Транзистор биполярный

Биполярные транзисторы. Транзисторы это аналоговые компоненты дискретных электронных цепей прежних поколений. Транзистор – трёхполюсный элемент, изготовленный лазерной нарезкой p-n-переходов в миниатюрном кристалле полупроводника (кремния). В просторечии транзисторы называют камнями, а усилители транзисторные – каменными. Классическое назначение биполярного транзистора (БТ) - передача электричества, например сигнала или потока мощности со входа на выход. А поскольку электродов три, то один электрод оказывается общим в большинстве комбинаций. Отсюда происходят различные схемы включения транзистора, простейшими из которых считают схемы с общим коллектором (ОК), общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ). В отличие от электронных ламп, управляемых напряжением по сетке, транзисторами управляют по базе. Но управление выполняют при помощи тока, а не напряжения. Т.е. состояние транзистора (проводит он электричество или нет) определяется направлением и величиной тока через базу. При использовании в цепях с дискретными сигналами, транзистор можно рассматривать как своего рода переключатель, такой же, как и многие электронные компоненты, например, вакуумные лампы или реле. Транзисторы применяют в различных отраслях, и редко какая схема обходится без них, даже сейчас, при широком использовании микросхем. Существует два основных вида проводимости биполярных транзисторов - n-p-n (обратной) и p-n-p (прямой). Два схожих по параметрам транзистора разных проводимостей называют комплементарной парой. Если в какой-нибудь схеме, например, в усилителе, заменить транзисторы одного вида на транзисторы другого вида со схожими параметрами (не забыв изменить при этом полярность питающих напряжений, электролитических конденсаторов и полупроводниковых диодов), то схема будет работать точно так же, за исключением СВЧ диапазона, поскольку n-p-n транзисторы являются более высокочастотными, чем p-n-p, и здесь возможно не удастся подобрать комплементарную пару. Чаще всего в схемах применяют транзисторы структуры n-p-n. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов соединены с отрицательным источником питания, соответственно и общий провод схемы так же будет соединён с отрицательным выводом источника питания, что является общепринятым стандартом. Транзисторы выпускают в различных корпусах, по разным технологиям, чаше трёхногими, иногда двуногими, когда третий вывод на корпусе. У высокочастотных транзисторов иногда есть четвёртый вывод, соединённый с металлическим корпусом – экраном. База - это управляющий вывод. Коллектор n-p-n транзистора в состоянии проводимости находится под положительным потенциалом. Эмиттер n-p-n транзистора при этом находится под отрицательным потенциалом.

Ниже приведено условное графическое обозначение биполярного n-p-n транзистора. Расположение выводов на корпусе для каждой модели транзистора приводится в справочниках. Например, вот так выглядит расположение выводов и цоколёвка транзистора серии КТ503:

Простейший транзисторный ключ. Изображённая на рисунке внизу схема позволяет управлять ярким светодиодом с рабочим током 20 мА. При этом ток, протекающий в цепи ключа, составляет примерно 0,4 мА. Если подавать напряжение питания на светодиод непосредственно через резистор R1, исключив из схемы транзистор, то светодиод от такого слабого тока (0,4 мА) либо вообще не будет светиться, либо будет еле-еле тлеть. Так что с помощью небольшого базового тока можно управлять значительным током коллектора. Поделив величину тока, протекающего через светодиод при замкнутом ключе (этот же самый ток протекает и через коллектор транзистора - Iк), на величину тока, протекающего через базу транзистора (Iб), получим примерное значение коэффициента передачи тока эмиттера:h21=Iк/Iб=20/0.4≈50. Величина коэффициента передачи тока эмиттера сильно отличается даже в пределах одной партии транзисторов, поэтому в справочниках приводится её примерное значение, и кроме того эта величина будет разной при различных значениях тока эмиттера и напряжениях база-коллектор. Согласно справочнику для транзистора КТ503А эта величина лежит в диапазоне 40...120 (при напряжении коллектор-эмиттер Uкэ=5В и токе эмиттера Iэ=10мА). Назначение резисторов в схеме транзисторного ключа следующее. Резистор R3 ограничивает ток в цепи транзистора, так как этот ток может изменяться при изменении температуры, напряжения питания или параметров нагрузки; резистор R2 - "притягивающий", при его отсутствии база транзистора будет висеть в воздухе и возможны случайные срабатывания ключа от различных наводок. Резистор R1 задаёт ток базы транзистора. Его величина рассчитывается следующим образом: R1=(Uпит-Uбэ)/Iб, где Uпит - напряжение источника питания, в данном случае 9 вольт; Iб - требуемый ток базы, в данном примере 0,4 мА; Uбэ - напряжения перехода база-эмиттер, эта величина берётся из справочника и она очень примерная и к тому же сильно зависит от тока базы, в данном случае для транзистора КТ503А эта величина составляет примерно 0,7 вольт. Подставив данные в формулу, получимR1=(Uпит-Uбэ)/Iб=(9-0,7)/(0,4*10-3)=20750Ом=20,75кОм. Установив в схему резистор R1 номиналом 20,75кОм и измерив напряжение база-эмиттер (Uбэ), подставляя полученное значение (Uбэ) в вышеприведённую формулу, получим более точное значение сопротивления резистора R1. Чем больше будет проведено таких итераций, тем точнее будет результат. Недостаток такого ключа - сильная зависимость величины тока нагрузки от изменения питающего напряжения, так как базовый ток зависит от напряжения питания схемы.

Эволюция транзисторов. Биполярные транзисторы в целом устарели, выполнив своё предназначение. Им на смену пришли более совершенные, экономичные и быстроходные, полевые транзисторы (ПТ), имеющие три электрода с другими названиями: сток-затвор-исток. В ПТ управление режимом проводимости между стоком и истоком выполняется электрическим полем в кристалле через потенциал затвора. Кроме того, широкое распространение получили сравнительно недавно придуманные гибридные IGBT-транзисторы, в которых удалось «поженить» БТ и ПТ. В гибридных транзисторах сохранены коллектор с эмиттером, но управление режимом выполняют по затвору. Такая задумка позволила сохранить достоинства как БТ, так и ПТ, получив совершенно уникальные характеристики. Сами транзисторы, виду огромных токов (десятки килоампер) и колоссальных допустимых напряжений (киловольты) превратились в модули и сборки, иногда достигающие гигантских размеров. Такое изобретение сделало реальностью сверхмощные универсальные быстроходные транзисторные источники питания (инверторы), в которых электричество преобразуется как угодно, для прямого применения в промышленном оборудовании.

                Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018