NPN-транзисторы: устройство, принцип работы и способы включения


Первый биполярный транзистор был изобретен в 1947 году в лабораториях Bell. «Две полярности» сокращенно обозначается как «биполярный», отсюда и название «Биполярный переходной транзистор» (Bipolar junction transistor, BJT). Биполярный транзистор представляет собой трехконтактное устройство с коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E). Для идентификации выводов транзистора требуется схема контактов конкретного типа биполярных транзисторов. Существует два типа подобных транзисторов - NPN и PNP-типа. В этой статье мы поговорим о NPN-транзисторах. Рассмотрим два примера NPN-транзисторов — BC547A и PN2222A, показанные на следующих рисунках.

Назначение контактов NPN-транзисторов BC547A и PN2222A

В зависимости от процесса изготовления конфигурация выводов транзисторов может меняться. По мере увеличения номинальной мощности транзистора к корпусу транзистора необходимо прикрепить радиатор. Несмещенный транзистор или транзистор без потенциала, приложенного к клеммам, аналогичен двум диодам, соединенным спина к спине, как показано на рисунке ниже.

Представление транзистора в виде двух диодов

Диод D1 обладает свойством обратной проводимости, основанным на прямой проводимости диода D2. Когда ток протекает через диод D2, диод D1 распознает ток, и пропорциональному току будет позволено протекать в обратном направлении от вывода коллектора к выводу эмиттера при условии, что к выводу коллектора приложен более высокий потенциал. Пропорциональной константой в данном случае является коэффициент усиления (β).

Принцип работы NPN-транзисторов

Как обсуждалось выше, транзистор представляет собой устройство с управлением по току, которое имеет два обедненных слоя с определенным барьерным потенциалом, необходимым для диффузии обедненного слоя. Барьерный потенциал кремниевого транзистора составляет 0,7 В при 25°C и 0,3 В при 25°C для германиевого транзистора. Чаще всего используются транзисторы кремниевого типа, поскольку кремний является наиболее распространенным элементом на Земле после кислорода.

Внутренняя операция:

Конструкция npn-транзистора заключается в том, что области коллектора и эмиттера легированы материалом n-типа, а базовая область легирована небольшим слоем материала p-типа. Область эмиттера сильно легирована по сравнению с областью коллектора. Эти три области образуют два соединения. Это переход коллектор-база (CB) и переход база-эмиттер.

Когда потенциал VBE прикладывается к переходу база-эмиттер, увеличиваясь от 0 В, электроны и дырки начинают накапливаться в области обеднения. Когда потенциал увеличивается выше 0,7 В, достигается барьерное напряжение и происходит диффузия. Следовательно, электроны текут к положительному полюсу, а ток базы (IB) противоположен потоку электронов. Кроме того, ток от коллектора к эмиттеру начинает течь, если на клемме коллектора приложено напряжение VCE. Транзистор может действовать как переключатель и как усилитель.

Регион эксплуатации и режим работы:

  1. Активная область, IC = β×IB – работа усилителя.
  2. Область насыщения, IC = ток насыщения – работа переключателя (полностью включено).
  3. Область отключения, IC = 0 – работа переключателя (полностью ВЫКЛ.)

Транзистор в качестве переключателя

Для объяснения принципа работы транзистора с помощью PSPICE была выбрана модель транзистора BC547A. Первое, что следует иметь в виду — это использовать токоограничивающий резистор на базе, поскольку высокие  токи базы могут повредить биполярный транзистор. Из даташита на BC547A видно, что максимальный ток коллектора составляет 100 мА, и указан соответствующий коэффициент усиления (hFE или β).

Таблица с наиболее важными характеристиками транзистора BC547A

Этапы выбора компонентов:

1. Найдите ток коллектора по току, потребляемому вашей нагрузкой. В данном случае это будет 60 мА (катушка реле или параллельные светодиоды) и сопротивление = 200 Ом.

2. Чтобы перевести транзистор в состояние насыщения, необходимо подать достаточный ток базы, чтобы транзистор был полностью открыт. Расчет базового тока и номинала используемого резистора:

Расчет базового тока и номинала используемого резистора

Для полного насыщения базовый ток должен быть приблизительно равен 0,6 мА (не слишком высокий и не слишком низкий). Таким образом, ниже представлена ​​схема с напряжением 0 В на базе, во время которой переключатель находится в выключенном состоянии.

Моделирование переключателя на биполярном транзисторе в выключенном состоянии Эквивалентное условие переключения (разомкнут)

Теоретически переключатель полностью разомкнут, но практически можно наблюдать ток утечки. Этот ток пренебрежимо мал, поскольку они измеряются в пА или нА. Для лучшего понимания управления током транзистор можно рассматривать как переменный резистор между коллектором (C) и эмиттером (E), сопротивление которого меняется в зависимости от тока через базу (B).

Первоначально, когда ток через базу не течет, сопротивление CE очень велико, и через него ток не течет. Когда к базовой клемме прикладывается потенциал 0,7 В и выше, переход BE рассеивается и вызывает диффузию перехода CB. Теперь ток течет от коллектора к эмиттеру в зависимости от коэффициента усиления.

Моделирование переключателя на биполярном транзисторе во включенном состоянии Эквивалентное условие переключения (замкнут)

Теперь давайте посмотрим, как управлять выходным током, управляя током базы. Учитывая IC = 42 мА и следуя той же формуле, приведенной выше, мы получаем IB = 0,35 мА; RB = 14,28кОм ≈ 15кОм.

Моделирование переключателя на биполярном транзисторе во включенном состоянии (часть 2) Эквивалентное условие переключения (резистор)

Отклонение практического значения от расчетного значения обусловлено падением напряжения на транзисторе и используемой резистивной нагрузкой.

Транзистор в качестве усилителя

Усиление — это преобразование слабого сигнала в пригодную для использования форму. Процесс усиления стал важным шагом во многих приложениях, таких как передаваемые по беспроводной сети сигналы, принимаемые по беспроводной сети сигналы, MP3-плееры, мобильные телефоны и т. д. Транзистор может усиливать мощность, напряжение и ток в различных конфигурациях.

Некоторые из конфигураций, используемых в схемах усилителей:

  1. Усилитель с общим эмиттером.
  2. Усилитель с общим коллектором.
  3. Усилитель с общей базой.

Из вышеперечисленных типов наиболее популярной и наиболее часто используемой является конфигурация с общим эмиттером. Работа происходит в активной области. Примером может служить однокаскадная схема усилителя с общим эмиттером. Стабильная точка смещения постоянного тока и стабильное усиление переменного тока важны при проектировании усилителя.

Моделирование транзистора в качестве усилителя

На этом рисунке представлена ​​схема однокаскадного усилителя, в которой слабый сигнал, подаваемый на баз транзистора, преобразуется в β-кратный фактический сигнал на коллекторе транзистора. Диаграммы работы схемы показаны на следующем рисунке.

Диаграммы работы схемы с транзистором в качестве усилителя

Назначение компонентов схемы

CIN — это разделительный конденсатор, который соединяет входной сигнал с базой транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует источник от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока.

CE — это развязывающий конденсатор, который действует как путь с низким сопротивлением для усиленного сигнала.

COUT — это разделительный конденсатор, который передает выходной сигнал с коллектора транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует выход транзистора и пропускает только сигнал переменного тока.

Резисторы R2 и RE обеспечивают стабильность работы усилителя, тогда как R1 и R2 вместе обеспечивают стабильность точки смещения постоянного тока, действуя как делитель потенциала.

Принцип работы схемы

Схема работает мгновенно для каждого интервала времени. Для простоты понимания: когда напряжение переменного тока на базе транзистора увеличивается, соответствующее увеличение тока протекает через эмиттерный резистор. Таким образом, это увеличение тока эмиттера увеличивает ток коллектора, протекающий через транзистор, что уменьшает падение напряжения коллектор-эмиттер VCE. Аналогичным образом, когда входное переменное напряжение снижается экспоненциально, напряжение VCE начинает увеличиваться из-за уменьшения тока эмиттера. Все эти изменения напряжения мгновенно отражаются на выходе, который будет иметь инвертированную форму входного сигнала, но усиленную.

В следующей таблице представлена сравнительная характеристика усилительных схем на биполярном транзисторе в зависимости от способа его включения в схеме.

Характеристика Схема с общей базой Схема с общим эмиттером Схема с общим коллектором
Усиление по напряжению высокое среднее низкое
Усиление по току низкое среднее высокое
Усиление по мощности низкое очень высокое среднее

В соответствии с данной таблицей вы исходя из требуемых вам характеристик схемы выбрать необходимый способ включения транзистора.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
467 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *