Биполярный транзистор. Работа в режиме усиления. Часть 1. Pnp транзистор в ключевом режиме

Биполярный транзистор. Работа в режиме усиления. Часть 1

В прошлых статьях про транзисторы мы касались такого понятия, как «усиление сигнала». Так как многие из вас не читали или подзабыли что значит это словосочетание, давайте припомним.

Усилить сигнал — это значит создать его копию, которая будет либо больше, чем этот сигнал, либо мощнее.

Давайте рассмотрим на примере человека. Как же его усилить? Здесь я вижу два варианта:

Увеличить человека в размерах

Либо усилить его с помощью экзоскелета:

Тут уже даже и ежу понятно, что мощности каждого из этих персонажей хватит для того, чтобы размотать целую роту вояк в рукопашном бою. В первом случае их проще будет давить либо пяточкой, а если попадется воспитанный великан с хорошими манерами — то пальчиками :-). Во втором случае, с экзоскелетом — хуком справа и слева.

Значит, для того, чтобы сделать сигнал мощнее, мы должны либо увеличить его амплитуду, либо увеличить его…Хм… Зачем наш Тони Старк сделал себе костюм? Чтобы он защищал его тело, то есть чтобы оказывать сопротивление ударам, пулям и тд. Какая-бы пулька или удар не влетали в него, он бы стоял колом (разумеется в разумных пределах) То есть его экзоскелет защищает его от разного рода сопротивления.

Получается, для нашего сигнала какое бы сопротивление он не встретил на своем пути, он будет таким же «бодрым и энергичным», каким был и до встречи с нагрузкой. Если Тони Старк брал энергию из своей фиговины на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника 😉 Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.

Увеличивая амплитуду сигнала, мы меняем его напряжение, а делая сигнал «неуязвимым», мы добавляем ему силу. Силу тока. Поэтому, увеличивая или напряжение, или силу тока, либо сразу два этих параметра, мы сделаем сигнал мощнее.

Для тех, кто позабыл:

P=IxU

где

P — это мощность, измеряется в Ваттах

I — сила тока, в Амперах

U — напряжение, в Вольтах

ну и значок «х» — это знак умножения (мало ли)

В своих электронных разработках вы должны точно решить для себя, что именно собираетесь делать с сигналом:

— увеличить его амплитуду напряжения, при этом силу тока оставить неизменной

— оставить амплитуду напряжение такой же, но прибавить мощности с помощью силы тока

— увеличить и напряжение и силу тока

В основном применяют усиление сразу по обоим параметрам. Поэтому в электронике чаще всего используется схема с ОЭ (Общим Эмиттером), которая увеличивает сигнал и по силе тока, и по напряжению одновременно.

Для транзистора PNP проводимости подключение транзистора с ОЭ выглядит так:

А для NPN транзистора вот так:

Но вы также должны иметь ввиду, что в электронике нам не просто надо усилить сигнал, а усилить его правильно, чтобы он не потерял свой первозданный вид. Мощная копия сигнала должна пропорционально усиливаться по амплитуде. По времени мы не должны ее трогать, иначе изменится частота сигнала. Но тогда это уже будет совсем другой сигнал.

На рисунке ниже мы можем увидеть входной слабенький сигнал, а на выходе усиленный сигнал после транзисторного каскада.

Как мы видим, сигнал по амплитуде изменился линейно и пропорционально, но период сигнала не изменился. То есть T1=T2. Это пример идеального усилителя.

Итак, как же это все реализовать?

Усилители в электронике в большинстве случаев усиливают именно напряжение. То есть на вход загоняем какой-либо маленький сигнал напряжения, а на выходе мы должны уже получить точную копию сигнала, но бОльшего напряжения. Но как это сделать с практической точки зрения?

А почему бы нам не использовать делитель напряжения, у которого один резистор будет постоянным, а другой — переменным:

Что будет, если мы на переменном резисторе будем менять сопротивление? Правильно! Будем меняться напряжение на выходе U. А теперь представьте, что мы не ручками меняли бы сопротивление, а за нас это бы делало напряжение? Чем больше меняем напряжение, тем больше меняется сопротивление. То есть сопротивление переменного резистора менялось бы прямо пропорционально напряжению. Было бы круто, так ведь?

Помните, как в одной из статей мы сравнивали транзистор с краником? Открываем чуток — напор воды слабый, открываем больше — сильнее. Открываем полностью — вода бежит полным потоком

В биполярном транзисторе происходят похожие процессы. Меняя значение напряжения на базе, а следовательно силу тока в цепи база-эмиттер, мы тем самым меняем сопротивление между коллектором и эмиттером 😉 Следовательно, наша схема из такого вида:

примет вот такой вид

Выглядеть должно все приблизительно так, но не совсем так… и далее вы поймете почему.

Итак, для того, чтобы все это показать нам понадобится:

1) Генератор частоты. Он у меня китайского происхождения.

2) Двухканальный цифровой осциллограф OWON

3) Блок питания постоянного напряжения

А также мелочевка… Транзистор и резистор. Собираем все это дело вот по такой схеме:

Осциллограммы будем снимать с красной и желтой точек на схеме.

Загоняю на базу сигнал с частотой в 1 КилоГерц и амплитудой в 1 Вольт. Смотрим, что у нас получилось:

На осциллограмме, снятой с желтой точки, мы видим только шумы.

Ладно, ставлю амплитуду в 2 Вольта:

Ничего не изменилось…

И только тогда, когда уже амплитуда стала больше, чем 2 Вольта, на желтой осциллограмме появился уже какой-то периодический сигнал

С увеличением амплитуды его импульсы просто стали шире.

Итак, теперь обо все по порядку:

Первый косяк этой схемы в том, что мы не учли напряжение для открытия транзистора. Оно, как вы помните, составляет 0,6-0,7 Вольт.

Второй косяк. Для того, чтобы транзистор усиливал, мы его должны вогнать в активный режим. Это промежуточный режим между режимом насыщения и режимом отсечки транзистора.

Режим отсечки — это когда транзистор полностью закрытый, то есть нет напряжения смещения на базе-эмиттере 0,6-0,7. Вольт. В этом случае у нас сопротивление между коллектором и эмиттером очень большое.

Режим насыщения — это когда транзистор полностью открытый. В этом режиме смещение на базе-эмиттере более, чем 0,6-0,7 Вольт и сопротивление между коллектором и эмиттером равняется почти нулю.

В режиме отсечки и насыщения работает транзисторный ключ.

В активном режиме напряжение смещения более, чем 0,6-0,7 Вольт, но у нас сопротивление между коллектором и эмиттером не равняется ни нулю, ни бесконечности. В этом режиме мы можем регулировать сопротивление с помощью силы тока, проходящего между базой и эмиттером. А чтобы регулировать эту силу тока , мы можем подавать большее или меньшее напряжение на базу.

Если все объяснить заумной фразой получается так: небольшое изменение силы тока в цепи базы-эмиттер приводит к пропорциональному изменению силы тока в цепи коллектор-эмиттер. Коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается сила тока коллектор-эмиттер от силы тока базы-эмиттер называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Этот коэффициент часто называют h31э или просто β.

Думаю, большинство из вас сидело за рулем авто. Может быть, вы когда-нибудь даже пользовались педалькой газа)

Допустим, мы поставили первую скорость и решили проехаться по трассе. Топим педальку в пол и едем на всей первой скорости, не переключая коробку скоростей. По аналогии с транзистором — это и есть режим насыщения.

Вообще убираем ногу от педальки — машина встает колом. Это режим отсечки (о понятии отсечки в самом авто мы с вами сейчас не говорим). В этом режиме мы вообще не касаемся педальки.

Ну а в активном режиме мы нажимаем педальку с такой силой, которая нам нужна 😉 В этом режиме мы сами регулируем скорость. Хотим — едем быстрее, а хотим медленнее 😉 То есть мы управляем автомобилем между режимами отсечки и насыщения.

Именно в этом режиме работает транзистор в режиме усиления сигналов.

Честно говоря, усилитель на биполярном транзисторе — тот еще геморрой.

Во-первых, он управляется силой тока, а не напряжением.

Во-вторых, мы должны обязательно предусмотреть напряжение смещения.

В-третьих, схема каскада усилителя на биполярном транзисторе получается довольно таки громоздкая

В-четвертых, даже тогда, когда мы не подаем сигнал на такой транзисторный каскад, то схема все равно жрет ток.

Как тогда должны выглядеть схема, чтобы мы могли из слабого сигнала получать усиленную копию?

Придется учесть все замечания и построить каскад с нуля, что мы и сделаем в следующей статье…

Продолжение——->

<——-Предыдущая статья

www.ruselectronic.com

Биполярный транзистор. PNP и NPN проводимость

Из прошлой статьи мы с вами узнали что такое P-N переход и какими свойствами он обладает. Как вы помните, P-N переход пропускает электрический ток только в одном направлении. В другом направлении блокирует прохождение электрического тока.

На дворе стоял послевоенный 1947 год. Декабрь. Холодно, голодно, жутко… Но только не в лабаратории Bell Labs! Трое ученых: Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, бились над радиоэлементом, который перевернул весь мир с ног на голову! 16 декабря 1947 года можно назвать днем второго рождения электроники! Да, черт побери! В этот день впервые миру был продемонстрирован биполярный транзистор.

Именно биполярный транзистор сотворил революцию в электронике. Обладая усилительными свойствами (мы об этом еще с вами поговорим), он заменил собой электронные лампы, что сделало электронику намного надежнее, мобильнее и компактнее. Без такого изобретения, как транзистор, мы с вами до сих пор бы жили без компьютеров, мобильных телефонов, планшетов и другой различной электронной мелочевки.

Ладно, не буду вас больше томить. Приступаем к изучению биполярника!

Помните, о чем мы беседовали в прошлых статьях? Да-да, о полупроводниках P и N типа, а также об их совместном воздействии, и в итоге у нас получался радиоэлемент диод.

А почему бы нам не добавить еще один полупроводник с такой же проводимостью, как слева? Сказано — сделано! Ну что ж, прошу любить и жаловать! Получился БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР!

Если читать слева-направо или справа-налево, из каких полупроводников он состоит, то можно узнать какой он проводимости. Значит, транзистор на рисуночке выше у нас проводимости P-N-P, или, как у нас говорят, прямой проводимости.

А вот у этого транзистора проводимость N-P-N или обратная проводимость.

Проводочек со среднего полупроводникового материала называется базой, ну а по краям эммитер и коллектор. Откуда такие названия? Так как транзистор придумали англомены, то и названия они дали соответствующие:

Эммитер — на буржуйском Emmiter — источник, излучатель, генератор. То есть вывод, на который что-то подается. В данном случае электрический ток.

База — Base — основа. Короче, самый главный вывод. Работу базы мы разберем в следующих статьях.

Коллектор — Collector — сборщик, собиратель, токоприемник. Он типа как «собирает» электрический ток.

Ну что, тяжко? )) Как же на схемах обозначаются биполярные транзисторы? Мы разобрали, что существуют транзисторы прямой и обратной проводимости, значит и на схемах они будут обозначатся совсем по-другому.

Схемотехническое обозначение P-N-P транзистора, то есть транзистора прямой проводимости

будет выглядеть вот так:

А схемотехническое обозначение транзистора обратной проводимости или N-P-N транзистора

будет выглядеть вот так:

В старинных советских схемах транзисторы еще обозначались буквой T, в современных схемах они уже обозначаются буквами VT. Как нетрудно догадаться, вывод со стрелочкой — это эммитер.

Как не путаться в проводимостях транзистора и в их схемотехнических изображениях? Тут все просто. Как вы помните, в полупроводнике P-типа у нас очень много дырок, а дырки обладают положительным зарядом, то есть они со знаком «плюс». Полупроводник N-типа содержит большое количество электронов, а электроны — это отрицательные частицы со знаком «минус». Как вы помните, электрический ток течет от «плюса» к «минусу». Стрелка эммитера показывает направление движения электрического тока ;-). То есть, если у нас база состоит из полупроводника P-типа, то значит ток течет от базы, следовательно, стрелка эммитера направлена от базы, если же база из N-полупроводника, то стрелка эммитера направлена в базу. Все просто как трижды три))).

Как же в реале выглядят транзисторы? Уууу…. тут фантазиям разработчиков нет предела. Ниже фоты самых распространненых корпусов транзисторов:

Но! Имейте ввиду! Если вам попался радиоэлемент в таком корпусе — это не обязательно транзистор! Это может быть и тиристор, и диодная сборка или даже Трехвыводный стабилизатор напряжен ия, или вообще что угодно. Как же тогда распознать транзистор? Об этом мы с вами поговорим в следующей статье…

Продолжение ——->

<——-Предыдущая статья

www.ruselectronic.com

В чем разница между NPN и PNP транзисторами? » Портал инженера

Существует два основных типа транзисторов – биполярные и полевые. Биполярные транзисторы изготавливаются из легированных материалов и могут быть двух типов – NPN и PNP. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы (активном, насыщении, отсечки) коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора.

Физика полупроводников в этой статье обсуждаться не будет, однако, стоит упомянуть, что биполярный транзистор состоит из трех отдельных частей, разделенных двумя p-n переходами. Транзистор PNP имеет одну N область, разделенную двумя P областями:

Транзистор NPN имеет одну P область, заключенную между двумя N областями:

Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода. Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:

Отсечка: работа в этом режиме тоже происходит при переключении. Между эмиттером и коллектором ток не протекает, практически «обрыв цепи», то еесть «контакт разомкнут».
Активный режим: транзистор работает в схемах усилителей. В данном режиме его характеристика практически линейна. Между эмиттером и коллектором протекает ток, величина которого зависит от значения напряжения смещения (управления) между эмиттером и базой.
Насыщение: работает при переключении. Между эмиттером и коллектором происходит практически «короткое замыкание» , то есть «контакт замкнут».
Инверсный активный режим: как и в активном, ток транзистора пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Используется очень редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течет от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

PNP и NPN работают почти одинаково, но их режимы отличаются из-за полярностей. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, UБ должно быть выше, чем UК и UЭ. Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Принцип работы NPN и PNP транзисторов один и тот же. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор.

Источник: https://elenergi.ru

Обсудить на форуме

ingeneryi.info

Информация

Биполярный транзистор — трёхвыводный полупроводниковый прибор. Каджый вывод подключен к своему слою полупроводника.

Ключевой режим работы транзистора

В автомобильной электронике это самый распространённый режим работы транзистора. В этом режиме транзисторы управляют исполнительными механизмами. Схема включения транзистора в ключевом режиме транзистора n-p-n структуры показана на рисунке

База транзистора - вход. Эмиттер - источник земли. Коллектор - выход.

Если на базу не подавать никакого напряжения, то сопротивление между выводами эмиттер-коллектор будет очень высоким. То есть ключ будет разомкнут.

Если на базу подать напряжение, то через переход база-эмиттер потечёт ток, создавая ток базы. Этот ток базы насыщает переход и сопротивление между выводами коллектор-эмиттер резко падает. Тоесть ключ открывается.

Переход база-эмиттер ведёт себя как обычный диод. Это означает что какое бы напряжение мы не подавали на базу, на базе напряжение будет всегда 0,6 вольта. По этому если мы подадим на базу 12 вольт и не ограничим ток, то наш транзистор сгорит. Для ограничения тока базы в базу ставят последовательно сопротивление. Номинал этого сопротивления будет задавать значение тока текущего через базу. Слишком большой ток будет зря нагревать транзистор, слишком маленький не позволит транзистору пропустить через выводы коллектор-эмиттер нужный ток.

Какой ток базы должен быть?

Биполярный транзистор это токовый прибор и он имеет параметр коэффициент усиления по току. Этот параметр показывает во сколько раз транзистор сможет пропустить ток через выводы коллектор-эмиттер по отношению к току базы. Тоесть при коэффициенте усиления 100, чтобы транзистор пропустил через коллектор-эмиттер ток в 100ма. Нужно чтобы через базу протекал ток минимум 100ма/100 = 1ма. При токе меньшем 1 ма, транзистор не откроется, при большем токе будет бесполезный нагрев. При превышении максимально допустимого тока базы, транзистор сгорит.

Примечание:Ток базы всегда выбирается больше чем нужно (с запасом), так как коэффициент усиления по току зависит от температуры. И если мы хотим чтобы наш ключ работал во всём диапазоне температур, мы должны учесть уменьшение этого коэффициента.

Ещё одна полезная особенность транзистора, это то, что напряжение на коллекторе может быть выше чем на базе. Оно ограничивается только характеристиками самого транзистора.

Повторим основные характеристики транзистора которые нам нужны

Коэффициент усиления по току
Максимально допустимый ток коллектор-эмиттер
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер.

По этим характеристикам вы можете подобрать замену если вы знаете название заменяемого транзистора и знаете его характеристики. Все три параметра должны быть такими же или больше. Больший ток, Большее напряжение и больший коэффициент усиления по току. Обратите внимание чтобы тип биполярного транзистора (pnp или npn или Дарлингтона) был таким же.

Пример расчета схемы

Исходные данные.

Нам нужно управлять автомобильной лампочкой. Напряжение лампочки 12 Вольт, ток потребления 200ма.

Управляем мы ключом от микропроцессора у которого выход 5 вольт.

Выбираем транзистор по максимальному напряжению коллетор-эмиттер
Транзистор должен иметь максимальный ток коллектор-эмиттер более чем 200ма.
Расчитываем ток базы.
Расчитываем токоограничивающий резистор, не забывая, что напряжение будет на 0,6 вольта ниже.

Примечание:Если базу транзистора никуда не подключить, то он будет закрыт, но в реальных условиях существуют наводки напряжения. И в базе может появиться ток, хотя напряжение на базу никто не подавал, и транзистор может открыться. Для исключения этого, между землёй и базой транзистора ставят сопротивление. Его выбирают большим, чтобы оно не отбирало от базы ток, и в тоже время наводка напряжения которая появляется уходит мимо базы в землю.

Как правильно подобрать замену транзистора для ключа если неизвестен его тип?

Выбираем транзистор по максимальному напряжению коллектор-эмиттер
Транзистор должен иметь максимальный ток коллектор-эмиттер более чем 200ма.
Определяем ток базы по напряжению подаваемому на базу и резистору который установлен в плате.
Вычисляем

quantexlab.ru

20. Принцип работы биполярного транзистора. 21. Npn- и pnp-транзистор.

Разрез биполярного транзистора (bipolar junction transistor, или BJT) схематически показан на рисунке слева вверху. Он образуется двумя P-N переходами, соединенными встречно. В данном случае очень тонкая внутренняя область, называемая базой, имеет р-проводимость, а весь транзистор имеет структуру n-p-n (существуют также транзисторы p-n-p). К правому переходу прикладывается внешнее положительное напряжение, повышающее его потенциальный барьер, как показано на рисунке слева внизу. Тогда при понижении потенциального барьера левого перехода отрицательным внешним напряжением электроны пойдут в базу, но в силу ее очень малой толщины тут же достигнут правого перехода и будут подхвачены положительным напряжением правой области, переходя в нее. Следуя этому поведению электронов, левая область называется эмиттером, а правая – коллектором. То же самое будет и для дырок в p-n-p транзисторе.

Очень небольшая часть электронов, перешедших в базу соединится с дырками и взаимоуничтожится (рекомбинирует), эти носители образуют электрический ток базы. Основной ток пойдет в коллектор. Наиболее распространенная схема усиления с общим эмиттером приведена в центре рисунка. Она аналогична схеме включения лампового триода на рис.7, при этом коллектор похож на анод, а эмиттер на катод. Однако существует довольно существенное отличие: в лампах работают без тока сетки, тогда как в транзисторе принципиально должен быть ток базы. Это означает, что транзистор по этой схеме имеет сравнительно с лампой низкое входное сопротивление. Приведенный справа внизу на рисунке эмиттерный повторитель аналогичен катодному повторителю. Его усиление по напряжению примерно равно 1 (нет усиления), однако входные токи базы значительно меньше, то есть входное сопротивление выше, чем в усилителе с общим эмиттером. Усилительные свойства транзистора характеризуются статическим коэффициентом передачи тока h 21Э , приводимым в справочниках для схемы с общим эмиттером. Этот коэффициент дается для определенного режима по постоянному току (напряжение между коллектором и эмиттером, ток коллектора или эмиттера) и показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы (иначе, коэффициент усиления по току β).

22. Классы работы усилителя.

Выбор рабочей точки усилителя определяет класс работы усилителя, изображенный на рисунке. Класс А предполагает работу всего сигнала в пределах линейной области и обеспечивает самые малые искажения сигнала, однако при низком к.п.д. Например, на приведенной схеме в резисторе нагрузки теряется по постоянному току значительная мощность при большой постоянной составляющей тока. Снизив постоянную составляющую тока в рабочей точке до нуля, получаем класс В. С целью дальнейшего уменьшения потерь мощности по постоянному току в коллекторном резисторе прибегают к комплементарной паре транзисторов (n-p-n и p-n-p), включенных последовательно, как показано на рисунке справа . Каждый из транзисторов пары работает в одном полупериоде синусоиды сигнала, как показано в центе рисунка, во втором полупериоде он закрыт. Однако на практике трудно настроить усилитель, чтобы на выходе оба полупериода точно стыковались, на рисунке эта нестыковка преувеличена, что приведет к искажениям сигнала. По этой причине используется промежуточный класс АВ.

studfiles.net