит, возьмём другой имеющийся — на 470 Ом.

Видим, что ток базы немного превышает расчётный, ток коллектора соответствует номинальному току лампы, и в целом всё хорошо и в порядке. А что у нас произойдёт, если мы увеличим напряжение питания схемы? Допустим, вместо 12 вольт у нас окажется 15 или даже 20.

Когда напряжение подняли до 15 В, ток коллектора немного вырос, а напряжение на лампе достигло 13,6 вольт, что больше её номинального. При этом падение на транзисторе стало 1,33 В.

Когда напряжение подняли до 20 В, ток не измелился, как и напряжение на лампе, зато падение на коллекторе-эмиттере транзистора выросло до 6.34 В. То есть транзистор прикрылся и ограничил ток через лампу. Почему?

Помните, в начале статьи было сказано, что ток коллектора зависит от тока базы — I к=I б×H 21э? Ток базы у нас не изменился, ведь она питается от выхода микроконтроллера, стабильным напряжением 5В и ограничен резистором на 470 Ом.

По этой же причине напряжения питания с 12 до 15 вольт ток коллектора у нас вырос до 900 мА (коэффициент усиления равен 100, а 9 мА в базу умножить 100 равно 900 мА).

То есть при фиксированном токе базы, транзистор будет поддерживать заданный ток нагрузки при изменении питающего напряжения.

Хорошо это или плохо? Безусловно, тот факт, что транзистор поддерживает заданный ток положительно сказывается на состоянии подключённой нагрузке, но увеличившемуся напряжению нужно куда-то деваться! Так у нас на транзисторе выросло напряжение U кэ до 6,34 В, и через него протекает ток силой 0.9А, соответственно на транзисторе будет выделяться мощность в виде тепла:

P потерь =U ×I =6,34×0,9=5,7 Вт

На практике транзистор, у которого напряжение U кэ в рабочем режиме больше, чем напряжение насыщения (U кэнас) начнёт сильнее греться, так как рассеиваемая им мощность в тепло увеличится, чем когда он находится в насыщении и на нём падает маленькое напряжение (от долей вольта до пары вольт). И если мощность, рассеиваемая на транзисторе, превысит допустимую, то он выйдет из строя. У каждого транзистора такая мощность указывается в даташите.

Но что если у нас нет никакого микроконтроллера, и транзистор должен включать нагрузку при нажатии какой-то маломощной кнопки, или при замыкании какого-то маломощного контакта, например, геркона? На типовых схемах включения транзистора указаны два разных источника питания для цепи коллектор-эмиттер и для цепи база-эмиттер.

Но на практике, часто цепь управления транзистора и цепь нагрузки питаются от одного и того же источника. Даже и при использовании микроконтроллера часто он питается от того же источника, что и нагрузка, пусть и через индивидуальный стабилизатор. Как же быть?

В этом случае напряжение базы подаётся от этого источника через сопротивление, приведём пример этой схемы. Расчищаем сопротивление по приведённой выше формуле.

R базы=(U п-U бэ)/I б=(12-0,77)/0,0083=1353 Ом

Эта примитивная схема может дополняться дополнительными элементами, например RC -цепочкой параллельно транзистору, цепи для стабилизации параметров и прочее. Целью этой статьи было показать общие принципы управления нагрузкой с помощью транзистора, и в целом рассмотренное поможет понять принцип работы транзисторов, в различной бытовой электронике.

Нельзя не отметить, что когда управляющий контакт разомкнут база транзистора «висит» в воздухе, может улавливать какие-то помехи, и самопроизвольно открывать транзистор. Чтобы этого избежать, нужно сделать так, чтобы напряжение база-эмиттер в выключенном состоянии было равно нулю. Но если мы просто замкнём базу с минусом питания и эмиттером, то транзистор совсем не будет открываться. Собственно, это и логично, ведь переход база-эмиттер будет зашунтирован. Поэтому между ними подключают резистор, сопротивление которого обычно в 10 раз больше, чем у резистора базы, на практике ставят резистор сопротивлением 5-10 кОм.

Ну а теперь, предлагаю подвести итоги и сделать выводы.

Выводы

Сегодня мы увидели, как работает транзистор в режиме ключа, и как он усиливает ток. В обоих случаях, и от микроконтроллера, и через управляющий контакт мы подавали на базу ток всего лишь около 9 миллиампер, а через нагрузку протекал ток силой в 830 миллиампер. Кроме этого мы убедились, что ток базы зависит от напряжения нелинейно, поэтому его нужно ограничивать с помощью резистора. Так как сопротивление транзистора в режиме насыщения крайне мало, нельзя выключать его без нагрузки в цепи коллектора — сгорит.

Моделирование цепи мы выполняли в бесплатной программе circuit .JS . Она очень проста в освоении, и в ходе написания статьи я работал в ней впервые. С помощью этой программы можно посмотреть, как ведёт себя тот или иной элемент в различных включениях, а также промоделировать простые схемы для проверки перед сборкой. Если вам интересна электроника — крайне рекомендую ознакомиться с этой программой. Она значительно проще «профессиональных» конкурентов, но при этом значительно более функциональная других бесплатных аналогов.

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H_fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V_c. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V_ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V_ce= V_c – 0 = V_c. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки R_L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения R_b: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R_b может быть рассчитано по следующей формуле:

где V₁ является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V₁ = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R_b известно, транзистор “настроен” на работу в качестве переключателя, что также называется “режим насыщения и отсечки “, где “насыщение” – когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а “отсечение” – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

H_FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V_CEsat. Но V_CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е.  наименьший H_FE, крупнейший V_CEsat и V_CEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ  построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение V_CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V_CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Оригинал статьи

Теги: