+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Установка режимов работы транзисторов

Для хорошей работы устройства, собранного на транзисторах, необходимо чтобы на их электроды было подано определенной величины и полярности постоянное напряжение. Примерные значения напряжений подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости (p-n-p) приведен на рис. 1, а обратной (n-p-n) проводимости — на рис. 2.

При этом надо также придерживаться нескольких правил:

  •  Рабочие напряжения, токи и мощности рассеивания применяемых транзисторов должны быть меньше предельных значений.
  • Нельзя подавать напряжение на транзистор, если у него отключена база.
  • Базовый вывод следует подключать в схему в первую очередь и отключать в последнюю.

В современных конструкциях радиолюбителей широко используются полевые транзисторы. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с каналом типа р и с каналом типа п даны на рис. 3.

Рис. 1. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости p-n-p.

 

Рис. 2. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов обратной проводимости n-p-n.

 

Рис. 3. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с к&налом типа рис каналом типа А.

При налаживании радиоприемников и других радиоэлектронных конструкций в первую очередь нужно замерить потребляемый ток в режиме покоя. Если его значение близко к требуемому, то тогда переходят к установлению необходимых токов коллекторов транзисторов. На. схемах место установки тока показывают крестиком («х»), а резистор, которым это делают — звездочкой («*»). Опыт показывает, что для транзисторов безопаснее измерять напряжение, а не ток. В большинстве схем эти величины взаимосвязаны. Достаточно знать одну из величин, а другую можно определить расчетным путем.

Настройку устройства производят по каскадам. В каскадах транзисторных устройств в основном используется три основных способа подачи напряжения смещения к базе транзистора.

Рассмотрим работу транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима (рис. 4). При отсутствии входного сигнала начальные напряжения на электродах транзисторов следующие:

 

Рис. 4. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима.

В приведенных формулах напряжения смещения Uбэ для германиевых и кремниевых транзисторов должны иметь значения в соответствии с рис. 1, 2. Из этих выражений видно, что от величины сопротивления резистора Rб зависит величина напряжения смещения Uбэ, а следовательно, и начальное положение рабочей точки на характеристике транзистора.

На хорошую работу такого каскада большое влияние имеет точность, с какой для данного транзистора, имеющего коэффициент усиления по току р, подобраны сопротивления резисторов Rб и Rк. Работу каскада при этом можно проконтролировать по напряжению на резисторе Rк или по напряжению между коллектором и эмиттером транзистора. Зная Un и β, можно вычислить величину управляющего тока коллектора транзистора по формуле:

Если величина сопротивления резистора Rк = 500. ..600 Ом, то напряжение на нем удобнее определить, как разницу между питающим напряжением и напряжением коллектор — эмиттер. Для маломощных низкочастотных и высокочастотных транзисторов напряжение коллек-тор-эмиттер принимают 2…2,5 В, а ток коллектора — 0,5 мА. Транзисторы МП39…МП41 имеют максимальное усиление по току, когда ток коллектора 1…2 мА.

У транзисторов П401…П403, П416 и т.п. усиление растет с ростом тока коллектора до 5…8 мА. От напряжения на коллекторе усиление по току существенно не зависит, при его повышении улучшается устойчивость высокочастотных каскадов. При замене в рассматриваемом каскаде транзистора с одним значение β на транзистор с отличным значением β, приходится снова подбирать значения Rб и Rк. На усиление транзистора с такой простой схемой смещения оказывает влияние помимо разброса параметров транзисторов еще и изменение температуры окружающей среды.

Более стабилен в работе каскад, имеющий термостабилизацию по схеме, представленной на рис. 5. В этом случае к напряжению, измеренному между коллектором и плюсом питания, добавляется напряжение на резисторе R3, которое составляет приблизительно 1 В.

Если считать, что напряжение между коллектором и эмиттером может быть снижено до 1,5 В, так как каскад стабилизирован, то общее напряжение между коллектором и «землей», как и первом случае, должно быть не менее 2,5 В. Указанные режимы являются ориентировочными, средними в случае работоспособных транзисторов. В каскадах, где режимы отличаются от рекомендованных на 20…30%, подстраивание их режимов на первой стадии налаживания можно не проводить.

Установку режима работы транзистора можно производить резистором Rб1, который соединен с базой транзистора. Для увеличения тока коллектора необходимо сопротивление резистора Rб1 уменьшить, а для уменьшения, наоборот, увеличить. Для удобства настройки каскада резистор Rб1 составляют из двух резисторов: одного переменного и одного постоянного с сопротивлением 10…30кОм.

Изменяя сопротивление переменного резистора, добиваются необходимого тока коллектора.

Омметром измеряют получившееся сопротивление двух резисторов и затем вместо них впаивают один резистор, величина сопротивления которого равна измеренному значению двух сопротивлений.

Ток коллектора в схеме со стабилизацией можно оценить, измерив напряжение на резисторе Rэ. Если разделить величину падения напряжения (в вольтах) на величину Rэ (в килоомах), то получим ток эмиттера в миллиамперах.

Рис. 5. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой с термостабилизацией режима

Ток коллектора меньше тока эмиттера на величину базового тока, а последний не превышает 5% Іэ. Поэтому можно считать, что I = Іб. В каскадах с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы напряжение на коллекторе равняется напряжению источника питания и здесь необходим контроль тока коллектора (рис. 6). Регулировку такого каскада также производят подбором величины сопротивления резистора Rб.

Рис. 6. Принципиальная схема каскада с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы.

Включение в цепи n-p-n и p-n-p транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещением. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой только значением напряжения смещения. У кремниевых оно приблизительно на 0,45 В больше, чем у германиевых.

На рис. 1 и 2 показаны условные графические обозначения биполярных транзисторов той и другой структур, произведенных на основе германия и кремния, а также типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов, обозначенных первыми буквами слов, расшифровываются:

  • Э — эмиттер,
  • Б — база,
  • К — коллектор.

Напряжения смещения показаны относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзисторов показывают относительно общего провода устройства.

В радиоэлектронных устройствах радиолюбители используют также полевые транзисторы, в которых управление током между двумя электродами, образованными направленным движением носителей заряда дырок или электронов, производится электрическим полем, образованным напряжением на электроде. Электроды, между которыми протекает регулируемый ток, носят название исток (И) и сток (С), причем исток есть тот электрод, с которого выходят носители зарядов. Третий, управляющий электрод, называют затвором (3) (см. рис. 3).

Существуют полевые транзисторы с изолированным затвором. Эти транзисторы имеют очень большое входное сопротивление и работают на очень больших частотах. Транзисторы этого типа имеют очень низкую электрическую прочность изолированного затвора. Для его пробоя и выхода из строя достаточно слабого статического электричества, которое всегда присутствует на теле человека, одежде и инструменте.

В связи с этим выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении нужно скручивать вместе голым проводом. При монтаже транзисторов руки и инструмент необходимо «заземлять». Преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными состоит в том, что они имеют высокое входное сопротивление. Это сопротивление на низкой частоте достигает несколько мегаом, а на средних и высоких частотах — несколько десятков или сотен кило-ом в зависимости от серии. Для сравнения, биполярные транзисторы имеют входное сопротивление приблизительно до 1…2 кОм.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Режимы работы транзистора: схемы, стабилизация, формулы, классы

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «начальный режим работы усилителя».

Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (Uкэн, I

кн), где Uкэн и Iкн — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начального режима традиционно и вполне оправданно рассматривают следующие три схемы:

  • с фиксированным током базы;
  • с коллекторной стабилизацией;
  • с эмиттерной стабилизацией.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Схема с фиксированным током базы

(рис. 2.14). На подобных схемах источник напряжения Ек обычно не изображают.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа iк· Rк + uкэ− Ек = 0
Отсюда находим ток коллектора iк: iк= − ( 1 / Rк ) · uкэ+ ( 1 / Rк ) · Ек что соответствует линейной зависимости вида у = а · х + b. Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки (как и для схемы с диодом).

Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

В соответствии со вторым законом Кирхгофа iб · Rб + uбэ − Ек = 0

Отсюда находим ток базы iб:
iб = − uбэ

/ Rб + Ек / Rб

Будем пренебрегать напряжением uбэ так как обычно uбэ << Ек. Тогда iб = Ек / Rб

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток iб задается величинами Ек и Rб (ток «фиксирован»). При этом iк= βст · iб + Íко

Пусть iб = iб2. Тогда HPT займет то положение, которое указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, iб = 0), а самое верхнее положение — точке Z (режим насыщения, iб > iб4).

Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:

  • при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины βст и Íко, что изменяет ток Iкн и положение начальной рабочей точки.
  • для каждого значения βст необходимо подбирать соответствующее значение Rб, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией

(рис. 2.16).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен со входом схемы — базой транзистора с помощью сопротивления Rб.). Рассмотрим ее проявление на следующем примере.

Пусть по каким-либо причинам (например, из-за повышения температуры) ток iк начал увеличиваться. Это приведет к увеличению напряжения u, уменьшению напряжения uкэ и уменьшению тока iб ( iб = uкэ/ Rб), что будет препятствовать значительному увеличению тока iк, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией


В зарубежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток iэ и через это ток iк ( iк = iэ ). С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор Rэ и создают на нем практически постоянное напряжение u. При этом оказывается, что iэ= uRэ/ Rэ= const. Для создания требуемого напряжения uиспользуют делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Сопротивления R1и R2 выбирают настолько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом uR2= Eк · [ R2/ ( R1+ R2)] В соответствии со вторым законом Кирхгофа uRэ= uR2– uб

При воздействии дестабилизирующих факторов величина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина uRэ. На практике обычно напряжение uRэ составляет небольшую долю напряжения Ек.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А.

  1. В режиме «А» ток коллектора всегда больше нуля (iк > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала.
  2. В режиме «В» Iкн = 0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока.
  3. Режим «АВ» является промежуточным между режимами А и В.
  4. В режиме «С» на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода.
  5. Режимом «D» называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

Прибор для проверки транзисторов (бетник)

Вместо пролога.

При сборке или ремонте усилителей звука довольно часто требуется подобрать идентичные по параметрам пары биполярных транзисторов. Китайские цифровые тестеры могут измерить коэффициент передачи тока базы (в народе — коэффициент усиления) биполярного транзистора, но маломощного. Для входных дифференциальных или двухтактных каскадов подойдёт. А как быть с мощными выходными?

Для этих целей в измерительной лаборатории радиолюбителя, занимающегося конструированием или ремонтом усилителей, должен быть прибор для проверки транзисторов. Он должен измерять коэффициент усиления на больших токах, близких к рабочим.

Для справки: коэффициент усиления транзистора «по научному» называется коэффициентом передачи тока базы в цепь эмиттера, обозначается h31э. Раньше назывался «бэта» и обозначался как β, поэтому иногда радиолюбители старой школы прибор для проверки транзисторов называют «бетник».

В Интернете и радиолюбительской литературе можно найти огромное количество вариантов схем прибора для проверки транзисторов. Как довольно простых, так и сложных, рассчитанных на разные режимы или автоматизацию процесса измерений.

Для самостоятельной сборки решено было выбрать схему попроще, чтобы наши читатели без труда могли сделать прибор для проверки транзисторов своими руками. Заметим сразу, что нам как-то чаще приходится иметь дело с усилителями на биполярных транзисторах, поэтому и получившийся в конце концов прибор предназначен для измерения параметров только биполярных транзисторов.

Для справки: раньше главный редактор РадиоГазеты измерения проводил старым дедовским способом: два мультиметра ( в цепь базы и цепь эмиттера) и «многооборотник» для задания тока. Долго, но информативно – можно не просто подобрать транзисторы, но  и снять зависимость h31э от тока коллектора. Довольно быстро пришло осознание бесполезности данного занятия: для наших транзисторов снимать такую зависимость – одно расстройство (настолько они кривые), для импортных – пустая трата времени (все графики есть в даташитах).

Включив паяльник, главный редактор принялся собирать прибор для проверки транзисторов своими руками.

Если ноги плохо пахнут, вспомните, откуда они растут.

Немного погуглив, я нашёл схему прибора для проверки транзисторов, которая растиражирована на довольно приличном количестве сайтов. Простая, портативная… но кроме самого автора её никто не хвалит. Это должно было смутить сразу, но увы.

Итак, исходная схема (с немного упрощенной индикацией и коммутацией):

Увеличение по клику

 

По замыслу автора здесь операционный усилитель совместно с испытуемым транзистором образуют источник стабильного тока. Ток эмиттера в этой схеме постоянный и определяется величиной эмиттерного резистора. Зная этот ток, нам остаётся только измерить ток базы, а затем путём деления одного на другое получить значение h31э. (в авторском варианте шкала измерительной головки сразу градуировалась в значениях h31э).

Два биполярных транзистора на выходе ОУ служат для увеличения нагрузочной способности микросхемы при измерении на больших токах. Диодный мост включён для того, чтобы исключить необходимость перекоммутации амперметра при переключении с «p-n-p» на «n-p-n» транзисторы. Для повышения точности подбора комплементарных пар биполярных транзисторов требуется отобрать стабилитроны (задающие опорное напряжение) с максимально близкими напряжениями стабилизации.

Меня как-то сразу смутило «не совсем корректное» включение операционного усилителя при однополярном питании. Но макетная плата всё стерпит, поэтому схема была собрана и опробована.

Сразу выявились недостатки. Ток через транзистор сильно зависел от напряжения питания, что ни разу не напоминает генератор стабильного тока. Что там умудрился подбирать автор схемы, питая при этом прибор от аккумулятора, остаётся большой загадкой. По мере разряда аккумулятора «образцовый» ток будет уплывать и довольно заметно. Потом пришлось повозиться в «умощнителем» на выходе ОУ иначе схема неустойчиво работала при измерении транзисторов разной мощности. Потребовалось подобрать значение резистора, а потом я перешёл на более «классический» вариант умощнителя. А двухполярное (правильное) питание ОУ решило проблему с плавающим током.

В итоге схема приобрела вид:

Увеличение по клику

 

Но тут выявился ещё один недостаток – если вы перепутаете проводимость биполярного транзистора (включите на приборе «p-n-p», а подключите транзистор «n-p-n»), а при подборе из большого количества транзисторов вы точно рано или поздно забудете переключить прибор, то выходит из строя один из транзисторов «умощнителя» и придётся заниматься ремонтом прибора. Да и к чему нам сложности с двухполярным питанием, операционник, умощнитель и прочее?

Всё гениальное просто!

Я задался целью сделать что-то попроще и понадёжнее. Идея с источником тока мне понравилась, проводя измерения на фиксированном (заранее известном) токе эмиттера, мы можем сократить необходимое количество измерительных приборов (амперметров).
Тут я вспомнил про свою любимую микросхему TL431. Генератор тока на ней строится всего из 4-х деталей: Учитывая не очень большую нагрузочную способность этой микросхемы (а на радиатор её крепить крайне неудобно), для испытания мощных транзисторов при больших токах воспользуемся идеей господина Дарлингтона:

Теперь загвоздка – ни в одном справочнике нет схемы источника тока на TL431 и транзисторе «p-n-p» структуры. Решить эту проблему помогла идея не менее уважаемого мною господина Шиклаи:

Да, пытливый глаз заметит, что через токозадающий резистор здесь протекают токи обоих транзисторов, что вносит некоторую погрешность в измерения. Но, во-первых, при значениях коэффициента передачи тока базы транзистора Т2 выше 20, погрешность составит менее 5%, что для радиолюбительских целей вполне допустимо (мы не Шаттл к Венере запускаем).

Во-вторых, если мы всё же запускаем Шаттл, и нам требуется высокая точность, эту погрешность легко учесть в расчётах. Ток эмиттера транзистора Т1 практически равен току базы транзистора Т2, а его-то мы и будем измерять. В результате, при расчёте h31э (а это очень удобно выполнять в программе Excel) вместо формулы: h31э=Iэ/Iб  нужно использовать формулу: h31э=Iэ/Iб-1

Для минимизации данной погрешности, а так же для обеспечения нормальной работы микросхемы TL431 в широком диапазоне токов в качестве транзистора Т1 следует отобрать транзистор с максимальным h31э. Так как это маломощный биполярный транзистор, пока не готов наш прибор, можно воспользоваться китайским мультиметром. Мне удалось всего из 5 штук транзисторов КТ3102 найти экземпляр со значением 250.

Так как сегодня в хозяйстве любого радиолюбителя найдётся китайский мультиметр (а то и не один), его-то мы и будем использовать в качестве измерителя базового тока, что позволит нам не городить коммутацию для разных диапазонов базовых токов (у меня мультиметр с автоматическим выбором предела измерений), а заодно исключить из схемы выпрямительный мост – цифровому мультиметру без разницы направление протекающего тока.

Схема имени меня, Шиклаи и Дарлингтона.

Для объединения вышеприведённых схем в одну добавим немного коммутирующих элементов, источник питания и для большей универсальности расширим диапазон эмиттерных токов. В результате получилась вот такая схема прибора для проверки транзисторов:

Увеличение по клику

 

При указанных на схеме номиналах расчетный ток эмиттера обеспечивается уже при +4В питающего напряжения, так что это действительно генератор стабильного тока. Ради эксперимента я пару раз подключал транзисторы не той структуры. Ничего не сгорело! Хотя может быть стоило ток побольше задать?  Скажу честно, испытаний на выносливость этого прибора проведено мало, время покажет, но начало мне нравится.

В принципе, питать прибор можно даже от нестабилизированного источника, так как стабилизация тока в схеме осуществляется в очень широком диапазоне питающих напряжений. Но! Бывают транзисторы (особенно отечественные), у которых коэффициент передачи тока базы сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Чтобы устранить погрешности измерений из-за нестабильной сети, в схеме предусмотрен стабилизированный источник питания. Кстати, именно из-за таких «кривых» транзисторов следует проводить измерения минимум при трёх разных значения тока.

Итак, схема прибора для проверки транзисторов получилась очень простой, что позволяет без проблем собрать этот прибор самостоятельно, своими руками. Прибор позволяет измерять коэффициент передачи тока базы маломощных и мощных биполярных транзисторов «p-n-p» и «n-p-n» структуры путём измерения тока базы при фиксированном токе эмиттера.

Для маломощных биполярных транзисторов выбраны значения тока эмиттера: 2мА, 5мА, 10мА.
Для мощных биполярных транзисторов измерения проводятся при токах эмиттера: 50мА, 100мА, 500мА.
Ни кто не запрещает проверять транзисторы средней мощности при токах 10мА, 50мА, 100мА. В общем, вариантов масса.
Значения эмиттерных токов можно изменить на своё усмотрение путём пересчёта соответствующего токозадающего резистора по формуле:

R= Uо/Iэ ,

где Uо — опорное напряжение TL431  (2,5В), Iэ — требуемый ток эмиттера испытуемого транзистора.

ВНИМАНИЕ: В природе встречаются микросхемы TL431 с опорным напряжением 1,2В (не помню как отличается маркировка). В этом случае значения всех токозадающих резисторов, указанных на схеме, необходимо пересчитать!

Конструкция и детали.

Из-за простоты устройства печатная плата не разрабатывалась, все элементы распаиваются на выводах переключателей и разъёмов. Всю конструкцию можно собрать в корпусе небольшого размера, всё будет зависеть от габаритов применённого трансформатора и переключателей.

При испытании мощных биполярных транзисторов на больших токах (100мА и 500мА) их необходимо закрепить на радиаторе! Если пластинчатый радиатор смонтировать на одной из стенок прибора или сам радиатор использовать в качестве стенки прибора, то это сделает пользование устройством более удобным. Радиатор, который всегда с собой! Это существенно ускорит процесс испытания мощных транзисторов в корпусах ТО220, ТО126, ТОР3, ТО247 и аналогичных.

Микросхему стабилизатора блока питания также необходимо установить на небольшой радиатор. Диодный мост подойдёт любой на ток 1А и выше. В качестве трансформатора можно использовать подходящий малогабаритный, мощностью от 10Вт с напряжением вторичной обмотки 10-14В.

Опционально: в приборе для проверки транзисторов предусмотрены гнёзда для подключения второго мультиметра (включенного в режим измерения постоянного напряжения на предел 2-3В). Подсмотрел эту идею на одном из форумов. Это позволяет измерить Uбэ транзистора (при необходимости вычислить крутизну). Данная функция очень удобна при подборе биполярных транзисторов одной структуры для ПАРАЛЛЕЛЬНОГО включения в одном плече выходного каскада усилителя. Если при одном и том же токе напряжения Uэб отличаются не более чем на 60мВ, то такие транзисторы можно включать параллельно БЕЗ эмиттерных токовыравнивающих резисторов. Теперь вы понимаете, почему усилители фирмы Accuphase, где в выходном каскаде в каждом плече включено параллельно до 16 транзисторов, стоят таких денег?

Перечень используемых элементов:

Резисторы:
R3 — 820 Ом, 0,25Вт,
R4 — 1к2, 0,25Вт,
R5 — 510 Ом, 0,25 Вт,
R6 — 260 Ом, 0,25Вт
R7 — 5,1 Ом, 5Вт (лучше больше),
R8 — 26 Ом, 1 Вт,
R9 — 51 Ом, 0,5Вт,
R10 — 1к8, 0,25 Вт.

Конденсаторы:

С1 — 100nF, 63V,
C2 — 1000uF, 35V,
C3 — 470uF, 25V

Коммутация:

S1 — переключатель типа П2К или галетный на три положения с двумя группами контактов на замыкание,
S2 — переключатель типа П2К, тумблер или галетный с одной группой контактов на переключение,
S3 — переключатель типа П2К или галетный на два положения с четырьмя группами контактов на переключение,
S4 — кнопка без фиксации,
S5 — сетевой выключатель

Активные элементы:

T3 — транзистор типа КТ3102 или любой маломощный n-p-n типа с высоким коэффициентом усиления,
D3 — TL431,
VR1 — интегральный стабилизатор 7812 (КР142ЕН8Б),
LED1 — светодиод зелёного цвета,
BR1 — диодный мост на ток 1А.

Разное:

Tr1 — трансформатор мощностью от 10Вт, с напряжением вторичной обмотки 10-14В,
F1 — предохранитель на 100mA…250mA,
клеммы (подходящие доступные) для подключения измерительных приборов и испытуемого транзистора.

Работа с прибором для проверки транзисторов.

1. Подключаем к прибору мультиметр, включенный в режим измерения тока. Если нет режима «авто», то выбираем предел в соответствии с типом проверяемых транзисторов. Для маломощных  — микроамперы, для мощных биполярных транзисторов — миллиамперы. Если вы не уверены в выборе режима, поставьте сначала миллиамперы, если показания будут низкие, переключите прибор на меньший предел.

2. Если есть необходимость подобрать транзисторы с одинаковым Uбэ, подключаем к соответствующим гнёздам прибора второй мультиметр в режиме измерения напряжения на предел 2-3В.

3. Подключаем прибор к сети и нажимаем кнопку «Вкл» (S5).

4. Переключателем S3 выбираем структуру испытуемого транзистора «p-n-p» или «n-p-n», а переключателем S2 его тип — маломощный или мощный. Переключателем S1 устанавливаем минимальное значение эмиттерного тока.

5. Подключаем к соответствующим гнездам выводы испытуемого транзистора. При этом, если транзистор мощный, его следует закрепить на радиаторе.

6. Нажимаем на 2-3 секунды кнопку S4 «Измерение». Считываем показания мультиметра, заносим их в таблицу.

7. Переключателем S1 устанавливаем следующее значение эмиттерного тока и повторяем пункт 6.

8. По окончании измерений отключаем транзистор от прибора, прибор — от сети. В принципе, парные транзисторы можно отобрать по близким значениям измеренного базового тока. Если требуется рассчитать коэффициент h31э или построить графики, то следует перенести данные в электронную таблицу Excel или аналогичную.

9. Сравниваем полученные данные в таблице и отбираем транзисторы с близкими значениями.

Вместо эпилога.

Немного замечаний по маломощным биполярным транзисторам ( не зря же я для них режимы предусмотрел?).
Почему-то радиолюбители наибольшее внимание при построении усилителей на транзисторах уделяют ( и то в лучшем случае) подбору идентичных экземпляров для оконечного каскада.

Между тем, на входе усилителя чаще всего используют дифференциальные каскады или реже двухтактные. При этом напрочь забывается, что для получения от диф. каскада как и от двухтактного по максимуму всех его замечательных свойств транзисторы в таком каскаде также должны быть подобраны!

Более того, для обеспечения максимально близкого температурного режима корпуса транзисторов дифкаскада лучше склеить между собой (или прижать друг к другу хомутиком), а не разносить по разным сторонам платы. Применение во входном каскаде интегральных транзисторных сборок устраняет эти проблемы, но такие сборки порой стоят дорого или просто не доступны радиолюбителям.

Поэтому подбор маломощных транзисторов входного каскада остаётся актуальной задачей, и предлагаемый прибор для проверки транзисторов может существенно облегчить этот процесс. Тем более, что один из выбранных для измерения режимов — ток  5мА, чаще всего и является током покоя первого каскада. А на каком токе проводит измерения китайский мультиметр???

Удачного творчества!

Главный редактор «РадиоГазеты».

Похожие статьи:


Использование силовых транзисторов в линейном режиме

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

 

Проблемы линейного режима

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

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

 

Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

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

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

Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора

 

Механизм отказа

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

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

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

 

Рекомендации по реализации линейного режима в силовых транзисторах

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

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

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

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

VCE, В

IC, А

Р, Вт

500

0,227

114

450

0,25

113

400

0,338

135

350

0,413

145

300

0,473

142

250

0,565

141

200

0,68

136

150

1

150

100

1,84

184

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

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

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

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

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

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

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

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

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

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

 

Примеры применения силовых транзисторов в линейном режиме

Твердотельное реле для коммутации постоянного тока

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

Требования

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

Решение

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

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

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

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

Электронная нагрузка

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

Требования

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

Решение

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

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

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

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

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

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

Рис. 7. Осуществление линейного режима при параллельном включении транзисторов

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

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

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

Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности

Фототранзисторы являются твердотельными полупроводниками с внутренним усилением, применяемым для передачи цифровых и аналоговых сигналов. Этот прибор выполнен на основе обычного транзистора. Аналогами фототранзисторов являются фотодиоды, которые уступают ему по многим свойствам, и не сочетаются с работой современных электронных приборов и радиоустройств. Их принцип действия похож на работу фоторезистора.

Чувствительность фототранзистора гораздо выше, чем у фотодиода. Они нашли применение в различных устройствах, в которых применяется зависимость от светового потока. Такими устройствами являются лазерные радары, пульты дистанционного управления, датчики дыма и другие. Фототранзисторы могут реагировать как на обычное освещение, так и на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Устройство

Наиболее популярны биполярные фототранзисторы структуры n-p-n.

Ф-транзисторы имеют чувствительность к свету больше, чем простые биполярные, так как они оптимизированы для лучшего взаимодействия с лучами света. В их конструкции зона коллектора и базы имеет большую площадь. Корпус выполнен из темного непрозрачного материала, с окошком для пропускания света.

Большинство таких полупроводников изготавливают из монокристаллов германия и кремния. Существуют также фототранзисторы на основе сложных материалов.

Принцип действия

Транзистор включает в себя базу, коллектор и эмиттер. При функционировании фототранзистора база не включена в работу, так как свет создает электрический сигнал, который дает возможность протекать току по полупроводниковому переходу.

При нерабочей базе переход коллектора транзистора смещается в обратном направлении, а переход эмиттера в прямом направлении. Прибор остается без активности до тех пор, пока луч света не осветит его базу. Освещение активизирует полупроводник, при этом создавая пары дырок и электронов проводимости, то есть носители заряда. В итоге через коллектор и эмиттер проходит ток.

Свойство усиления

Фототранзисторы имеют рабочий диапазон, размер которого зависит от интенсивности падающего света, так как это связано с положительным потенциалом его базы.

Ток базы от падающего света подвергается усилению в сотни и тысячи раз. Дополнительное усиление тока обеспечивается особым транзистором Дарлингтона, который представляет собой полупроводник, эмиттер которого соединен с базой другого биполярного транзистора. На схеме изображен такой вид фототранзистора.

Это дает возможность создать повышенную чувствительность при слабом освещении, так как происходит двойное усиление двумя полупроводниками. Двумя транзисторами можно добиться усиления в сотни тысяч раз. Необходимо учитывать, что транзистор Дарлингтона медленнее реагирует на свет, в отличие от обычного фототранзистора.

Схемы подключения
Схема с общим эмиттером

По этой схеме создается сигнал выхода, переходящий от высокого состояния в низкое, при падении лучей света.

Эта схема выполнена с помощью подключения сопротивления между коллектором транзистора и источником питания. Напряжение выхода снимают с коллектора.

Схема с общим коллектором

Усилитель, подключенный с общим коллектором, создает сигнал выхода, переходящий от низкого состояния в высокое, при попадании света на полупроводник.

Эта схема образуется подключением сопротивления между отрицательным выводом питания и эмиттером. С эмиттера снимается выходной сигнал.

В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:
  1. Активный режим.
  2. Режим переключения.
Активный режим

В этом режиме фототранзистор создает сигнал выхода, зависящий от интенсивности падающего света. Когда уровень освещенности превосходит определенную границу, то транзистор насыщается, и сигнал на выходе уже не будет повышаться, даже если увеличивать интенсивность лучей света. Такой режим действия рекомендуется для устройств с функцией сравнения двух порогов потока света.

Режим переключения

Действие полупроводника в этом режиме значит, что транзистор будет реагировать на подачу света выключением или включением. Такой режим необходим для устройств, в которых необходимо получение выходного сигнала в цифровом виде. Путем изменения значения резистора в схеме усилителя, можно подобрать один из режимов функционирования.

Для эксплуатации фототранзистора в качестве переключателя чаще всего применяют сопротивление более 5 кОм. Напряжение выхода повышенного уровня в переключающем режиме будет равно питающему напряжению. Напряжение выхода малого уровня должно равняться менее 0,8 В.

Проверка фототранзистора

Такой транзистор легко проверяется мультитестером, даже без наличия базы транзистора. Если подключить мультитестер к участку эмиттер-коллектор, то его сопротивление при любой полярности будет большим, так как транзистор закрыт. Если луч света попадает на чувствительный элемент, то измерительный прибор покажет низкое значение сопротивления, так как транзистор в этом случае открылся, благодаря свету, при правильной полярности питания.

Так ведет себя обычный транзистор, но он открывается сигналом электрического тока, а не лучом света. Кроме силы света, большую роль играет спектральный состав света.

Применение
  • Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).
  • Фотореле.
  • Системы расчета данных и датчики уровней.
  • Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные ф-транзисторы).
  • Компьютерные управляющие логические системы.
  • Кодеры.
Преимущества
  • Выдают ток больше, чем фотодиоды.
  • Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.
  • Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.
  • Невысокая стоимость.
Недостатки

Ф-транзисторы являются аналогом фотодиодов, однако имеют серьезные недостатки, которые создают условия для узкой специализации этого полупроводника.

  • Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.
  • Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.
  • Ф-транзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда.
Обозначения на схемах

Управляемые световым потоком транзисторы, на схемах обозначаются как обычные транзисторы.

VТ1 и VТ2 – ф-транзисторы с базой, VТ3 – транзисторы без базы. Цоколевка изображена как у простых транзисторов.

Так же, как и другие приборы на основе полупроводников с переходом n-p-n, применяющиеся для преобразования светового потока, фототранзисторы можно назвать оптронами. Их на схемах изображают в виде светодиода в корпусе, или в виде оптронов со стрелками. Усилитель во многих схемах обозначается в виде базы и коллектора.

Похожие темы:

Методы смещения (биполярные транзисторы)

Добавлено 17 октября 2017 в 18:30

Сохранить или поделиться

В разделе данной главы про схему усилителя с общим эмиттером мы видели результаты SPICE анализа, где выходной сигнал был похож по форме на сигнал на выходе полуволнового выпрямителя: воспроизводилась только одна полуволна входного сигнала, а вторая полностью отсекалась. Поскольку наша цель на тот момент заключалась в воспроизведении всей формы сигнала, это представляло собой проблему. Решением этой проблемы было добавление на вход усилителя небольшого напряжения смещения, так чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. Это дополнение называлось напряжением смещения.

Для некоторых приложений полуволновый выход не является проблемой. На самом деле, некоторые приложения могут потребовать усиление такого рода. Поскольку возможно работать с усилителем в режимах, отличных от полуволнового воспроизведения, и для конкретных приложений требуются воспроизведение разных диапазонов форм сигнала, полезно описать степень, в которой усилитель воспроизводит форму входного сигнала, назначая ей соответствующий класс. Усилители подразделяются по классам с помощью букв: A, B, C и AB.

При работе класса A воспроизводится вся форма входного сигнала. Хотя я еще не представил эту концепцию в разделе про схему с общим эмиттером, это то, чего мы хотели достичь в наших моделированиях. Работа в классе A может быть получена только тогда, когда транзистор всё время находится в активном режиме, никогда не достигая режимов отсечки или насыщения. Для достижения этого обычно постоянное напряжение смещения устанавливается на уровне, необходимом для того, чтобы вывести транзистор в режим, ровно посередине между отсечкой и насыщением. Таким образом, входной сигнал переменного напряжения будет идеально «центрирован» между минимальным и максимальным ограничивающими сигнал уровнями.

Класс A: Выходной сигнал усилителя точно воспроизводит по форме входной сигнал

Работа в классе B – это то, что мы впервые получили, подав сигнал переменного напряжения на вход усилителя с общим эмиттером без постоянного напряжения смещения. Транзистор провел половину периода синусоиды в активном режиме, а вторую половину – в режиме отсечки с входным напряжением, слишком низким (или даже противоположной полярности!) для прямого смещения перехода база-эмиттер.

Класс B: смещение такое, что воспроизводится половина (180°) синусоиды

Сам по себе усилитель, работающий в режиме класса B, не очень полезен. В большинстве случаев сильное искажение, введенное в форму сигнала путем отсечки ее половины, было бы неприемлемым. Однако работа в режиме класса B является полезным режимом смещения, если два усилителя работают как двухтактная пара, каждый усилитель обрабатывает за период синусоиды только одну полуволну:

Двухтактный усилитель класса B: каждый транзистор воспроизводит только половину формы сигнала. Объединение этих половинок дает точное воспроизведение всей формы сигнала.

Транзистор Q1 «толкает» (подает выходное напряжение в положительном направлении относительно земли), в то время как транзистор Q2 «тянет» (в отрицательном направлении относительно земли). Отдельно каждый из этих транзисторов работает в режиме класса B, активен только во время одной половины периода входной синусоиды. Однако вместе они работают как команда для формирования выходного сигнала, идентичного по форме входному сигналу.

Решающим преимуществом схемы усилителя класса B (двухтактного) по сравнению со схемой класса A является большая выходная мощность. В схеме класса A транзистор рассеивает значительную энергию в виде тепла, так как он никогда не прекращает проводить ток. Во всех точках периода синусоиды он находится в активном (проводящем) режиме, проводя значительный ток, и на нем падает значительное напряжение. Существенная мощность рассеивается транзистором на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. В схеме класса B каждый транзистор проводит половину периода синусоиды в режиме отсечки, где он рассеивает нулевую мощность (нулевой ток = нулевая рассеиваемая мощность). Это дает каждому транзистору время для «отдыха» и охлаждения, в то время как другой транзистор переносит сигнал на нагрузку. Усилители класса A более просты в разработке, но, как правило, их применение по простой причине (рассеяние тепла на транзисторе) ограничено низкочастотными сигнальными приложениями.

Другой класс работы усилителя, известный как класс AB, находится где-то между классами A и B: транзистор проводит ток во время более 50%, но менее 100% длительности периода входного сигнала.

Если смещение входного сигнала для усилителя будет немного отрицательным (противоположно полярности смещения для режима класса A), то форма выходного сигнала будет «обрезана» больше, чем при смещении класса B, что приведет к такой работе, когда транзистор проводит большую часть времени в режиме отсечки:

Класс C: ток проводится во время менее половины периода (<180°) синусоиды входного сигнала

Сначала эта схема может показаться совершенно бессмысленной. В конце концов, насколько полезным может быть усилитель, если он так обрезает сигнал? Если выходной сигнал используется напрямую без каких-либо обработок, польза от этого усилителя действительно будет сомнительной. Однако с применением схемы резонансного контура (параллельно включенных индуктивности и конденсатора) на выходе усилителя редкие всплески выходного сигнала, выдаваемые усилителем, могут привести в движение непрерывные колебания, поддерживаемые резонансным контуром. Это можно сравнить с машиной, где тяжелый маховик получает редкие «толчки», чтобы он вращаться:

Усилитель класса C подает выходной сигнал на резонансный контур

Схема усилителя класса C обладает высокой энергоэффективностью, поскольку транзистор(ы) проводят большую часть времени в режиме отсечки, где они рассеивают нулевую мощность. Величина отсечки формы выходного сигнала (уменьшение амплитуды колебаний «толчков» от усилителя) здесь для наглядности преувеличена. Из-за наличия резонансного контура на выходе эта схема используется только для усиления сигналов определенной фиксированной амплитуды. Усилитель класса C может использоваться в радиопередатчиках с FM (частотной модуляцией). Однако из-за искажений он не может напрямую усилить AM (амплитудно-модулированный) сигнал.

Еще один режим работы усилителя, значительно отличающийся от классов A, B, AB и C, называется классом D. Он не зависит от прикладывания определенной величины напряжения смещения, как другие классы режимов, а требует радикального изменения схемы усилителя. В этой главе слишком рано исследовать, как построен усилитель класса D, но не слишком рано обсудить основной принцип его работы.

Усилитель класса D воспроизводит очертание формы входного напряжения, создавая высокочастотные импульсы на выходе. Коэффициент заполнения этого выходного сигнала (отношение времени «включения» к периоду сигнала) изменяется в зависимости от мгновенного напряжения сигнала на входе. Графики на рисунке ниже демонстрируют этот принцип работы.

Усилитель класса D: входной сигнал и нефильтрованный выходной сигнал

Чем больше мгновенное напряжение входного сигнала, тем больше коэффициент заполнения прямоугольных импульсов выходного сигнала. Если и есть цель использования схемы усилителя класса D, то это избегание работы транзистора в активном режиме. Поскольку выходной транзистор усилителя класса D никогда не находится в активном режиме, а только в режимах отсечки и насыщения, на нем будет рассеиваться мало тепловой энергии. Это приводит к очень высокой энергоэффективности этого усилителя. Конечно, недостатком этой технологии является подавляющее присутствие гармоник на выходе. К счастью, поскольку частоты этих гармоник обычно намного превышают частоту входного сигнала, они могут быть относительно легко отфильтрованы с помощью фильтра нижних частот, в результате чего выходной сигнал очень близко напоминает по форме входной. Технология класса D обычно встречается там, где используются чрезвычайно высокие уровни по мощности и относительно низкие частоты, например, в промышленных инверторах (устройствах, преобразующих постоянное напряжение в переменное для запуска двигателей и других крупных устройств) и высокопроизводительных аудиоусилителях.

Термин, который вы, скорее всего, встретите во время изучения электроники, называется точка покоя, что означает условие нулевого сигнала на входе схемы. Ток точки покоя представляет собой величину тока в схеме с приложенным нулевым напряжением входного сигнала. Напряжение смещения в транзисторной схеме вынуждает транзистор работать при таком значении тока коллектора при нулевом напряжении входного сигнала, которое отличается от значения тока коллектора при отсутствии смещения. Следовательно, величина смещения в схеме усилителя определяет параметры его точки покоя.

В усилителе класса A ток покоя должен быть равен точно половине его значения насыщения (на полпути между насыщением и отсечкой, отсечка определяется по нулю). В усилителях классов B и C токи покоя равны нулю, поскольку при отсутствии сигнала на входе они должны быть в режиме отсечки. Усилители класса AB имеют очень низкие значения тока покоя, чуть выше отсечки. Чтобы проиллюстрировать это графически, на графике выходных характеристик транзистора иногда рисуется «нагрузочная линия», чтобы проиллюстрировать диапазон работы транзистора при подключении определенного сопротивления нагрузки (рисунок ниже).

Пример нагрузочной линии, нарисованной через выходные характеристики транзистора от Vпитания до тока насыщения

Нагрузочная линия представляет собой график напряжения коллектор-эмиттер в диапазоне токов коллектора. В нижнем правом конце нагрузочной линии напряжение находится на максимуме, а ток равен нулю, что представляет собой состояние отсечки. В верхнем левом конце линии напряжение равно нулю, а ток максимален, что представляет собой состояние насыщения. Точки отмечают, где нагрузочная линия пересекается с различными выходными характеристиками транзистора, и представляют реальные рабочие состояния для данных токов базы.

На этом графике может быть отмечена точка покоя в виде одной точки на нагрузочной линии. Для усилителя класса A точка покоя будет находиться на середине нагрузочной линии, как показано на рисунке ниже.

Точка покоя для класса A

На этой иллюстрации точка покоя попадает на выходную характеристику, соответствующую току базы 40 мкА. Если бы мы изменили в схеме сопротивление нагрузки на большее значение, это повлияло бы на наклон нагрузочной линии, так как большее сопротивление нагрузки ограничило бы максимальный ток коллектора при насыщении, но не изменило бы напряжение коллектор-эмиттер при отсечке. Графически результат представляет собой нагрузочную линию с левым верхним концом в другой точке и правым нижним концом на том же месте (рисунок ниже).

Нагрузочная линия при увеличенном сопротивлении нагрузки

Обратите внимание, что новая нагрузочная линия теперь не пересекает выходную характеристику 75 мкА на ее прямом участке, как это было ранее. Это очень важно понимать, поскольку негоризонтальная часть выходной характеристики представляет собой состояние насыщения. При пересечении нагрузочной линии выходной характеристики 75 мкА вне горизонтального участка характеристики означает, что усилитель при такой величине тока базы будет находиться в состоянии насыщения. Увеличение значения сопротивления нагрузки вызывает то, что нагрузочная линия пересекает выходную характеристику 75 мкА в новой точке, и это указывает на то, что насыщение будет происходить при меньшем значении тока базы.

При использовании в схеме старого резистора нагрузки меньшего номинала ток базы 75 мкА даст пропорциональный ток коллектора (ток базы, умноженный на β). На первом графике нагрузочной линии ток базы 75 мкА давал ток коллектора почти в два раза больше, чем при токе базы 40 мкА, что можно было бы предугадать в соответствии с коэффициентом β. Однако на последнем графике ток коллектора между токами базы 40 мкА и 75 мкА увеличивается незначительно, поскольку на транзисторе начинает падать напряжение коллектор-эмиттер, недостаточное для продолжения регулирования тока коллектора.

Для поддержания линейной (без искажений) работы транзисторные усилители не должны работать в точках, где транзистор будет насыщаться; то есть, когда нагрузочная линия может не попадать на горизонтальный участок выходной характеристики коллекторного тока. Нам нужно добавить еще несколько выходных характеристик на график на рисунке ниже, прежде чем сможем сказать, насколько сильно мы сможем «раскачать» транзистор, увеличивая ток базы, до того, как он уйдет в режим насыщения.

Большее количество выходных характеристик при разных токах базы показывает более подробную информацию о насыщении

На этом графике видно, что самая высокая точка на нагрузочной линии, попадающая на прямой участок выходной характеристики, является точкой на кривой при токе базы 50 мкА. Эта новая точка должна считаться максимально допустимым уровнем входного сигнала для работы в режиме класса A. Также для работы в режиме класса A смещение должно быть установлено так, чтобы точка покоя находилась на полпути между этой новой точкой и отсечкой, как показано на рисунке ниже.

Новая точка покоя исключает работу в области насыщения

Теперь, когда мы знаем немного больше о последствиях различных уровней постоянного напряжения смещения, пришло время исследовать практические методы смещения. До сих пор я показывал источник небольшого постоянного напряжения (батарею), подключенный последовательно с входным сигналом переменного напряжения, для смещения усилителя в требуемый класс режима работы. В реальной жизни подключение точно калиброванной батареи к входу усилителя просто не практично. Даже если бы можно было настроить батарею для выдачи только необходимой величины напряжения для любого заданного смещения, эта батарея не оставалась бы в своем первоначальном состоянии неограниченно долго. Как только она начнет разряжаться, ее выходное напряжение опустится, а усилитель начнет постепенно переходить к работе в режиме класса B.

Возьмем для примера схему, которую мы использовали для SPICE моделирования в разделе про каскад с общим эмиттером (рисунок ниже).

Непрактичное смещение с помощью батареи

Эту батарею с напряжением Vсмещ = 2.3 вольта в реальную схему усилителя включать нецелесообразно. Более практичный способ получения напряжения смещения для этого усилителя состоял бы в получении необходимых 2.3 вольт с помощью делителя напряжения, подключенного к батарее 15 вольт. В конце концов, батарея 15 вольт уже есть, а схемы делителей просты в проектировании и сборке. Посмотрим, как это может выглядеть на рисунке ниже:

Смещение делителем напряжения

Если мы выберем пару номиналов резисторов R2 и R3, которые дадут 2,3 вольта на R3 из общих 15 вольт (например, 8466 Ом для R2 и 1533 Ом для R3), то получим необходимое значение 2,3 вольта между базой и эмиттером для смещения без сигнала на входе. Единственная проблема заключается в том, что эта схема помещает источник сигнала переменного напряжения непосредственно параллельно с R3 в нашем делителе напряжения. Это неприемлемо, так как источник переменного напряжения будет стремиться подавить любое постоянное напряжение, падающее на R3. Параллельные компоненты должны иметь одинаковое напряжение, поэтому, если источник переменного напряжения напрямую подключен к одному резистору делителя постоянного напряжения, источник переменного напряжения «победит», и к сигналу не добавится постоянное напряжение смещения.

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть пока и не понятно, почему она будет работать, заключается в установке конденсатора между источником переменного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке ниже.

Разделительный конденсатор предотвращает попадание постоянного напряжения смещения с делителя на генератор сигнала

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником переменного напряжения и делителем постоянного напряжения, передавая правктически всё переменное напряжение сигнал на транзистор, блокируя при этом всё постоянное напряжения от замыкания через источник сигнала переменного напряжения. Это имеет смысл, если вы понимаете теорему суперпозиции, и как она работает. В соответствии с суперпозицией любая линейная, двухсторонняя схема может быть проанализирована по частям, рассматривая за раз только один источник питания, а затем алгебраически сложить влияния всхе источников питания, чтобы получить конечный результат. Если бы мы отделили конденсатор и делитеьл напряжения R2–R3 от остальной части схемы усилителя, было бы легче понять, как работает эта суперпозиция переменного и постоянного напряжений.

При наличии только одного источника сигнала переменного напряжения и конденсатора с очень низким сопротивлением на частоте сигнала, почти всё переменное напряжение появится на резисторе R3:

Из-за очень низкого сопротивления разделительного конденсатора на частоте сигнала, он ведет себя как кусок провода, поэтому на этом этапе в суперпозиционном анализе его можно опустить

При наличии только источника постоянного напряжения конденсатор оказывается разомкнутой цепью, и поэтому ни он, ни источник сигнала переменного напряжения не будут влиять на работу делителя напряжения R2–R3 (рисунок ниже).

Когда речь идет об анализе по постоянному току, конденсатор ведет себя как разрыв в цепи

Объединив эти два отдельных анализа на рисунке ниже, мы получим суперпозицию (почти) 1,5 вольт переменного напряжения и 2,3 вольт постоянного напряжения, готовых к подаче на базу транзистора.

Объединение цепей переменного и постоянного тока

Достаточно разговоров, пора промоделировать в SPICE схему всего усилителя на рисунке ниже. Мы будем использовать конденсатор номиналом 100 мкФ, чтобы получить очень низкое (0,796 Ом) сопротивление на частоте 2000 Гц:

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 8466
r3 5 0 1533
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15 
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end
SPICE моделирование смещения делителем напряжения

Обратите внимание на существенное искажение выходного сигнала на рисунке выше. Синусоида обрезается в течение большей части отрицательного полупериода входного сигнала. Это говорит о том, что транзистор переходит в режим отсечки, хотя и не должен (я предполагал работу в режиме класса A). Почему? Этот новый способ смещения должен давать нам точно такое же постоянное напряжение смещения, как и старый, верно?

Ненагруженная цепь из конденсатора и резисторов R2–R3 обеспечивает точно 2,3 вольта постоянного напряжения смещения. Однако, как только мы подключаем эту схему к транзистору, она больше не является ненагруженной. Ток, протекающий через базу транзистора, буде нагружать делитель напряжения, тем самым уменьшая постоянное напряжение смещения, доступное для транзистора. Использование модель транзистора с диодом и источником тока (рисунок ниже) делает проблему смещения очевидной.

Диодная модель транзистора показывает нагрузку делителя напряжения

Напряжение на выходе делителя зависит не только он номиналов составляющих его резисторов, но и от того, какой ток протекает от него через нагрузку. PN переход база-эмиттер транзистора представляет собой нагрузку, которая уменьшает постоянное напряжение на R3, из-за того, что ток смещения складывается с током R3 и вместе с ним проходит через R2, нарушая коэффициент деления, установленный ранее значениями сопротивлений R2 и R3. Чтобы получить постоянное напряжение смещения 2,3 вольта, значения R2 и R3 должны быть скорректированы для компенсации влияния нагрузки тока базы. Чтобы увеличить постоянное напряжение на R3, уменьшите сопротивление R2 или увеличьте сопротивление R3, или сделайте и то, и другое.

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 6k  <--- R2 уменьшен до 6 кОм
r3 5 0 4k  <--- R3 увеличен до 4 кОм
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1) 
.end
После подстройки R2 и R3 на выходе нет никаких искажений

Новые значение резисторов 6 кОм и 4 кОм (R2 и R3 соответственно) на рисунке выше приводят к воспроизведению формы сигнала в режиме класса A, как мы и хотели.

Подведем итоги:

  • Режим работы класса A представляет собой усилитель, смещенный так, чтобы транзистор находился в активном режиме в течение всего периода входного сигнала, таким образом, точно воспроизводя всю форму сигнала.
  • Режим работы класса B представляет собой усилитель, смещенный так, чтобы воспроизводится только один полупериод формы входного сигнала: либо положительная, либо отрицательная полуволна. Транзистор проводит половину времени в активном режиме, а половину – в режиме отсечки. Пары транзисторов, работающих в режиме класса B, часто используются для обеспечения усиления большой мощности в системах аудиосигналов, каждый транзистор из пары обрабатывает только один полупериод формы сигнала. Режим класса B обеспечивает лучшую энергоэффективность, чем усилитель класса A с такой же выходной мощностью.
  • Режим работы класса AB – усилитель смещен в точку где-то между классами A и B.
  • Режим работы класса C – усилитель смещен для усиления лишь небольшой части формы сигнала. Большую часть времени транзистор проводит в режиме отсечки. Для того, чтобы на выходе был сигнал полной формы, часто используется схема резонансного контура, применяемая в качестве «маховика», для поддержания колебаний на некоторое время после каждого «толчка» от усилителя. Поскольку транзистор не проводит ток большую часть времени, это приводит к высокой энергоэффективности усилителя класса C.
  • Для работы в режиме класса D требуется усовершенствованная схема, которая функционирует по принципу представления мгновенной напряжения входного сигнала с помощью коэффициента заполнения периода высокочастотных прямоугольных импульсов. Выходной транзистор(ы) никогда не работает в активном режиме, а только в режимах насыщения и отсечки. Вследствие чего рассеивается небольшое значение тепловой энергии.
  • Постоянное напряжение смещения входного сигнала, необходимое для работы в определенных режимах работы (особенно класс A и класс C), может быть получено за счет использования делителя напряжения и разделительного конденсатора, вместо батареи, соединенной последовательно с источником переменного напряжения.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceSPICEБиполярный транзисторВыходные характеристики транзистораМоделированиеНагрузочная прямаяНапряжение смещенияОбучениеСмещение транзистораУсилитель класса AУсилитель класса ABУсилитель класса BУсилитель класса CУсилитель класса DЭлектроника

Сохранить или поделиться

Проверка схемы электрических соединений — просто

Есть больше вещей, которые вы можете узнать об этом дизайне.

Начнем с верхнего левого угла схемы. Часть с надписью «7805» является регулятором напряжения и является частью линейного семейства (которое выделяется по количеству тепла, которое он генерирует по сравнению с переключаемыми регуляторами). Это означает, что оно рассеивает часть напряжения, которое вы вводите на входе, в виде тепла, чтобы поддерживать постоянное напряжение на выходе (в нашем случае 5 В). Его присутствие в цепи может помочь вам понять, как выбрать Батарея: для этого регулятора требуется входное напряжение не менее 7,5 В и не более 35 В. Таким образом, подойдет любая батарея или любая установка батареи в этом диапазоне.

Вы указали что-то в отношении конденсаторов. Их роль заключается в поддержании стабильной работы 7805 (чтобы обеспечить максимальную надежность его работы, чтобы убедиться, что микросхема работает нормально). Они не работают, как вы упомянули здесь. Что-то похожее то, что вы сказали, можно увидеть в конструкции повышающего преобразователя постоянного тока. К счастью, легче выбрать их значения. Подойдут 330 нФ для С1 и 100 нФ для С2. Это значения, указанные в его спецификации . см. этот вопрос для получения дополнительной информации. Давайте перейдем к транзисторам. Транзистор может работать в трех режимах: активный, насыщение и отсечка. Как сказал Джим Фишер в комментарии, и, как я понимаю, как он должен функционировать, транзисторы должны быть в насыщении, хотя я не Не знаю, для чего предназначены двигатели. Насыщенный транзистор действует как управляемый током переключатель. Как только ток проходит через базу, другой ток будет проходить через коллектор. Резисторы выбираются тщательно, поэтому через них будет больше тока. базы, чем требуется коллектору, убедившись, что транзистор полностью включен. В схеме есть два типа транзисторов: NPN и PNP. Разница между ними заключается в полярности, а также в том, как они подключены к цепям. То, что я сказал, относится в полной мере к типу NPN. рассеяние: ключевые слова для этого — IN и OUT . PNP связан со вторым. Количество тока, который вытекает из коллектора , управляется количеством тока, который течет из базы, и это в конечном счете устанавливает ток через Эмиттер. Эмиттер подключается к положительной шине питания, а не к отрицательной стороне батареи, как показано в вашем сообщении, поэтому PNP не будут работать. Они подключены неправильно.

смоделировать эту схему — схема, созданная с использованием CircuitLab

Это поможет вам лучше понять все, если вы будете искать в Интернете то, что я упомянул.

транзисторов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

Режимы работы

В отличие от резисторов, которые обеспечивают линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами. У них есть четыре различных режима работы, которые описывают протекающий через них ток. (Когда мы говорим о токе, протекающем через транзистор, мы обычно имеем в виду ток , протекающий от коллектора к эмиттеру NPN .)

Четыре режима работы транзистора:

  • Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
  • Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь . Нет тока от коллектора к эмиттеру.
  • Активный — Ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему в базу.
  • Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении.Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были предназначены транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть напряжения на каждом из трех контактов и их соотношение друг с другом. Напряжения от базы к эмиттеру (V BE ) и от базы к коллектору (V BC ) задают режим транзистора:

Упрощенный квадрантный график выше показывает, как положительное и отрицательное напряжение на этих клеммах влияет на режим.На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как он влияет на ток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена NPN транзисторам . Чтобы понять, как работает транзистор PNP, просто поменяйте полярность или знаки> и <.

Режим насыщенности

Насыщенность — это в режиме транзистора.Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» транзистора смещены в прямом направлении. Это означает, что V BE должен быть больше 0, и , поэтому V BC должен быть. Другими словами, V B должен быть выше, чем V E и V C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит как диод, на самом деле, V BE должно быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в насыщение.Есть много сокращений для этого падения напряжения — V th , V γ и V d — несколько — и фактическое значение варьируется между транзисторами (и даже в зависимости от температуры). Для многих транзисторов (при комнатной температуре) это падение может составить около 0,6 В.

Еще один облом реальности: между эмиттером и коллектором не будет идеальной проводимости. Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических характеристиках транзисторов это напряжение определено как напряжение насыщения CE, В CE (насыщение) — напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения.Это значение обычно составляет 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V C должно быть немного больше, чем V E (но оба все еще меньше, чем V B ), чтобы транзистор перешел в режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки противоположен насыщению. Транзистор в режиме отсечки выключен — нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. Это почти похоже на обрыв цепи.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, базовое напряжение должно быть меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора.Оба V BC и V BE должны быть отрицательными.

На самом деле, V BE может быть в пределах от 0 до V th (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Для работы в активном режиме транзистор V BE должен быть больше нуля, а V BC должен быть отрицательным. Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше, чем на коллекторе, но больше, чем на эмиттере. Это также означает, что коллектор должен быть больше эмиттера.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V th , V γ или V d ) от базы к эмиттеру (V BE ), чтобы «включить» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим — это самый мощный режим транзистора, потому что он превращает устройство в усилитель . Ток, идущий на вывод базы, усиливает ток, идущий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Наше сокращенное обозначение для усиления (коэффициент усиления) транзистора — β (вы также можете увидеть его как β F или h FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I C ) с базовым током ( I B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора. Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 … даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и сколько тока проходит через него.Если, например, у вашего транзистора β = 100, это будет означать, что входной ток в 1 мА на базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель активного режима. V BE = V th и I C = βI B .

Что насчет тока эмиттера, I E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут на прибора, а выходит I E . Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть другое постоянное значение: α .α — коэффициент усиления по току общей базы, он связывает эти токи как таковые:

α обычно очень близко к 1. Это означает, что I C очень близко, но меньше I E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Так, если я C , например, 100 мА, то я E это 101 мА.

Реверс Активный

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму.Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в обратном направлении, от эмиттера к коллектору. Обратной стороной активного режима является то, что β (β R в данном случае) на намного меньше на .

Чтобы перевести транзистор в обратный активный режим, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе, которая должна быть больше, чем на коллекторе (V BE <0 и V BC > 0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором.Приятно знать, что он есть, но он редко превращается в приложение.

Относительно PNP

После всего, о чем мы говорили на этой странице, мы все еще покрыли только половину спектра BJT. А как насчет транзисторов PNP? Работа PNP очень похожа на работу NPN — у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится транзистор PNP, поменяйте местами все знаки <и>.

Например, чтобы перевести PNP в режим насыщения, V C и V E должны быть выше, чем V B .Вы опускаете базу ниже, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить его. И, чтобы перевести PNP в активный режим, напряжение V E должно быть выше, чем напряжение V B , которое должно быть выше, чем V C .

Итого:

Соотношение напряжений Режим NPN Режим PNP
В E B C Активный Обратный
V E B > V C Насыщенность Отсечка
V E > V B C Отсечка Насыщенность
V E > V B > V C Задний ход Активный

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока.В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP протекает от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер обычно должен иметь более высокое напряжение, чем коллектор.


Если вы перегорели концептуальными вещами, перейдите к следующему разделу. Лучший способ узнать, как работает транзистор, — это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!



← Предыдущая страница
Продолжение аналогии с водой

Режимы работы БЮТ

BJT операция режимы


Транзистор может работать в трех режимах:

  • Режим отключения
  • Насыщенность режим
  • Активный режим

В чтобы транзистор работал в одной из этих областей, у нас есть для подачи постоянного напряжения на npn или pnp транзистор.На основе полярность приложенного постоянного напряжения, транзистор работает в любой из этих областей.

Применение постоянное напряжение на транзисторе — это не что иное, как смещение транзистор.

Режим отсечки

В режим отсечки, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) обратны пристрастный.Другими словами, если мы предположим два p-n переходы как два p-n переходные диоды, оба диода имеют обратное смещение в режим отсечки. Мы знаем, что в условиях обратного смещения ток протекает через устройство. Следовательно, ток не течет через транзистор. Следовательно, транзистор выключен. состояние и действует как открытый переключатель.

режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для выключения приложения.

Насыщенность режим

В режим насыщения, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) вперед пристрастный. Другими словами, если мы предположим два p-n перехода как два диода с p-n переходом, оба диода смещены в прямом направлении в режиме насыщения. Мы знаем, что в условиях прямого смещения ток течет через устройство.Следовательно, электрический ток протекает через транзистор.

В насыщенность режим, бесплатно электроны (носители заряда) текут от эмиттера к базе а также от коллектора к базе. В результате огромное течение потечет к базе транзистора.

Следовательно, в транзистор в режиме насыщения будет во включенном состоянии и будет работать как замкнутый переключатель.

насыщенность режим транзистора используется в режиме переключения для включить приложение.

От приведенное выше обсуждение, мы можем сказать, что, управляя транзистор в области насыщения и отсечки, мы можем использовать транзистор в качестве переключателя ВКЛ / ВЫКЛ.

Активный режим

В активный режим, один переход (эмиттер к базе) вперед смещен и другой переход (коллектор к базе) обратный пристрастный.Другими словами, если мы примем два p-n перехода как два p-n-переходные диоды, один диод будет смещен в прямом направлении и другой диод будет иметь обратное смещение.

активный режим работы используется для усиления Текущий.

От Из приведенного выше обсуждения можно сказать, что транзистор работает как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ в режимах насыщения и отсечки, в то время как он работает как усилитель тока в активном режиме.


Транзисторные схемы | Клуб электроники

Транзисторные схемы | Клуб электроники

Типы | Токи | Функциональная модель | Использовать как переключатель | Выход IC | Датчики | Инвертор | Дарлингтон пара

Следующая страница: Емкость

См. Также: Транзисторы

На этой странице объясняется работа транзисторов в простых схемах, в основном их использование в качестве переключателей.Практические вопросы, такие как тестирование, меры предосторожности при пайке и идентификация выводов, рассматриваются в страница транзисторов.

Типы транзисторов

Есть два типа стандартных (биполярных) транзисторов, NPN и PNP , с разными обозначениями схем. Буквы относятся к слоям полупроводникового материала, из которых изготовлен транзистор. Большинство используемых сегодня транзисторов являются NPN-транзисторами, потому что их проще всего сделать из кремния. Эта страница в основном посвящена транзисторам NPN, и новичкам следует сначала сосредоточиться на этом типе.

Выводы имеют маркировку база (B), коллектор (C) и эмиттер (E). Эти термины относятся к внутренней работе транзистора, но их не так много. Помогите понять, как используется транзистор, поэтому относитесь к ним как к ярлыкам.

Обозначения схем транзисторов

Пара Дарлингтона — это два транзистора, соединенные вместе. чтобы дать очень высокий коэффициент усиления по току.

Помимо стандартных (биполярный переход) транзисторов, есть полевых транзисторов , которые обычно обозначаются как FET s.У них разные символы схем и свойства, и они не рассматриваются на этой странице.

Rapid Electronics: транзисторы


Токи транзисторов

На схеме показаны два пути тока через транзистор.

Малый базовый ток управляет большим током коллектора .

Когда переключатель замкнут , небольшой ток течет в основание (B) транзистор. Этого достаточно, чтобы светодиод B тускло светился.Транзистор усиливает этот небольшой ток, чтобы позволить большему току течь через его коллектор (C) к его эмиттеру (E). Этот ток коллектора достаточно велик, чтобы светодиод C светился ярко.

При разомкнутом переключателе базовый ток не течет, поэтому транзистор отключается коллекторный ток. Оба светодиода выключены.

Вы можете построить эту схему с двумя стандартными 5-миллиметровыми красными светодиодами и любым маломощным светодиодами общего назначения. Транзистор NPN (например, BC108, BC182 или BC548).Это хороший способ проверить транзистор и убедиться, что он работает.

Транзистор

A усиливает ток и может использоваться как переключатель, как описано на этой странице.

С подходящими резисторами (и конденсаторами для переменного тока) транзистор может усиливать напряжение, такое как аудиосигнал. но это еще не рассматривается на этом веб-сайте.

Режим общего эмиттера

Это устройство, в котором эмиттер (E) находится в цепи управления (базовый ток) а в управляемой цепи (коллекторный ток) называется общим эмиттерным режимом .Это наиболее широко используемая схема транзисторов, поэтому ее нужно изучить в первую очередь.



Функциональная модель NPN-транзистора

Функционирование транзистора сложно объяснить и понять с точки зрения его внутренней структуры. Более полезно использовать эту функциональную модель.

  • Переход база-эмиттер ведет себя как диод.
  • A базовый ток I B течет только при напряжении V BE через переход база-эмиттер равен 0.7В или больше.
  • Малый базовый ток I B управляет большим током коллектора Ic варьируя сопротивление R CE .
  • Ic = h FE × I B (если транзистор не открыт и не насыщен). h FE — коэффициент усиления по току (строго по постоянному току), Типичное значение для h FE — 100 (это отношение, поэтому у него нет единиц измерения).
  • Сопротивление коллектор-эмиттер R CE контролируется током базы I B :
    I B = 0 , R CE = бесконечность, транзистор выключен
    I B малый , R CE уменьшенный, транзистор частично включен
    I B увеличено , R CE = 0, транзистор полностью открыт («насыщен»)
Дополнительные примечания:
  • Базовый ток I B должен быть ограничен, чтобы предотвратить повреждение транзистора. и резистор может быть подключен последовательно с базой.
  • Транзисторы имеют максимальный ток коллектора Ic.
  • Коэффициент усиления по току h FE может широко варьироваться , даже для однотипных транзисторов!
  • Транзистор, заполненный на на (с R CE = 0), называется « насыщенный ».
  • Когда транзистор насыщен, напряжение коллектор-эмиттер В CE снижается почти до 0В.
  • При насыщении транзистора определяется ток коллектора Ic. напряжением питания и внешним сопротивлением в цепи коллектора, а не коэффициент усиления транзистора по току.В результате соотношение Ic / I B для насыщенного транзистора коэффициент усиления по току меньше FE .
  • Ток эмиттера I E = Ic + I B , но Ic намного больше, чем I B , поэтому примерно I E = Ic.

Использование транзистора в качестве переключателя

Когда транзистор используется в качестве переключателя, он должен быть либо ВЫКЛ. , либо полностью ВКЛЮЧЕННЫМ . Он никогда не должен быть включен частично (со значительным сопротивлением между C и E), потому что в В этом состоянии транзистор может перегреться и выйти из строя.

В полностью открытом состоянии напряжение V CE на транзисторе почти равно нулю, и транзистор находится в считается насыщенным , потому что он больше не может пропускать ток коллектора Ic.

Устройство, переключаемое транзистором, называется нагрузкой .

При выборе транзистора для использования в качестве переключателя необходимо учитывать его максимальный ток коллектора. Ic (макс.) и его минимальное усиление по току ч FE (мин.) . Номинальное напряжение транзистора может быть проигнорировано при напряжении питания менее 15 В.

Технические характеристики транзистора

Большинство поставщиков предоставляют данные о транзисторах, которые они продают, например Быстрая электроника.

Мощность, развиваемая переключающим транзистором, должна быть очень маленькой

Мощность, развиваемая в транзисторе, отображается как тепла , и транзистор будет разрушен, если станет слишком горячим. Это не должно быть проблемой для транзистора, используемого в качестве переключателя, если он был выбран и настроен правильно, потому что мощность, развиваемая внутри него, будет очень маленькой.

Мощность (тепло), развиваемая в транзисторе:

Мощность = Ic × V CE

  • Когда ВЫКЛ : Ic равен нулю, поэтому мощность равна нулю .
  • Когда полный ВКЛ : V CE почти равен нулю, поэтому мощность очень мала .
Было бы реле лучше транзисторного переключателя?

Транзисторы не могут переключать переменный ток или высокое напряжение (например, электросеть), и они обычно не лучший выбор для коммутации больших токов (> 5A).Реле подходят для всех этих ситуаций, но учтите, что для переключения тока катушки реле может все же потребоваться маломощный транзистор. Для получения дополнительной информации, включая преимущества и недостатки, см. страницу реле.

Защитный диод для нагрузок с катушкой, таких как реле и двигатели

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки, такой как двигатель или реле, диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от кратковременное высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки.

На схеме показано, как защитный диод подключен к нагрузке «в обратном направлении», в данном случае катушка реле.

Для этого подходит сигнальный диод типа 1N4148.

Зачем нужен защитный диод?

Ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое внезапно схлопывается. при отключении тока. Внезапный коллапс магнитного поля вызывает кратковременное высокое напряжение на катушке, которое может повредить транзисторы и микросхемы.Защитный диод позволяет индуцированному напряжению пропускать кратковременный ток через катушку. (и диод), поэтому магнитное поле исчезает быстро, а не мгновенно. Это предотвращает индуцированное напряжение становится достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение транзисторов и микросхем.


Подключение транзистора к выходу включения / выключения цифровой ИС

Большинство ИС не могут обеспечивать большие выходные токи, поэтому может потребоваться использование транзистора. для переключения большего тока, необходимого для таких устройств, как лампы, двигатели и реле.Микросхема таймера 555 необычна тем, что может обеспечивать относительно большой ток до 200 мА, Достаточно для многих реле и других нагрузок без транзистора.

Базовый резистор ограничивает ток, протекающий в базу транзистора, чтобы предотвратить его повреждение. но он также должен пропускать достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью насыщен. при включении.

Транзистор, который не полностью насыщен при включении, может перегреться и выйти из строя. особенно если транзистор переключает большой ток (> 100 мА).

В следующем разделе объясняется, как выбрать транзистор и базовый резистор для обеспечения полного насыщения.

Переключение нагрузки с другим напряжением питания

Транзистор может использоваться для включения ИС, подключенной к источнику низкого напряжения (например, 5 В) для переключения тока нагрузки с отдельным источником постоянного тока (например, 12 В).

Два источника питания должны быть связаны. Обычно их соединения 0 В связаны и транзистор NPN используется на выходе IC. Однако, если на выходе IC используется транзистор PNP, положительные (+) соединения вместо этого должны быть подключены.

Выбор транзистора и базового резистора для цифрового выхода ИМС

Следуйте этому пошаговому руководству, чтобы выбрать подходящий транзистор для подключения к двухпозиционному выходу. цифровой ИС (логический вентиль, счетчик, PIC, микроконтроллер и т. д.) для переключения нагрузки, такой как лампа, двигатель или реле. Данные о транзисторах можно получить у большинства поставщиков, например см. Быстрая электроника.

1. Выберите правильный тип транзистора, NPN или PNP

Вы хотите, чтобы нагрузка включалась, когда выход IC высокий? Или когда он или низкий?

  • Для включения, когда на выходе ИС высокий , используйте NPN-транзистор .
  • Для включения, когда на выходе микросхемы низкий уровень , используйте транзистор PNP .

Транзисторы NPN и PNP подключаются по-разному, как показано на схемах ниже, но Расчеты и требуемые свойства одинаковы для обоих типов транзисторов.

Транзисторный переключатель NPN
нагрузка включена, когда выход IC имеет высокий уровень

Транзисторный переключатель PNP
нагрузка включена, когда выход IC низкий

2.Узнайте напряжение питания и характеристики нагрузки.

Для определения требуемых свойств транзистора вам необходимо знать следующие значения:

  • Вс = напряжение питания нагрузки.
  • R L = сопротивление нагрузки (например, сопротивление катушки реле).
  • Ic = ток нагрузки (= Vs / R L ).
  • Максимальный выходной ток микросхемы — см. Техническое описание микросхемы. Если вы не можете найти эту информацию, примите низкое значение, например 5 мА.
  • Vc = напряжение питания ИС (обычно это Vs, но оно будет другим, если ИС и нагрузка имеют отдельные источники питания).

Примечание: не путайте IC (интегральная схема) с Ic (ток коллектора).

3. Определить требуемые свойства транзистора

Выберите транзистор правильного типа (NPN или PNP из шага 1), чтобы удовлетворить следующие требования:

  • Максимальный ток коллектора Ic (макс.) транзистора должен быть больше тока нагрузки:
    Ic (max)> напряжение питания Vs
    сопротивление нагрузки R L
  • Минимальный коэффициент усиления по току транзистора h FE (мин) должен быть не менее 5 умноженный на ток нагрузки Ic, деленный на максимальный выходной ток IC.
    ч FE (мин)> 5 × ток нагрузки Ic
    макс. IC current
4. Определите значение для базового резистора R
B

Базовый резистор (R B ) должен пропускать ток, достаточный для обеспечения нормальной работы транзистора. полностью насыщен при включении, и хорошо бы увеличить ток базы (I B ) примерно в пять раз значение, которое просто насыщает транзистор.Воспользуйтесь приведенной ниже формулой, чтобы найти подходящее сопротивление для R B и выбрать ближайшее стандартное значение.

R B = 0,2 × R L × h FE (см. Примечание)

Примечание: Если ИС и нагрузка имеют разные напряжения питания, например 5 В для ИС но 12 В для нагрузки используйте формулу ниже для R B :

R B = Vc × h FE , где Vc — напряжение питания микросхемы
5 × Ic
5.Проверьте, нужен ли вам защитный диод

Если включаемой и выключаемой нагрузкой является двигатель, реле или соленоид (или любое другое устройство с катушкой): диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от короткого замыкания. высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки. Обратите внимание, что диод подключен «в обратном направлении», как показано на рисунке. на диаграммах выше.

Пример

Выход КМОП-микросхемы серии 4000 необходим для работы реле с 100, включается, когда выход IC высокий.Напряжение питания составляет 6 В как для ИС, так и для нагрузки. ИС может обеспечивать максимальный ток 5 мА.

  • Требуется транзистор NPN , потому что катушка реле должна быть включена, когда выход IC высокий.
  • Ток нагрузки = Vs / R L = 6/100 = 0,06 A = 60 мА, поэтому транзистор должен иметь Ic (макс.)> 60 мА .
  • Максимальный ток от ИС составляет 5 мА, поэтому транзистор должен иметь ч FE (мин)> 60 (5 × 60 мА / 5 мА).
  • Выберите транзистор малой мощности общего назначения BC182 с Ic (макс.) = 100 мА и ч FE (мин) = 100 .
  • R B = 0,2 × R L × h FE = 0,2 × 100 × 100 = 2000, поэтому выберите R B = 1k8 или 2k2 .
  • Для катушки реле требуется защитный диод .

Rapid Electronics: транзисторы


Использование транзистора в качестве переключателя с датчиками

На схемах ниже показано, как подключить LDR (датчик освещенности) к транзистору, чтобы светочувствительный переключатель цепи на светодиоде. Есть две версии: одна включается в темноте, другая при ярком свете.Переменный резистор регулирует чувствительность. Для переключения светодиода можно использовать любой транзистор малой мощности общего назначения.

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки (например, двигателя или реле) вместо светодиода, вы должны включить защитный диод поперек нагрузки.

Если переменный резистор находится между + Vs и базой, вы должны добавить резистор с фиксированным номиналом не менее 1к (10к в примере ниже), чтобы защитить транзистор, когда переменный резистор уменьшен до нуля, в противном случае чрезмерная база ток разрушит транзистор.

Светодиод загорается, когда LDR темно

Светодиод загорается при яркости LDR

Обратите внимание, что переключающее действие этих простых схем не очень хорошее, потому что будет промежуточная яркость, когда транзистор будет частично на (не насыщенный). В этом состоянии транзистор может перегреться, если он не коммутирует небольшой ток. Нет проблем с небольшим током светодиода, но больший ток лампы, двигателя или реле может вызвать перегрев.

Другие датчики, например термистор, могут использоваться с этими схемами, но для них может потребоваться другой переменный резистор. Вы можете рассчитать приблизительное значение переменного резистора (Rv), используя мультиметр для определения минимального и максимального значений сопротивления датчика (Rmin и Rmax), а затем по этой формуле:

Значение переменного резистора:
Rv = квадратный корень из (Rmin × Rmax)

Например, LDR: Rmin = 100, Rmax = 1M, поэтому Rv = квадратный корень из (100 × 1M) = 10к.

Вы можете сделать гораздо лучшую схему переключения, подключив датчики к подходящему IC (чип). Действие переключения будет намного более резким без частичного включения.



Транзисторный инвертор (НЕ затвор)


Дарлингтон пара

Пара Дарлингтона — это два транзистора, соединенных вместе, так что ток, усиливаемый первым, усиливается. далее вторым транзистором.

Пара ведет себя как одиночный транзистор с очень высоким коэффициентом усиления по току, так что для включения пары требуется лишь крошечный базовый ток.

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона (h FE ) равен двум индивидуальным коэффициентам усиления (h FE1 и h FE2 ), умноженные вместе — это дает паре очень высокий коэффициент усиления по току, например 10000.

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:
ч FE = h FE1 × h FE2

Обратите внимание, что для включения пары Дарлингтона должно быть 0,7 В на обоих переходах база-эмиттер, которые являются соединены последовательно так 1.Для включения требуется 4В.

Rapid Electronics: транзисторы Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона

пары Дарлингтона доступны в виде корпуса «транзистор Дарлингтона» с тремя выводами. (B, C и E) эквивалентно стандартному транзистору.

Вы также можете сделать свою собственную пару Дарлингтона из двух обычных транзисторов. TR1 может быть маломощным, но TR2 может потребоваться высокая мощность. Максимальный ток коллектора Ic (max) для пары такой же, как Ic (max) для TR2.

Цепь сенсорного переключателя

Пара Дарлингтона достаточно чувствительна, чтобы реагировать на небольшой ток, проходящий через ваша кожа, и его можно использовать для изготовления сенсорного переключателя , как показано на схеме.

Для этой схемы, которая просто зажигает светодиод, два транзистора могут быть любого общего назначения. транзисторы малой мощности.

100к резистор защищает транзисторы, если контакты соединены куском провода.

Схема сенсорного переключателя


Rapid Electronics любезно разрешили мне использовать их изображения на этом веб-сайте, и я очень благодарен за их поддержку.У них есть широкий ассортимент компонентов, инструментов и материалов для электроники, и я рад рекомендую их как поставщика.


Следующая страница: Емкость | Исследование


Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию. Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому. На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден.Рекламодателям не передается никакая личная информация. Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации. Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google. Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста, посетите AboutCookies.org.

клуб электроники.инфо © Джон Хьюс 2021

Режимы транзистора

Смещение транзистора — это процесс установки рабочего напряжения на выводах транзистора. BJT (биполярный переходный транзистор) имеет два перехода, один — переход база-эмиттер, а другой — переход база-коллектор. В зависимости от прямого и обратного смещения этого перехода различают три режима работы транзистора. Переход между базой транзистора и эмиттером зависит от его порогового напряжения. Когда уровень напряжения между базой и эмиттером падает ниже этого порогового значения, транзистор переходит в состояние отсечки.Когда уровень напряжения от базы к эмиттеру выше этого порогового напряжения, тогда транзистор находится либо в состоянии насыщения, либо в активном состоянии. Теоретически значение порогового напряжения диода составляет 0,7 В, но практически оно составляет 0,65 В.

Необходимые компоненты:

 BC547 Транзистор NPN

 Потенциометр 1к

 1k сопротивление

 Некоторые перемычки

 Макет

 Электропитание (+ 5В)

 Мультиметр

Фиг.1: Принципиальная схема транзистора в режиме отсечки

Режим отключения:

В этом режиме переходы база-эмиттер и база-коллектор имеют обратное смещение. Когда на базе транзистора очень низкое напряжение, тогда напряжение база-эмиттер ниже его порогового напряжения. Из-за этого транзистор находится в выключенном состоянии и действует как разомкнутый переключатель. Поскольку эмиттер подключен к земле, его ток равен нулю, но на коллекторе транзистора протекает небольшой ток из-за тепловых колебаний электронов.Этот небольшой ток известен как ток обратного насыщения (Ico). Поскольку базовое напряжение равно нулю, ток должен быть нулевым, но, тем не менее, на базе транзистора протекает небольшой отрицательный ток, противоположный обратному току насыщения (-Ico). Таким образом, из-за отрицательного тока на базе транзистора, переходы база-эмиттер и база-коллектор имеют обратное смещение. Следовательно, ток не будет течь от коллектора к эмиттеру транзистора, и мы получаем низкий уровень на выходе, который выключает светодиод.

Режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для приложения «Выключить».

Рис.2: Принципиальная схема транзистора в режиме насыщения

Состояние насыщения:

В этом режиме переход база-эмиттер и база-коллектор находятся в прямом смещении. Когда мы увеличиваем значение напряжения на базе транзистора, это приведет к тому, что напряжение база-эмиттер будет больше, чем пороговое напряжение.В этом случае транзистор находится в полностью открытом состоянии и действует как замыкающий контур или замыкающий переключатель. Поскольку базовый ток очень велик, чтобы получить большой ток коллектора, падение напряжения на сопротивлении R3 достаточно велико. Переход база-эмиттер находится в смещенном состоянии, поскольку эмиттер соединен с землей, а база — с положительным источником питания. Следовательно, путь от коллектора к эмиттеру действует как короткое замыкание, из-за которого ток в эмиттере и коллекторе транзистора почти равен.Теперь ток замыкается от коллектора к эмиттеру, проходит через коллектор транзистора к базе и идет к эмиттеру, который зажигает светодиод.

Режим насыщения транзистора используется в режиме переключения при включении.

Рис. 3: Принципиальная схема транзистора в активном режиме

Активный режим:

В этом режиме переход база-эмиттер транзистора находится в прямом смещении, а переход база-коллектор находится в обратном смещении.В этом режиме транзистор находится в середине состояния отсечки и насыщения. Напряжение на базе транзистора меньше, чем на коллекторе, поэтому переход база-коллектор имеет обратное смещение. С другой стороны, эмиттер находится на земле, поэтому его напряжение меньше, чем у базы, что создает переход между базой и коллектором в обратном смещении. Когда мы прикладываем напряжение между режимами отсечки и насыщения на базу транзистора, транзистор переходит в активное состояние. В этом состоянии электроны, которые текут к базе транзистора, больше притягиваются к коллектору из-за положительного напряжения на коллекторе (из-за обратного смещения).Таким образом, от коллектора к базе проходит большой ток, который больше, чем ток от эмиттера к базе. Поэтому, прикладывая небольшое напряжение к базе, мы получаем высокое значение тока на коллекторе. Это называется усилением входного сигнала. Благодаря этому свойству транзистора в активном состоянии он используется в усилении.


Из рубрики: Electronic Projects


Общие сведения о транзисторах с биполярным переходом

Введение

Транзисторы — фундаментальный компонент цифровой электроники, от которого мы может создавать схемы, которые могут выполнять логику.По своей сути они действуют как переключатели включения / выключения, которыми можно управлять электрически, и хотя это простая концепция, мне было трудно понять именно , как они работали в реальный мир. Например, в сообщении в блоге я написал о понимании комплект колеса рулетки, я не мог понять, что будет за транзистор делаю так, как серия резистор-конденсатор находилась в процессе зарядки; как близко к будет ли конденсатор полностью заряжен до включения затвора?

Многие веб-сайты объясняют, что делают NPN-транзисторы и как коллектор, base и emitter связаны с этим поведением.Например, Sparkfun’s страница транзистора разбивает режимы работы из ваш стандартный транзистор NPN в следующий:

  • Режим насыщения происходит, когда напряжение на базе (относительно земля; В база ) выше как напряжение на эмиттере и коллектор (опять же относительно земли; V эмиттер и В коллектор )
  • активный режим происходит, когда базовое напряжение (V base ) выше чем эмиттер V эмиттер но ниже коллектора V коллектор
  • режим отсечки происходит, когда базовое напряжение (V base ) ниже, чем как коллектор (V коллектор ) и эмиттер (V эмиттер )

Но простых соотношений и нескольких уравнений было недостаточно, чтобы помочь я понимаю, как я могу использовать эти транзисторы в реальных схемах.Так что для ради развития моего собственного понимания транзисторов (в частности, биполярных переходные транзисторы, или BJT), я установил несколько тестов, чтобы охарактеризовать поведение транзистора 2N2222 NPN.

Построение испытательной схемы

Чтобы получить практическое представление о том, как эти режимы выглядят на практике, я построил схему с потенциометром 10K, подключенным к базе, чтобы я мог посмотрим, в какой момент транзистор начал проводить:

где

  • R1 подтягивает напряжение эмиттера от земли (вместе с R4 ), так что мы можем продемонстрировать режим отсечки
  • R2 понижает напряжение коллектора
  • R3 — блокиратор обратного хода для предотвращения короткого замыкания цепи, когда потенциометр сопротивление идет на ноль
  • R4 поднимает напряжение эмиттера от земли
  • R5 — потенциометр 10 кОм для проверки эффекта изменения V база на эмиттере V

С помощью этой схемы мы можем напрямую измерить три напряжения, которые управляют поведение нашего NPN-транзистора при включении схемы в трех местах:

, а затем проведение измерений при отклонении потенциометра от нулевого сопротивления. на полные 10 кОм.Самый простой способ — использовать простой мультиметр. способ провести этот эксперимент, если это немного утомительно:

На фото выше черный зажим прикреплен к земле, а красный зажим — к земле. прикреплен к коллектору.

Эксперименты с тестовой схемой

Медленно поворачивая потенциометр и измеряя напряжение на коллектор, база, эмиттер, мы можем очень четко увидеть, как влияет напряжение на База (V base ) имеет на эмиттер и коллектор.Набор в потенциометр для установки V base на значения в диапазоне от 0 до 3,3 В с шагом 0,1 В и измерение других напряжений дает нам следующее:

На этой диаграмме много интересных данных, поэтому давайте рассмотрим несколько вещи, которые он говорит нам о транзисторах NPN.

1. Определение различных режимов транзистора

Как обсуждалось выше, транзисторы NPN могут работать в одном из трех режимов:

Режим Критерии Поведение
Насыщенность V цоколь > V коллектор
V цоколь > V эмиттер
Работает как выключатель
Активный V коллектор > V цоколь > V эмиттер V излучатель пропорционален базе V
Отсечка V цоколь коллектор
V цоколь эмиттер
Работает как разомкнутый выключатель

На нашем графике измеренных данных эти режимы представлены следующим образом:

И действительно, мы видим, что

  • в режиме отсечки, коллектор остается под постоянным высоким напряжением, в то время как эмиттер остается при постоянном низком напряжении
  • в режиме насыщения, коллектор находится под тем же напряжением , что и эмиттер, и действует как короткое замыкание. цепь
  • в активном режиме, разница напряжений коллектор-эмиттер уменьшается по мере того, как напряжение базы увеличивается

Поведение во всех трех регионах заметно линейно; поскольку V base является увеличивается, результирующее изменение двух других напряжений напрямую пропорциональный.Это удобно, потому что другие цифровые компоненты (как и серия RC) , а не , имеют простое линейное поведение; хорошо знать, что транзистор NPN не усложняет еще больше, вводя другие нелинейное поведение.

2. Определение напряжения включения

Один из практических аспектов работы транзисторов — это диапазон напряжений, в котором они работают. должен быть в активном режиме, но транзистор все еще ведет себя так, как если бы он был в режим отсечки — то есть V base > V emitter но транзистор по-прежнему не пропускает ток.В наших измеренных данных это происходит между базовыми значениями V от 0,6 В до 1,2 В:

Это минимальное напряжение для получения любой проводимости называется напряжением включения . Получается, что когда разница между V base и В эмиттер ниже этого напряжения включения 0,6 В, транзистор ведет себя так, как будто он все еще находится в режиме отсечки. Это V BE <0,6 В критерии - внутреннее свойство транзистора; даже если V коллектора составляет 5 В (или выше), этот порог 0.Остается 6 В постоянный.

Это критическое свойство транзисторов с биполярным переходом, поскольку любой источник сопротивление, которое вы поставили после того, как эмиттер подтянет V эмиттер и поэтому увеличьте базу V

, которую вам нужно поставить, чтобы транзистор начать проводить. Например, прикрепив светодиод к эмиттеру в цепи 3,3 В может не всегда работать должным образом — у вас есть только 0,7 В поиграйте с опережением коллектора после падения 2,0 В на светодиодах, и это Напряжение включения 0,6 В.

Характеристики транзисторов PNP

Транзисторы

PNP могут работать в одном из трех режимов:

Режим Критерии Поведение
Насыщенность V цоколь коллектор
V цоколь эмиттер
Работает как выключатель
Активный V эмиттер > V цоколь > V коллектор V излучатель пропорционален базе V
Отсечка V цоколь > V коллектор
V цоколь > V эмиттер
Работает как разомкнутый выключатель

, что по сравнению с таблицей для транзисторов NPN представляет собой почти полная противоположность режимам NPN.А если подключить резистор PNP (например, 2N2907) в нашу тестовую схему как есть и запускаем эксперимент, мы получаем очень странные результаты:

Согласно приведенной выше таблице, почти все значения V base мы Тестирование происходит в четвертом режиме, который называется обратно-активным режимом , где V эмиттер база коллектор . Это происходит потому, что ток течет от эмиттера к коллектору в PNP. транзисторы; мы только что перевернули наш PNP-транзистор!

Чтобы применить экспериментальную технику, которую мы использовали для характеристики NPN транзисторов на транзисторах PNP, есть несколько изменений, которые мы должны сделать, чтобы наша тестовая схема:

  1. Мы должны заменить NPN 2N2222 на PNP 2N2907 и перевернуть полярность так, чтобы эмиттер находился под более высоким напряжением, чем коллектор.
  2. R1 должен быть подключен после R2 сейчас. В нашей тестовой схеме NPN R1 работа заключалась в том, чтобы поднять напряжение на стороне низкого напряжения транзистора, чтобы мы мог наблюдать режим отсечки, когда V base был ниже, чем V излучатель . В этой испытательной схеме PNP будет наблюдаться режим отсечки. когда V base выше, чем V emitter , поэтому перемещение R1 будет Вытаскиваем V эмиттер из нашего +3.Источник 3 В.
  3. R2 следует заменить на более низкое сопротивление, чтобы мы могли наблюдать режим насыщения. В тестовой схеме NPN задача R2 заключалась в том, чтобы тянуть V коллектор внизу V основание , где V основание регулируется (частично) R3 . Режим насыщения в этом случае PNP требует что V эмиттер будет на выше , чем V base (опять же, частично на R3 ), поэтому R2 не должен быть больше R3 .

Применение этих трех изменений дает схему, которая выглядит следующим образом:

Обратите внимание, что, поскольку эмиттер и коллектор физически перевернуты, мы должны позаботьтесь о том, чтобы не забыть, какой вывод транзистора мы измеряем нашим мультиметр!

Эта испытательная схема транзистора PNP демонстрирует следующие соотношения между коллектором V , базой V и эмиттером V :

На первый взгляд, это может сильно отличаться от графика напряжения NPN-транзистора. из предыдущего раздела.Однако, если вы посмотрите на это вверх ногами, вы можете возможность увидеть, насколько похожи транзисторы PNP и NPN. Все одинаковые режимы присутствуют, как и напряжение включения:

Единственное отличие, как вам скажет любой учебник, состоит в том, что транзисторы PNP включены, когда базовое напряжение низкое.

Следующие шаги

Эти эксперименты поясняют, но их также очень утомительно проводить. с механическим потенциометром и портативным мультиметром. Чтобы выполнить это своего рода характеристики более сложных схем, таких как логические вентили, мы нужен более эффективный способ изменения напряжения и проведения измерений.К этому конец, я написал на странице о том, как использовать цифровой потенциометр (дигипот) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вместе с Raspberry Pi для автоматизации этих эксперименты.

Работа транзистора как переключателя

В этом руководстве по транзисторам мы узнаем о работе транзистора как переключателя. Переключение и усиление — это две области применения транзисторов и транзисторов, поскольку коммутатор является основой для многих цифровых схем. Мы изучим различные режимы работы (активный, насыщенный и отключенный) транзистора, то, как транзистор работает как переключатель (как NPN, так и PNP), а также некоторые практические прикладные схемы, использующие транзистор в качестве переключателя.

Введение

Транзисторы — это трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами, которое часто используется в операциях усиления сигналов и коммутации. Как одно из важных электронных устройств, транзистор нашел применение в огромном количестве приложений, таких как встроенные системы, цифровые схемы и системы управления.

Вы можете найти транзисторы как в цифровой, так и в аналоговой областях, поскольку они широко используются для различных приложений, таких как схемы переключения, схемы усилителя, схемы питания, цифровые логические схемы, регуляторы напряжения, схемы генераторов и т. Д.

В этой статье основное внимание уделяется переключающему действию транзистора и дается краткое объяснение транзистора как переключателя.

Краткое описание BJT

Существует два основных семейства транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Биполярный транзистор или просто БЮТ представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами и двумя переходами. Он состоит из двух PN-переходов, соединенных спина к спине с общим средним слоем.

Когда мы говорим термин «транзистор», он часто относится к BJT. Это устройство с контролем тока, в котором выходной ток регулируется входным током. Название биполярное указывает на то, что два типа носителей заряда, то есть электроны и дырки, проводят ток в BJT, где дырки являются носителями положительного заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда.

Транзистор имеет три области: базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер является сильно легированным выводом и испускает электроны в базу.Вывод базы слегка легирован и передает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Вывод коллектора умеренно легирован и собирает электроны с базы. Этот коллектор больше по сравнению с двумя другими областями, поэтому он может рассеивать больше тепла.

BJT бывают двух типов: NPN и PNP. Оба они работают одинаково, но различаются по смещению и полярности источника питания. В транзисторе PNP материал N-типа зажат между двумя материалами P-типа, тогда как в случае транзистора NPN материал P-типа зажат между двумя материалами N-типа.

Эти два транзистора могут иметь разные типы, такие как общий эмиттер, общий коллектор и общая базовая конфигурация.

Если вы хотите работать с MOSFET в качестве коммутатора, сначала изучите основы MOSFET.

Режимы работы транзисторов

В зависимости от условий смещения, таких как прямое или обратное, транзисторы имеют три основных режима работы, а именно области отсечки, активности и насыщения.

Активный режим

В этом режиме транзистор обычно используется в качестве усилителя тока.В активном режиме два перехода смещены по-разному, что означает, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении. В этом режиме ток течет между эмиттером и коллектором, и величина протекающего тока пропорциональна базовому току.

Режим отсечки

В этом режиме коллекторный базовый переход и эмиттерный базовый переход смещены в обратном направлении. Поскольку оба PN-перехода имеют обратное смещение, ток почти не протекает, за исключением небольших токов утечки (обычно порядка нескольких наноампер или пикоампер).BJT в этом режиме выключен и, по сути, представляет собой разомкнутую цепь.

Область отсечки в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

Режим насыщения

В этом режиме работы переходы эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении. Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру с почти нулевым сопротивлением. В этом режиме транзистор полностью включен и представляет собой замкнутую цепь.

Область насыщения также в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

На рисунке ниже показаны выходные характеристики BJT. На приведенном ниже рисунке область отсечки имеет рабочие условия, когда выходной ток коллектора равен нулю, нулевой базовый входной ток и максимальное напряжение коллектора. Эти параметры приводят к образованию большого обедненного слоя, который также не позволяет току течь через транзистор. Следовательно, транзистор полностью выключен.

Точно так же в области насыщения транзистор смещен таким образом, что прикладывается максимальный ток базы, что приводит к максимальному току коллектора и минимальному напряжению коллектор-эмиттер.Это приводит к уменьшению размера обедненного слоя и пропусканию максимального тока через транзистор. Следовательно, транзистор полностью открыт.

Следовательно, из приведенного выше обсуждения мы можем сказать, что транзисторы можно заставить работать как твердотельный переключатель ВКЛ / ВЫКЛ, работая транзистором в областях отсечки и насыщения. Этот тип коммутационного приложения используется для управления светодиодами, двигателями, лампами, соленоидами и т. Д.

Транзистор как переключатель

Транзистор может использоваться для переключения для размыкания или замыкания цепи.Твердотельное переключение этого типа обеспечивает значительную надежность и меньшую стоимость по сравнению с обычными реле.

В качестве переключателей можно использовать транзисторы NPN и PNP. В некоторых приложениях в качестве переключающего устройства используется силовой транзистор, при этом может потребоваться другой транзистор уровня сигнала для управления мощным транзистором.

Транзистор NPN как переключатель

На основе напряжения, приложенного к клемме базы, выполняется операция переключения транзистора.Когда между базой и эмиттером приложено достаточное напряжение (V IN > 0,7 В), напряжение коллектор-эмиттер примерно равно 0. Следовательно, транзистор действует как короткое замыкание. Коллекторный ток V CC / R C протекает через транзистор.

Аналогично, когда на вход не подается напряжение или нулевое напряжение, транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь. В этом типе коммутационного соединения нагрузка (здесь светодиод используется в качестве нагрузки) подключается к коммутационному выходу с контрольной точкой.Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь от источника к земле через нагрузку.

Пример транзистора NPN в качестве переключателя

Рассмотрим пример ниже, где сопротивление базы R B = 50 кОм, сопротивление коллектора R C = 0,7 кОм, V CC составляет 5 В, а значение бета равно 125. В основании подается входной сигнал в диапазоне от 0 В до 5 В. Мы собираемся увидеть выход на коллекторе, изменяя напряжение V I в двух состояниях: 0 и 5 В, как показано на рисунке.

I C = V CC / R C , когда V CE = 0

I C = 5 В / 0,7 кОм

I C = 7,1 мА

Базовый ток I B = I C / β

I B = 7,1 мА / 125

I B = 56,8 мкА

Из приведенных выше расчетов максимальное или пиковое значение тока коллектора в цепи составляет 7,1 мА, когда напряжение V CE равно нулю.И соответствующий ток базы для этого тока коллектора составляет 56,8 мкА.

Итак, ясно, что при увеличении тока базы выше 56,8 мкА транзистор переходит в режим насыщения.

Рассмотрим случай, когда на входе подается нулевое напряжение. Это приводит к тому, что базовый ток равен нулю, и, поскольку эмиттер заземлен, базовый переход эмиттера не смещен в прямом направлении. Следовательно, транзистор находится в состоянии ВЫКЛ, а выходное напряжение коллектора равно 5 В.

Когда V I = 0 В, I B = 0 и I C = 0,

V C = V CC — (I C * R C )

= 5V — 0

= 5V

Предположим, что приложенное входное напряжение составляет 5 вольт, тогда базовый ток можно определить, применив закон Кирхгофа для напряжения.

