Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.
Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.
Устройство биполярного транзистора.
Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.
У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.
Схемы включения
Для корректного применения и подключения БТ нужно знать их классификацию и тип. Классификация биполярных транзисторов:
- Материал изготовления: германий, кремний и арсенидогаллий.
- Особенности изготовления.
- Рассеиваемая мощность: маломощные (до 0,25 Вт), средние (0,25-1,6 Вт), мощные (выше 1,6 Вт).
- Предельная частота: низкочастотные (до 2,7 МГц), среднечастотные (2,7-32 МГц), высокочастотные (32-310 МГц), сверхвысокочастотные (более 310 МГц).
- Функциональное назначение.
Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:
- Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
- Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
- Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
- Усилительные мощные высоковольтные.
- Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
- Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
- Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.
Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:
- Р-n-p.
- N-p-n.
Существует 3 схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:
- Общая Б.
- Общий Э.
- Общий К.
Работа биполярного транзистора.
Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.
Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.
Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.
Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.
В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.
В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.
Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.
β = IC / IB
Пошаговая инструкция проверки мультимером
Перед началом проверки, прежде всего определяется структура триодного устройства, которая обозначается стрелкой эмиттерного перехода. Когда направление стрелки указывает на базу, то это вариант PNP, направление в сторону, противоположную базе, обозначает NPN проводимость.
Проверка мультимером PNP транзистора состоит из таких последовательных операций:
- Проверяем обратное сопротивление, для этого присоединяем «плюсовой» щуп прибора к его базе.
- Тестируется эмиттерный переход, для этого «минусовой» щуп подключаем к эмиттеру.
- Для проверки коллектора перемещаем на него «минусовой» щуп.
Результаты этих измерений должны показать сопротивление в пределах значения «1».
Для проверки прямого сопротивления меняем щупы местами:
- «Минусовой» щуп прибора присоединяем к базе.
- «Плюсовой» щуп поочередно перемещаем от эмиттера к коллектору.
- На экране мультиметра показатели сопротивления должны составить от 500 до 1200 Ом.
Данные показания свидетельствуют о том, что переходы не нарушены, транзистор технически исправен.
Многие любители имеют сложности с определением базы, и соответственно коллектора или эмиттера. Некоторые советуют начинать определение базы независимо от типа структуры таким способом: попеременно подключая черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – поочередно ко второму и третьему.
База обнаружится тогда, когда на приборе начнет падать напряжение. Это означает, что найдена одна из пар транзистора – «база – эмиттер» или «база – коллектор». Далее необходимо определить расположение второй пары таким же образом. Общий электрод у этих пар и будет база.
Будет интересно➡ Электротехника для чайников. Как научиться разбираться в электрике: уроки для начинающих
Способы проверки
Любой ремонт электроники и электрооборудования начинается с внешнего осмотра, а потом переходят к измерениям. Такой подход позволяет локализовать большую часть неисправностей. Чтобы найти варистор на плате посмотрите на рисунок ниже — так выглядят варисторы. Иногда их можно перепутать с конденсаторами, но можно отличить по маркировке.
Если элемент сгорел и маркировку прочесть невозможно — посмотрите эту информацию на схеме устройства. На плате и в схеме он может обозначаться буквами RU. Условное графическое обозначение выглядит так.
Есть три способа проверить варистор быстро и просто:
- Визуальный осмотр.
- Прозвонить. Это можно сделать муьтиметром или любым другим прибором, где есть функция прозвонки цепи.
- Измерением сопротивления. Это можно сделать омметром с большим пределом измерений, мультиметром или мегомметром.
Варистор выходит из строя, когда через него проходит большой или длительный ток. Тогда энергия рассеивается в виде тепла, и если её количество больше определённого конструкцией — элемент сгорает. Корпус этих компонентов выполняется из твердого диэлектрического материала, типа керамики или эпоксидного покрытия. Поэтому при выходе из строя чаще всего повреждается целостность наружного покрытия.
Можно визуально проверить варистор на работоспособность — на нем не должно быть трещин, как на фото:
Следующий способ — проверка варистора тестером в режиме прозвонки. Сделать это в схеме нельзя, потому что прозвонка может сработать через параллельно подключенные элементы. Поэтому нужно выпаять хотя бы одну его ножку из платы.
Важно: не стоит проверять элементы на исправность не выпаивая из платы – это может дать ложные показания измерительных приборов. Так как в нормальном состоянии (без приложенного к выводам напряжения) сопротивление варистора большое — он не должен прозваниваться. Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра
Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра
Так как в нормальном состоянии (без приложенного к выводам напряжения) сопротивление варистора большое — он не должен прозваниваться. Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра.
На большинстве мультиметров режим прозвонки совмещен с режимом проверки диодов. Его можно найти по значку диода на шкале селектора режимов. Если рядом с ним есть знак звуковой индикации — в нем наверняка есть и прозвонка.
Другой способ проверки варистора на пробой мультиметром является измерение сопротивления. Нужно установить прибор на максимальный предел измерения, в большинстве приборов это 2 МОма (мегаомы, обозначается как 2М или 2000К). Сопротивление должно быть равным бесконечности. На практике оно может быть ниже, в пределах 1-2 МОм.
Интересно! То же самое можно сделать мегаомметром, но он есть далеко не у каждого. Стоит отметить, что напряжение на выводах мегаомметра не должно превышать классификационное напряжение проверяемого компонента.
На этом заканчиваются доступные способы проверки варистора. В этот раз мультиметр поможет радиолюбителю найти неисправный элемент, как и в большом количестве других случаев. Хотя на практике мультиметр в этом деле не всегда нужен, потому что дело редко заходит дальше визуального осмотра. Заменяйте сгоревший элемент новым, рассчитанным на напряжение и диаметром не меньше чем был сгоревший, иначе он сгорит еще быстрее предыдущего.
Простейший усилитель на биполярном транзисторе
Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.
1.Описание основных элементов цепи
Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.
Расчет входного тока базы Ib
Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.
Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).
Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:
Расчет выходного тока коллектора IС
Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).
Расчет выходного напряжения Vout
Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.
Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:
Анализ результатов
Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.
Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.
Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.
Транзисторные пары в усилительных каскадах
Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют «комплементарные», или «согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.
Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=IC/IB согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.
Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор – только его отрицательную половину.
Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.
Режимы работы биполярного транзистора
В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:
- Режим отсечки (cut off mode).
- Активный режим (active mode).
- Режим насыщения (saturation mode).
- Инверсный ражим (reverse mode ).
Режим отсечки
Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.
Активный режим
В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.
Режим насыщения
Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.
В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».
Инверсный режим
В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.
Достоинства
- Устройство обладает большой пропускной способностью усиления.
- Оно демонстрирует качественную производительность на высокой частоте.
- Устройство имеет наилучшее усиление напряжения.
- Оно может работать как при низкой, так и при высокой мощности.
- Обладает высокой плотностью тока.
- Имеет низкое прямое падение напряжения.
