Электронные компоненты

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор. Общие сведения

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими между собой р-п–переходами и тремя или более выводами.

Или так:

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, выполненный на кристаллах со структурой p-n-p типа (а) или n-p-n типа (б) с тремя выводами, связанными с тремя слоями (областями): коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э).

Схема и обозначения биполярных транзисторов

База «Б» — это средний тонкий слой, служащий для смещения эмиттерного и коллекторного переходов. Толщина базы должна быть меньше длины свободного пробега носителей заряда. Эмиттер «Э» — наружный слой, источник носителей заряда с высокой концентрацией носителей, значительно бoльшей, чем в базе. Второй наружный слой «К», принимающий носителей заряда, называют коллектором.

Ток в таком транзисторе определяется движением зарядов двух типов: электронов и дырок. Отсюда его название — биполярный транзистор.

Физические процессы в транзисторах p-n-p типа и n-p-n типа одинаковы. Отличие их в том, что токи в базах транзисторов p-n-p типа переносятся основными носителями зарядов — дырками, а в транзисторах n-p-n типа — электронами.

Модель транзистора как усилителя тока

Эта модель проста для понимания и годится, пожалуй, для 95% случаев расчёта транзисторных схем.

Первое утверждение заключается в том, что ток, протекающий через коллектор-эмиттер примерно прямо пропорционален току, протекающему через базу-эмиттер.

$$I_{К}=h_{21э}I_{Б}$$

Здесь \(h_{21э}\) - безразмерный коэффициент, являющийся справочным данным на конкретный транзистор и равен от примерно 10 до нескольких сотен в зависимости от конкретного экземпляра.

Токовая цепь база-эмиттер в биполярном транзисторе является управляющей по отношению к управляемой токовой цепи коллектор-эмиттер.

Второе утверждение: ток коллектора и ток базы суммируются в эмиттере.

$$I_{Э}=I_{К}+I_{Б}$$

Поскольку переход база-эмиттер в активном состоянии открыт, то на нём падает некоторое напряжение. Оно логарифмически меняется в зависимости от тока через эмиттерный переход. Например при токе коллектора 1ма - 0,5В; 10мА - 0,6В; 100ма - 0,7В.

Поэтому третье утверждение состоит в том, что напряжение на базе в рабочем транзисторе всегда примерно на 0,6В выше напряжения на эмиттере. Это справедливо для кремниевых транзисторов. Для германиевых транзисторов падение напряжения втрое меньше и составляет около 0,2В.

$$U_{Б}=U_{Э}+0,6В$$

уточним, что полярности напряжений указаны для транзисторов n-р-n -типа, их следует изменить на противоположные для транзисторов р-n-р -типа.

Наша первая схема

Схема биполярного транзистора с общим эмиттером.

У нас имеется лампочка на 12В, которая потребляет 100мА. Сделаем схему, в которой транзистор будет включать и выключать лампочку, а управлять (для простоты понимания) будем выключателем.

На рисунке выключатель разомкнут, поэтому ток базы отсутствует, равен 0. Согласно первому утверждению ток коллектора так же равен нулю. Лампочка включена в цепь коллектора, - следовательно она не светится.

Положим, что транзистор, который мы взяли имеет коэффициент \(h_{21э}\), равный 100. Максимально допустимый ток коллектора его более 100мА и максимальное рабочее напряжение более 12В.

Схема биполярного транзистора с общим эмиттером.

Теперь попробуем замкнуть выключатель. Цепь базы (+12В...выключатель...резистор...переход Б-Э...0В) замкнута, значит по ней течёт ток. Попробуем определить значение этого тока по закону Ома.

По утверждению 3 напряжение на базе открытого транзистора на 0,6В больше, чем на эмиттере. На эмиттере 0В, значит на базе напряжение равно +0,6В. Выключатель замкнут и имеет практически нулевое сопротивление - падение напряжения на его контактах равно нулю. Определим падение напряжения на резисторе.

$$U_{R_{Б}}=12В-0,6В-0В=11,4В$$

По закону Ома, зная напряжение на резисторе (11,4В) и зная кго сопротивление (1 КОм) определим ток через резистор, который и есть ток базы транзистора.

$$I_{Б}=\frac{U_{R_{Б}}}{R_{Б}}=\frac{11,4В}{1кОм}=11,4мА$$

Транзистор открывается и лампочка светится. Можете проверить это на опыте.

Если Вы достаточно внимательны, то первое открытие, которое Вы сделали это то, что управляющим током величиной 11,4мА зажгли лампочку, которая потребляет на порядок больший ток - 100мА. Транзистор, как оно оказалось, имеет усилительный эффект! Это же потрясающее открытие! Можно усиливать и сигналы. Например, чрезвычайно малый сигнал звука с микрофона мы можем усилить так, что он прогремит на целый стадион! Да, одного транзистора мало. Поставим десять! Да, хоть сто! Главное, что мысль пошла работать, ступор по отношению к транзистору окончен! Теперь Вы начали, кажется... что-то понимать!

Но, двигаем дальше. Стоит отметить, что режим работы транзистора, когда он либо включен, либо выключен - это переключательный (ключевой режим). Однако, транзистор может работать и в режиме, когда он и не выключен и не включен. Но об этом позже.

Ещё всмотримся в схему и посмотрим на каких выводах транзистора напряжение меняется, а на каких неизменно. На коллекторе напряжение меняется - когда лампочка не светится, на коллекторе +12В, когда лампочка горит, то на коллекторе напряжение мало, но не равно нулю. Оно порядка 0,05...0,5В в зависимости от самого транзистора и насколько сильно он открыт. На эмиттере, понятно, что всегда 0В. На базе при включении и выключении напряжение тоже меняется, но очень незначительно, в небольших пределах.

Если в схеме напряжение на эмиттере неизменно, то схема называется схемой с общим эмиттером. Если в схеме напряжение на коллекторе неизменно, то схема называется с общим коллектором. Если напряжение на базе неизменно, то схема называется с общей базой.

Наша схема - с общим эмиттером.

Давайте, проверим формулу утверждения 1. Подставим ток базы и найдём по ней ток коллектора.

$$I_{К}=h_{21э}I_{Б}=11,4мА \times 100 = 1140мА=1,14А$$

Как? Формула не верна? Верна, конечно. Если бы коллектор накоротко был бы замкнут на +12В, то именно такой ток коллектора и был бы, если выбранный транзистор способен выдержать такой ток.

Сама лампочка, подключенная к 12В ограничивает ток на уровне 100мА. По условию мы такую лампочку выбрали. Да, ток коллектора и будет равен 100мА - току потребления лампочки.

Тогда, может, быть сама база как-нибудь ограничивает свой ток, чтобы кратность токов коллектора и базы была всё-таки 100? Нет. Имея в виду утверждение 3 (\(U_{Б}=U_{Э}+0,6В\)) ток базы задаётся только резистором.

Режим работы транзистора, при котором \(I_{Б}\times h_{21_{Э}}>I_{К}\) называется режимом насыщения транзистора

При конструировании таких переключающих схем всегда задавайте ток базы больше, чем требуется. Тогда транзистор гарантировано откроется и включит нагрузку. Следует помнить, что от экземпляра к экземпляру для транзисторов одной марки всегда есть разброс параметра \(h_{21э}\). И, случись, что придётся заменить транзистор или повторить такую схему ещё раз, чтобы не получилось так, что она не работает как надо.

Золотое правило схемотехники: Если параметры вашей схемы зависят от параметров \(h_{21э}\) транзисторов - это плохая схема. Характеристики хорошей схемы не зависят от параметра \(h_{21э}\) транзисторов.

В режиме насыщения напряжение на коллекторе всегда меньше напряжения на базе. Именно так. Как бы это странным ни казалось. Подумайте об этом ещё раз глядя на рисунок вначале. Да, несколько парадоксально. Даже не все инженеры это понимают. Поэтому автор намеренно акцентирует ваше внимание. Хотя, если Вы посмотрите справочные данные на любой транзистор, то увидите, что напряжение насыщения база-эмиттер действительно больше напряжения насыщения коллектор-эмиттер. Да и кому нужен был бы такой транзистор, на котором в открытом состоянии упало бы несколько вольт?!

Включение индуктивной нагрузки в коллектор транзистора.

Если Вам потребуется транзистором включать и выключать индуктивную нагрузку, например, моторчик или обмотку реле, то параллельно нагрузке следует включить в обратном направлении диод, чтобы выброс напряжения при выключении нагрузки не испортил транзистор. А индуктивность будет пытаться это сделать. Без диода транзистор может и останется цел, а может и нет. Лучше заручиться поддержкой диода.

Ниже приведены схемы неправильного включения транзистора.

Неправльное включение биполярного транзистора.

Переход транзистора в прямом направлении (открыт) нельзя подключать к источнику напряжения (ЭДС) напрямую. Даже, если источник будет рассчитан точно, например 0,5864356...В с точностью 0,00001% - это не спасёт транзистор от мгновенного выхода из строя. Так как падение напряжения на переходе 0,6В с ростом температуры уменьшается. И даже в таком изысканном случае произойдёт лавинообразный рост тока из-за нагрева перехода.

Если Вы всё-таки решили подать на базу без резистора напряжение хоть, даже 1 вольт, то перед этим оденьте защитные очки.

Схемы с общим эмиттером для транзисторов разной проводимости

На выше приведённом рисунке видно различие включения транзисторов n-p-n и p-n-p. Всё так же, но схема включения зеркальна относительно полюсов питания.

Стрелка в изображении эмиттера на схеме для n-p-n - от базы, для p-n-p - к базе. Стрелка показывает общепринятое направление тока (от плюса к минусу).

Эмиттерный повторитель

В предыдущей схеме мы включили лампочку в цепь коллектора. А что, если попробовать её включить в эмиттер? Давайте, попробуем!

Включение нагрузки в эмиттер транзистора.

Вывод «база» пока не подключен. Значит ток базы равен нулю. Согласно первому утверждению ток коллектора \(I_{К}=h_{21э}I_{Б}\) так же равен нулю.

Ток эмиттера по второму утверждению \(I_{Э}=I_{К}+I_{Б}\) тоже равен нулю. Значит, лампочка не светится.

А как на счёт напряжений? Если лампочка не светится, то на ней напряжения нет. Иначе бы светилась. Значит всё напряжение питания приложено к эмиттеру и коллектору транзистора, который в данном случае закрыт и не проводит ток.

В такой схеме, которая называется «эмиттерный повторитель» токозадающий резистор в цепи базы не требуется. Так что смело можем подать на базу напряжение. Потому, что мы его не подаём непосредственно на переход база-эмиттер, а на переход с последовательно включённой лампочкой.

Попробуем подать напряжение как показано на схеме ниже от «Кроны» (9В).

Схемы с общим эмиттером для транзисторов разной проводимости

Напряжение на эмиттере согласно третьему утверждению (\(U_{Б}=U_{Э}+0,6В\)) составит 8,4В - лампочка светится, но не во весь накал.

Найдём сопротивление лампочки исходя их её переметров - 12В и 100мА по закону Ома.

$$R_{Л}=\frac{12В}{0,1А}=120 Ом$$

Найдём ток эмиттера, который равен току через лампочку по закону Ома.

$$I_{Э}=\frac{8,4 В}{120 Ом}=0,07 А=70 мА$$

Теперь определим ток базы по первому утверждению

$$I_{Б}=\frac{I_{К}}{h_{21_{Э}}}=\frac{70мА}{100}=0,7мА$$

Наш расчёт не совсем точен, поскольку найденный ток базы включен в ток эмиттера. Но, учитывая, что токи эмиттера и базы отличаются в 100 раз, ошибка не столь значительна. Если быть чуть точнее, то ток коллектора будет 69,3мА, ток эиттера - 70мА, ток базы можно считать тем же - 0,7мА. Такие погрешности на практике не имеют значения при том, что, например, резисторы используем 5% точности. А если на практике требуется достичь точного параметра схемы, то в ней для настройки параметра предусматриваются регулируемые радиоэлементы, такие как подстроечные резисторы, конденсаторы...

Теперь для подачи напряжения на базу транзистора поставим не отдельную батарейку, а делитель напряжения на переменном резисторе, который подключим к тому же источнику питания, от которого питается лампочка через транзистор.

Транзисторный регулятор яркости лампочки

Получили полезную схему - простейший регулятор напряжения на транзисторе.

Теперь порассуждаем о токе базы, который мы никак не определяем. Каким образом в данной схеме транзистор определяет свой ток базы сам? (Левая схема.)

Предположим, что ток базы по некоторым причинам немного увеличился. Тогда по первому утверждению (\(I_{К}=h_{21э}I_{Б}\)) тоже увеличивается. Увеличится, следовательно, и ток эмиттера, который в-основном состоит из тока коллектора (частью тока базы в эмиттере можно пренебречь). Раз ток эмиттера, который есть ток через лампочку, увеличился, то на лампочке по закону Ома повысилось напряжение. На эмиттере транзистора напряжение должно увеличиться. А поскольку на базу мы подали фиксированное напряжение (5В), то увеличение напряжения на эмиттере приведёт к уменьшению падения напряжения (0,6В) на переходе база-эмиттер. Переход закрывается и уменьшает ток коллектора и, следовательно ток базы до прежнего уровня.

Теперь, предположим, что ток базы по некоторым причинам немного уменьшился. Значит и уменьшился и ток коллектора, а также и эмиттера. На лампочке напряжение по закону Ома уменьшается. А поскольку на базу мы подали фиксированное напряжение (5В), то уменьшение напряжения на эмиттере приведёт к открытию перехода база-эмиттер. Ток коллектора, а значит ток базы увеличиваются до прежнего уровня.

Как видите, эта простая схема имеет равновесное состояние и имеет собственную систему автоматического регулирования заданного режима. Такая схема снабжена стапроцентной местной обратной связью.

Напряжение на эмиттере такой схемы повторяет напряжение на базе со сдвигом 0,6В в сторону минуса для N-P-N транзистора или со сдвигом в сторону плюса для P-N-P транзистора.

Определение входного сопротивления эмиттерного повторителя.

Цепь со стороны базы, как указано на рисунке потребляет ток. Ток базы. Значит имеет так называемое «входное сопротивление». Давайте его подсчитаем.

Пусть напряжение на базе изменится на величину \(\Delta U\).На эту же величину изменится и напряжение на эмиттере.

$$\Delta U_{Б}=\Delta U_{Э}$$

Тогда входное сопротивление

$$R_{ВХ}=\frac{\Delta U_{Б}}{\Delta I_{Б}}=\frac{\Delta U_{Э}}{\Delta I_{Б}}$$

Согласно первому (\(I_{К}=h_{21э}I_{Б}\)) и второму второму (\(I_{Э}=I_{К}+I_{Б}\)) утверждениям запишем

$$\Delta I_{Э}=\Delta I_{Б}+h_{21_{Э}}\Delta I_{Б}=\Delta I_{Б}(1+h_{21_{Э}})$$ $$\Delta I_{Б}=\frac{\Delta I_{Э}}{1+h_{21_{Э}}}$$

Тогда

$$R_{ВХ}=\frac{\Delta U_{Э}}{\Delta I_{Б}}=\frac{\Delta U_{Э}}{\frac{\Delta I_{Э}}{1+h_{21_{Э}}}}=\frac{\Delta U_{Э}}{\Delta I_{Э}}(1+h_{21_{Э}})=R_{Э}(1+h_{21_{Э}})$$

Так что, если Rэ равно 1 кОм, и выбранный транзистор имеет коэффициент передачи по току 100, то входное сопротивление со стороны базы будет равно 101 кОм.

Здесь мы работали с приращениями токов и напряжений. Поэтому найденная формула верна для случаев, когда идёт работа с переменными сигналами. Тогда нас действительно интересуют входные и выходные сопротивления разных частей схем, чтобы правильно их согласовать между собой. Для статических схем, где в течение времени параметры схемы не меняются, достаточно знать ток базы такой схемы, чтобы подключить базу к какой-то части схемы. Понятно, что не все электронные схемы имеют только один транзистор, а как раз наоборот. Например, даже видеоадаптер, который стоит в системном блоке ПК имеет десятки миллионов транзисторов, которые работают взаимосогласованно.

Стоит отметить, что транзистор в схеме эмиттерного повторителя не переходит в режим насыщения, так как ток базы не бывает больше, чем \(\frac{I_{К}}{h_{21_{Э}}}\), но строго равен этому значению.

Ещё отметим, что схема относится к типу «с общим коллектором».

Практическая задача.

Предположим, что у нас есть некий электронный прибор, на котором находятся клеммы. На клеммы прибор выдаёт сигнал. Наличие сигнала - это присутствие напряжения +5В на клемме относительно общего провода. При отсутствии сигнала на клемме напряжение 0В. Задача подключить световой индикатор на светодиоде. Но нам не известно, обеспечит ли клемма прибора ток, необходимый для зажигания светодиода.

Тогда сделаем схему на транзисторе, который станет управлять светодиодом. Схему подключим к прибору. Питание возьмём своё - источник питания напряжением 12В. Под рукой у нас оказался красный светодиод и транзистор КТ315Б. Параметры светодиода: ток питания - 10мА; падение напряжения - 1,5В. Параметры транзистора КТ315Б: Максимальное рабочее напряжение - 20В; максимальный ток коллектора - 100мА; статический коэффициент передачи по току 50...350; напряжение насыщения К-Э не более 0,4В; напряжение насыщения Б-Э не более 1В.

Сделаем схему с общим эмиттером. В цепь коллектора включим светодиод. Цепь базы подключим к прибору, выдающему сигнал. Подключить следует двумя проводами, чтобы по цепи протекал ток. Минус нашего блока питания и эмиттер транзистора подключим к общему проводу прибора («сигнальной земле»). Для подавляющего большинства техники общему проводу соответствует «минус» её собственного питания. Базу через резистор RБ подключим к клемме, выдающей пятивольтовый сигнал.

Транзистор управляет светодиодом

Рассчитаем схему. Начнём с цепи коллектора. Нас интересует режим «включено». Резистор RД в цепи коллектора нужен для того, чтобы задать ток светодиоду. Светодиод - это не лампочка, на которую подают напряжение. Светодиод запитывают от источника тока, но не от источника напряжения. Данный резистор и будет задавать ток. Ещё такой резистор называют «токоограничивающий». Сила тока через светодиод нам известна по условию задачи - 10мА. Если мы найдём напряжение на резисторе, то по закону Ома сможем определить значение его сопротивления.

Определение добавочного резистора для светодиода.

Всего у нас 12 вольт. На светодиоде упадёт 1,5В. Ещё на открытом транзисторе упадёт (не более) 0,4В. Оставшееся напряжение достанется резистору RД. Находим это напряжение.

$$U_{R_{Д}}=12В-1,5В-0,4В=10,1В$$

По закону Ома находим значение сопротивления

$$R_{Д}=\frac{U_{R_{Д}}}{I_{К}}=\frac{10,1В}{10мА}\approx 1кОм$$

Теперь найдём ток базы, который требуется для открытия транзистора. Статический коэффициент усиления по току \(h_{21э}\) мы нашли в справочнике на данный транзистор и он лежит в пределах 30...350. Посчитаем для крайнего худшего варианта - 30. Конечно наш транзистор будет иметь значение больше и эта разница будет запасом, гарантирующим надёжное открывание транзистора.

$$I_{Б}=\frac{I_{К}}{h_{21_{Э}}}=\frac{10мА}{30}=0,33мА$$ Транзистор управляет светодиодом

Всего у нас есть 5 вольт, которые выдаёт сигнал. (Не более) 1В упадёт на переходе база-эмиттер. Следовательно, 4 вольта должно упасть на резисторе RБ.

Определение резистора в цепи базы.

Зная ток базы и падение напряжения на резисторе по закону Ома определим значение сопротивления RБ.

$$R_{Б}=\frac{U_{R_{Б}}}{I_{Б}}=\frac{4В}{0,33мА}\approx 12кОм$$

Результатом расчёта станет схема, которую можно собрать.

Транзистор управляет светодиодом от управляющего сигнала 5В Завиток