Когда V I = 5 В,

I B = (V I — V BE ) / R B

Для кремниевого транзистора, V BE = 0.7 В

Таким образом, I B = (5 В — 0,7 В) / 50 кОм

= 86 мкА, что больше 56,8 мкА

Следовательно, поскольку базовый ток больше 56,8 мкА, транзистор будет доведен до насыщения, т. е. он будет полностью включен, когда на входе приложено 5 В. Таким образом, выход на коллекторе становится примерно нулевым.

Транзистор PNP как переключатель

Транзистор PNP работает так же, как NPN для операции переключения, но ток течет от базы.Этот тип переключения используется для конфигураций с отрицательным заземлением. Для транзистора PNP клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру.

При этом переключении базовый ток протекает, когда базовое напряжение более отрицательное. Проще говоря, низкое напряжение или более отрицательное напряжение вызывает короткое замыкание транзистора, в противном случае это будет разомкнутая цепь.

При этом нагрузка подключается к транзисторному коммутационному выходу с опорной точкой. Когда транзистор включен, ток течет от источника через транзистор к нагрузке и, наконец, к земле.

Пример транзистора PNP в качестве переключателя

Подобно схеме транзисторного переключателя NPN, вход схемы PNP также является базовым, но эмиттер подключен к постоянному напряжению, а коллектор подключен к земле через нагрузку, как показано на рисунке .

В этой конфигурации база всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру путем соединения базы на отрицательной стороне и эмиттера на положительной стороне входного источника питания. Итак, напряжение V BE отрицательное, а напряжение питания эмиттера относительно коллектора положительное (V CE положительное).

Следовательно, для проводимости транзистора эмиттер должен быть более положительным как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе. Другими словами, база должна быть более отрицательной по отношению к эмиттеру.

Для расчета токов базы и коллектора используются следующие выражения.

I C = I E — I B

I C = β * I B

I B = I C / β

Рассмотрим приведенный выше пример. нагрузка требует тока 100 мА, а бета-значение транзистора равно 100.Тогда ток, необходимый для насыщения транзистора, равен

Минимальный базовый ток = ток коллектора / β

= 100 мА / 100

= 1 мА

Следовательно, когда базовый ток равен 1 мА, транзистор будет полностью открыт. . Но для гарантированного насыщения транзистора требуется практически на 30% больше тока. Итак, в этом примере требуемый базовый ток составляет 1,3 мА.

Практические примеры транзистора в качестве переключателя

Транзистор
для переключения светодиода

Как обсуждалось ранее, транзистор можно использовать в качестве переключателя.На схеме ниже показано, как транзистор используется для переключения светоизлучающего диода (LED).

  • Когда переключатель на клемме базы разомкнут, ток через базу не течет, поэтому транзистор находится в состоянии отсечки. Таким образом, транзистор работает как разомкнутый контур, и светодиод гаснет.
  • Когда переключатель замкнут, базовый ток начинает течь через транзистор, а затем достигает насыщения, в результате чего загорается светодиод.
  • Резисторы установлены для ограничения токов, протекающих через базу и светодиод.Также можно изменять интенсивность светодиода, изменяя сопротивление на пути тока базы.

Транзистор для работы реле

Также можно управлять работой реле с помощью транзистора. С помощью небольшой схемы транзистора, способного возбуждать катушку реле, так что внешняя нагрузка, подключенная к ней, управляется.

  • Рассмотрим приведенную ниже схему, чтобы узнать, как работает транзистор для подачи питания на катушку реле.Входной сигнал, приложенный к базе, переводит транзистор в область насыщения, что в дальнейшем приводит к короткому замыканию в цепи. Таким образом, на катушку реле подается напряжение и срабатывают контакты реле.
  • При индуктивных нагрузках, особенно при переключении двигателей и катушек индуктивности, внезапное отключение питания может поддерживать высокий потенциал на катушке. Это высокое напряжение может привести к значительному повреждению остальной цепи. Следовательно, мы должны использовать диод параллельно с индуктивной нагрузкой, чтобы защитить схему от индуцированных напряжений индуктивной нагрузки.

Транзистор для управления двигателем
  • Транзистор также может использоваться для однонаправленного управления и регулирования скорости двигателя постоянного тока путем переключения транзистора через равные промежутки времени, как показано на рисунке ниже.
  • Как упоминалось выше, двигатель постоянного тока также является индуктивной нагрузкой, поэтому мы должны разместить на нем диод свободного хода для защиты цепи.
  • Переключая транзистор в областях отсечки и насыщения, мы можем многократно включать и выключать двигатель.
  • Также можно регулировать скорость двигателя от состояния покоя до полной скорости, переключая транзистор на регулируемые частоты. Мы можем получить частоту переключения от управляющего устройства или микросхемы, например микроконтроллера.

У вас есть четкое представление о том, как транзистор можно использовать в качестве переключателя? Мы надеемся, что предоставленная информация с соответствующими изображениями и примерами проясняет всю концепцию переключения транзисторов. Далее, если у вас есть сомнения, предложения и комментарии, вы можете написать ниже.

Заключение

Полное руководство по использованию транзистора в качестве переключателя. Изучите основы биполярного переходного транзистора, области работы транзистора, работу транзисторов NPN и PNP в качестве переключателя, практическое применение переключающего транзистора.

4.3: Проверка счетчика транзистора (BJT)

Биполярные транзисторы состоят из трехслойного полупроводникового «сэндвича» PNP или NPN. Таким образом, транзисторы регистрируются как два диода, соединенных последовательно при тестировании с помощью функции «сопротивления» или «проверки диодов» мультиметра, как показано на рисунке ниже.Показания низкого сопротивления на базе с черными отрицательными (-) выводами соответствуют материалу N-типа в базе транзистора PNP. На символе на материал N-типа «указывает» стрелка перехода база-эмиттер, которая является базой для этого примера. Эмиттер P-типа соответствует другому концу стрелки перехода база-эмиттер, эмиттеру. Коллектор очень похож на эмиттер, а также является материалом P-типа PN перехода.

Проверка счетчика транзисторов PNP: (a) прямые B-E, B-C, сопротивление низкое; (б) обратные B-E, B-C, сопротивление ∞.

Здесь я предполагаю использовать мультиметр с функцией только одного диапазона (сопротивления) для проверки PN-переходов. Некоторые мультиметры оснащены двумя отдельными функциями проверки целостности цепи: сопротивлением и «проверкой диодов», каждая из которых имеет собственное назначение. Если ваш измеритель имеет назначенную функцию «проверки диодов», используйте ее, а не диапазон «сопротивления», и измеритель будет отображать фактическое прямое напряжение PN-перехода, а не только то, проводит ли он ток.

Показания счетчика

, конечно, будут прямо противоположными для NPN-транзистора, с обоими PN-переходами, обращенными в другую сторону. Показания низкого сопротивления с красным (+) проводом на базе — это «противоположное» состояние для NPN-транзистора.

Если в этом тесте используется мультиметр с функцией «проверки диодов», будет обнаружено, что переход эмиттер-база имеет немного большее прямое падение напряжения, чем переход коллектор-база. Эта прямая разница напряжений возникает из-за несоответствия в концентрации легирования между эмиттерной и коллекторной областями транзистора: эмиттер представляет собой гораздо более легированный кусок полупроводникового материала, чем коллектор, в результате чего его соединение с базой создает более высокое прямое напряжение. уронить.

Зная это, становится возможным определить, какой провод какой на немаркированном транзисторе. Это важно, потому что упаковка транзисторов, к сожалению, не стандартизирована. Конечно, все биполярные транзисторы имеют три провода, но расположение трех проводов на физическом корпусе не организовано в каком-либо универсальном стандартизированном порядке.

Предположим, технический специалист находит биполярный транзистор и приступает к измерению целостности цепи с помощью мультиметра, установленного в режиме «проверки диодов».Измеряя между парами проводов и записывая значения, отображаемые измерителем, технический специалист получает данные, показанные на рисунке ниже.

Неизвестный биполярный транзистор. Какие терминалы являются эмиттерным, базовым и коллекторным? Показания омметра между клеммами.

Единственными комбинациями контрольных точек, дающими показания измерителя, являются провода 1 и 3 (красный измерительный провод на 1 и черный измерительный провод на 3) и провода 2 и 3 (красный измерительный провод на 2 и черный измерительный провод на 3).Эти два показания должны указывать на прямое смещение перехода эмиттер-база (0,655 В) и перехода коллектор-база (0,621 В).

Теперь мы ищем один провод, общий для обоих наборов показаний проводимости. Это должно быть базовое соединение транзистора, потому что база является единственным слоем трехслойного устройства, общим для обоих наборов PN-переходов (эмиттер-база и коллектор-база). В этом примере этот провод имеет номер 3 и является общим для комбинаций контрольных точек 1-3 и 2-3.В обоих наборах показаний измерителя черный (-) измерительный провод касался провода 3, что говорит нам о том, что база этого транзистора сделана из полупроводникового материала N-типа (черный = отрицательный). Таким образом, транзистор представляет собой PNP с базой на проводе 3, эмиттером на проводе 1 и коллектором на проводе 2, как показано на рисунке ниже.

Клеммы BJT, идентифицированные омметром.

Обратите внимание, что базовым проводом в этом примере является , а не средний вывод транзистора, как можно было бы ожидать от трехслойной «сэндвич-модели» биполярного транзистора.Это довольно часто бывает и сбивает с толку новичков, изучающих электронику. Единственный способ узнать, какой именно провод — это проверить счетчик или обратиться к документации производителя на этот конкретный номер детали транзистора.

Знание того, что биполярный транзистор ведет себя как два встречных диода при тестировании с помощью измерителя проводимости, полезно для идентификации неизвестного транзистора исключительно по показаниям измерителя. Это также полезно для быстрой функциональной проверки транзистора.Если бы техник измерил целостность цепи более чем в двух или в любом менее чем двух из шести комбинаций измерительных выводов, он или она немедленно узнал бы, что транзистор неисправен (или что это не биполярный транзистор, а скорее что-то еще — отличная возможность, если для точной идентификации нельзя сослаться на номера деталей!). Однако модель транзистора с «двумя диодами» не может объяснить, как и почему он действует как усилительное устройство.

Чтобы лучше проиллюстрировать этот парадокс, давайте рассмотрим одну из схем транзисторного переключателя, используя физическую схему на рисунке ниже, а не схематический символ, представляющий транзистор.Таким образом будет легче увидеть два PN-перехода.

Небольшой базовый ток, протекающий в смещенном в прямом направлении переходе база-эмиттер, позволяет протекать большому току через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.

Диагональная стрелка серого цвета показывает направление потока электронов через переход эмиттер-база. Эта часть имеет смысл, поскольку электроны текут от эмиттера N-типа к базе P-типа: переход явно смещен в прямом направлении.А вот переход база-коллектор — совсем другое дело. Обратите внимание на то, как толстая стрелка серого цвета указывает в направлении потока электронов (вверх) от базы к коллектору. Поскольку основание выполнено из материала P-типа, а коллектор из материала N-типа, это направление электронного потока явно противоположно направлению, обычно ассоциируемому с PN-переходом! Обычное PN-соединение не допускает этого «обратного» направления потока, по крайней мере, без существенного сопротивления. Однако насыщенный транзистор оказывает очень слабое сопротивление электронам на всем пути от эмиттера до коллектора, о чем свидетельствует освещение лампы!

Очевидно, что здесь происходит что-то, что противоречит простой объяснительной модели «двух диодов» биполярного транзистора.Когда я впервые узнал о работе транзисторов, я попытался построить свой собственный транзистор из двух последовательно включенных диодов, как показано на рисунке ниже.

Пара встречных диодов не работает как транзистор!

Моя схема не работала, и я был озадачен. Каким бы полезным ни было описание транзистора «два диода» для целей тестирования, оно не объясняет, как транзистор ведет себя как управляемый переключатель.

В транзисторе происходит следующее: обратное смещение перехода база-коллектор предотвращает ток коллектора, когда транзистор находится в режиме отсечки (то есть, когда ток базы отсутствует).Если переход база-эмиттер смещен в прямом направлении управляющим сигналом, обычно блокирующее действие перехода база-коллектор отменяется, и через коллектор разрешается ток, несмотря на то, что электроны проходят «неправильным путем» через этот PN соединение. Это действие зависит от квантовой физики полупроводниковых переходов и может иметь место только тогда, когда два перехода должным образом разнесены и концентрации легирования трех слоев правильно пропорциональны. Два диода, соединенные последовательно, не соответствуют этим критериям; верхний диод никогда не может «включиться» при обратном смещении, независимо от того, сколько тока проходит через нижний диод в контуре базового провода.См. Биполярные переходные транзисторы, Раздел 2, для получения более подробной информации.

То, что концентрации легирования играют решающую роль в особых возможностях транзистора, также подтверждается тем фактом, что коллектор и эмиттер не взаимозаменяемы. Если рассматривать транзистор просто как два соединенных друг с другом PN перехода или просто как простой сэндвич из материалов N-P-N или P-N-P, может показаться, что любой конец транзистора может служить коллектором или эмиттером. Однако это не так. При подключении «в обратном направлении» в цепи ток база-коллектор не сможет управлять током между коллектором и эмиттером.Несмотря на то, что эмиттерный и коллекторный слои биполярного транзистора имеют одно и то же легирование типа (N или P), коллектор и эмиттер определенно не идентичны!

Ток через переход эмиттер-база пропускает ток через переход база-коллектор с обратным смещением. Действие базового тока можно представить как «открытие затвора» для тока через коллектор. Более конкретно, любая заданная величина тока эмиттер-база допускает ограниченную величину тока базы-коллектора.На каждый электрон, который проходит через переход эмиттер-база и далее через базовый провод, через переход база-коллектор проходит определенное количество электронов, и не более того.

В следующем разделе это ограничение тока транзистора будет исследовано более подробно.

Обзор

  • При тестировании мультиметром в режимах «сопротивление» или «проверка диода» транзистор ведет себя как два встречных PN (диодных) перехода.
  • PN-переход эмиттер-база имеет немного большее прямое падение напряжения, чем PN-переход коллектор-база, из-за более сильного легирования полупроводникового слоя эмиттера.
Схем

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *