Транзисторы лежат в основе большинства электронных устройств. Он могут быть в виде отдельных радиодеталей, или в составе микросхем. Даже самый сложный микропроцессор состоит из великого множества малюсеньких транзисторов, плотно размещенных в его могучем кристалле.
Транзисторы бывают разные:
Две основные группы - это биполярные и полевые. Биполярный транзистор обозначается на схеме, так как показано на рисунке 1. Он бывает прямой (р-п-р) и обратной (п-р-п) проводимости. Структура транзистора, и физические процессы, происходящие в нем изучается в школе, так что здесь о ней говорить не будем, - так сказать, ближе к практике. В сущности, разница в том, что р-п-р транзисторы подключают так, чтобы на их эмиттер поступал положительный потенциал напяжения, а на коллектор - отрицательный. Для транзисторов n-p-п - все наоборот, на эмиттер дают отрицательный потенциал, на коллектор - положительный.
Зачем нужен транзистор?
В основном его используют для усиления тока, сигналов, напряжения. А усиление происходит за счет источника питания. Попробую объяснить принцип работы «на пальцах». В автомашине есть вакуумный усилитель тормоза. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, его мембрана перемещается и открывается клапан через который двигатель машины всасывает эту мембрану, добавляя ей усилие. В результате слабое усилие нажима на педаль тормоза приводит к сильному усилию на тормозных колодках. А добавка силы происходит за счет мощности работающего мотора машины.
Вот и с транзистором похоже. На базу подают слабенький ток (рис. 2). Под действием этого тока проводимость коллектор - эмиттер увеличивается и через коллектор уже протекает куда более сильный ток, поступающий от источника питания. Изменяется слабый ток базы, - соответственно изменяется и сильный ток коллектора. В идеале, график изменения тока коллектора выглядит как увеличенная копия графика изменения тока базы.
Это различие между слабым током базы и сильным током коллектора называется коэффициентом усиления транзистора по току, и обозначается И21э. Определяется так: h21э = Ik /I6 (ток коллектора делить на ток базы). Чем больше данный параметр, тем лучше усилительные свойства транзистора.
Но это все в идеале. На самом деле зависимость тока коллектора от напряжения на базе не так уж и линейна. Следует вспомнить BAX диода, где в самом низу характеристики тока очень мал, и начинает резко наростать когда напряжение достигает определенного значения. Поскольку в основе транзистора лежат те же физические процессы, то и здесь имеется аналогичный «дефект».
Если мы соберем схему усилителя, показанную на рисунке 3, и будем говорить в микрофон, в динамике звука не будет. Потому что напряжение на микрофоне очень мало, оно ниже порога открывания транзистора. Здесь не только не будет усиления, а даже наоборот, будет ослабление сигнала.
Чтобы транзистор заработал как усилитель нужно увеличить напряжение на его базе. Это можно сделать каким-то образом увеличив напряжение на выходе микрофона. Но тогда теряется смысл усилителя. Или нужно подать на базу транзистора некоторое постоянное напряжение (рис.4) через резистор, такое чтобы транзистор приоткрыть. И слабое переменное напряжение подать на базу этого транзистора через конденсатор. Вот теперь самое важное, - слабое переменное напряжение сложится с постоянным напряжением на базе. Напряжение на базе будет изменяться в такт слабому переменному напряжению. Но так как постоянное напряжение сместило рабочую точку транзистора на крутой линейный участок характеристики, происходит усиление.
Проще говоря, у слабого напряжения не было сил чтобы открыть транзистор, и мы добавили ему в помощь постоянное напряжение, которое приоткрыло транзистор.
Постоянное напряжение, которое подают на базу транзистора чтобы сместить его режим работы в участок с более крутой и линейной характеристикой, называется напряжением смещения. Изменяя это напряжение мы можем даже регулировать коэффициент усиления усилительного каскада.
Транзисторы далеко не всегда используются с напряжением смещения. Например, в усилительных каскадах передатчиков напряжение смещения на базы транзисторов могут и не подаваться, так как амплитуды входного переменного напряжения там вполне достаточно для «раскачки» транзистора.
Если транзистор используется не в качестве усилителя, а в качестве ключа, то напряжение смещения тоже на базу не дают. Просто, когда ключ должен быть закрыт, - напряжение на базе равно нулю, а когда он должен быть открыт, - подают напряжение на базу достаточное для открывания транзистора. Это используется обычно в цифровой электронике, где есть только нули (нет напряжения) и единицы (напряжение есть) и никаких промежуточных значений.
На рисунке 5 показана практическая схема как сделать из репродуктора радиоточки компьютерную колонку. Нужен простой однопрограммный репродуктор только с одной вилкой для подключения в радиосеть (у многопрограммного есть вторая вилка для электросети). Никаких изменений в схему репродуктора вносить не нужно. К коллектору транзистора он подключается так же как к радиосети.
Внутри однопрограммного репродуктора есть динамик, переменный резистор для регулировки громкости и трансформатор. Все это нужно, и оно остается. Когда вскроете корпус репродуктора, подпаивайте коллектор транзистора и плюс источника питания к тем местам, к которым подпаян его провод с вилкой. Сам провод можно убрать.
Для подключения к компьютеру нужен экранированный провод с соответствующим штекером на конце. Или обычный двухпроводной провод. Если провод экранированный, - оплетку подключайте к эмиттеру транзистора, а центральную жилу к конденсатору С1.
Сигнал от компьютерной звуковой карты подают через штекер на конденсатор С1. Напряжение питания подают от сетевого блока питания. Лучше всего подходит блок питания от игровой приставки к телевизору, типа «Денди», «Кенга». Вообще годится любой блок питания с напряжением на выходе от 7V до 12V. Для подключения к блоку питания потребуется соответствующее гнездо, его нужно установить на корпусе репродуктора, просверлив для него отверстие. Хотя, конечно, можно подпаять провода от блока питания и непосредственно к схеме. Подключая источник питания нужно соблюдать полярность. Диод VD1 в принципе не нужен, но он защищает схему от выхода из строя, если вы перепутаете плюс с минусом у блока питания. Без него при неправильном подключении питания транзистор можно сжечь, а с диодом, если полюса блока питания перепутаете, просто схема не включится.
Транзистор КТ315 в прямоугольном корпусе, у которого с одной стороны есть скос (на рисунке показано). Вот если этим скосом повернуть его от себя, а выводами вверх, то слева будет база, справа эмиттер, а коллектор посредине. Подойдет транзистор КТ315 с любой буквой (КТ315А, КТ315Б...). Транзистор нужно запаять правильно, не перепутав его выводы. Если ошибетесь и включите питание он может сдохнуть. Поэтому, после того как все спаяете не поленитесь раза три проверить правильность монтажа, правильно ли подпаяны выводы транзистора, конденсаторов, диода. И только когда будете уверены на все 100%, - включайте.
Диод VD1 типа КД209. На нем отмечен анод. Можно поставить и другой диод, например, 1N4004 или какой-то еще. Если диод впаяете неправильно схема работать не будет. Так что, если все включили, но не работает, начинайте с проверки правильности подключения диода.
Конденсаторы - электролитические, на напряжение не меньше 12V. Подойдут наши К50-16, К50-35 или импортные аналоги. Следует заметить, что у наших конденсаторов на корпусе стоит плюс возле положительного вывода, а у импортных минус или широкая вертикальная полоска у отрицательного вывода. Вместо конденсатора 10 мкФ можно выбрать на любую емкость от 2 мкФ до 20 мкФ. Вместо конденсатора на 100 мкФ подойдет конденсатор любой емкости не менее 100 мкФ.
На рисунке ниже схемы показана монтажная схема, на ней места паек отмечены точками. Не перепутайте места паек с пересечением проводов. Монтаж сделан навесным способом, используя выводы деталей и монтажные проводки. Всю схему желательно поместить внутрь корпуса репродуктора (там обычно очень много места).
Если все работает, но сильно фонит, - значит, вы перепутали провода, идущие к звуковой карте. Поменяйте их местами.
Запитывать схему от источника питания компьютера НЕ СЛЕДУЕТ!
Для стереоварианта можно сделать две колонки, входы объединив в один стерео кабель для подключения к звуковой карте, ну и запитать обе колонки от одного блока питания.
С одним транзисторным каскадом колонка будет звучать негромко, но достаточно для прослушивания в небольшой комнате. Громкость можно регулировать как регулятором компьютера, так и ручкой, что есть у репродуктора.
Транзистор, иначе называемый полупроводниковым триодом — электронное устройство, основой которого являются полупроводниковые материалы. Основное назначение прибора — возможность, с помощью изменения слабого тока в управляющей цепи, получать усиленный сигнал на выходе. Полупроводниковый триод — одна из основных составляющих схем множества электронных устройств, от радиоприёмника до компьютера.
Определение «транзистор» тесно связано с этимологией этого слова. Оно образовано от двух английских слов: transfer (переносить) и resistor (сопротивление). Действительно, принцип работы устройства связан с переносом (изменением) сопротивления в электрической цепи.
- биполярные;
- полевые (униполярные).
Каждый класс, в свою очередь, делится на несколько разновидностей.
Биполярные:
Оба этих типа триодов могут использоваться в одной электронной схеме. Поэтому, для того чтобы не перепутать, какую именно деталь надо использовать в конкретном месте схемы, изображения p-n-p и n-p-n триодов отличаются друг от друга.
Полевые:
- униполярные с p-n переходом;
- МДП-транзисторы с изолированным затвором.
Принцип работы устройства
В электронике применяются полупроводники с электронной (n) или дырочной (p) проводимостью. Эти обозначения говорят о том, что в первом случае в полупроводнике преобладают отрицательно заряженные электроны, во втором — положительно заряженные дырки.
Рассмотрим, как устроен транзистор на примере биполярного полупроводникового триода. Внешне прибор выглядит как небольшая деталь в металлическом или пластиковом корпусе с тремя выводами. Внутри — своеобразный бутерброд из трёх слоёв полупроводника . Если центральный слой p-типа, то окружающие его слои — n-типа. Получается триод n-p-n. Если же центр, именуемый также базой, n-типа, то обкладки — из полупроводника с дырочной проводимостью, а структура устройства — p-n-p. Один из внешних слоёв называется эмиттером, другой коллектором. К каждой из этих трёх частей прибора бывает подведён соответствующий вывод.
Краткое пояснение, как работает транзистор, для «чайников» выглядит так. Возьмём для примера транзистор n-p-n, где эмиттер и коллектор являются слоями с преимущественно электронной проводимостью, а база — с дырочной.
Подключаем эмиттер к отрицательному выводу электрической батареи, а базу и коллектор — к положительному. Начинающему любителю электроники можно представить, что триод состоит из двух диодов , причём диод эмиттер — база включён в прямом направлении, и через него протекает ток, а диод база — коллектор включён в обратном направлении, и ток отсутствует.
Предположим, что мы включили в цепь базы переменный резистор, с помощью которого можем регулировать подаваемое на базу напряжение. Какой эффект мы получим при уменьшении напряжения до нуля? Ток в цепи эмиттер-база перестанет течь. Немного увеличим напряжение. Электроны из n — области эмиттера устремятся к базе, подключённой к плюсу батареи.
Важная деталь — база сделана максимально тонкой. Поэтому масса электронов проходит этот слой насквозь и оказывается в коллекторе под воздействием положительного полюса батареи, к которому притягивается. Таким образом, ток начинает проходить не только между эмиттером и базой, но и между эмиттером и коллектором. При этом ток коллектора значительно больше тока базы.
Ещё одно важное обстоятельство : небольшое изменение базового тока вызывает значительно более сильное изменение коллекторного тока. Таким образом, полупроводниковый триод служит для усиления различных сигналов. Обычно биполярные триоды чаще используются в аналоговой технике.
Полевые транзисторы
Этот тип триода отличается от биполярного не свойствами или функциями, а принципом работы. В полевом триоде ток движется от вывода, называемого истоком, к выводу, именуемому стоком, по полупроводнику одного вида проводимости, например, p. А управление силой этого тока производится с помощью изменения напряжения на третьем выводе — затворе.
Такая структура более точно отвечает требованиям современной цифровой техники, где в основном и применяются полевые триоды. Сегодняшние технологические возможности позволяют разместить на кристалле полупроводника площадью 1−2 квадратных сантиметров несколько миллиардов МДП-элементов с изолированным затвором. Таким образом создаются центральные процессоры персональных компьютеров.
Перспективы развития приборов
Перспективы лежат, в первую очередь, в сфере дальнейшей миниатюризации устройств. Так, американские учёные разрабатывают сегодня так называемый одномолекулярный транзистор. Основным элементом такого устройства является молекула бензола, к которой присоединены три электрода.
Если идея оправдает себя, появится возможность создания сверхмощных вычислительных комплексов. Ведь размер молекулы гораздо меньше размера сегодняшних МДП-триодов на кристалле кремниевого чипа.
Существуют десятки тысяч транзисторов. Их все можно разделить на несколько типов по характеристикам. Я расскажу какие существуют виды транзисторов и чем они друг от друга отличаются.
Транзисторы можно разделить на виды по таким характеристикам как:
- Физическое строение
- Принцип действия
- Мощность
- Полоса пропускания частот
- Коэффициент усиления по току
- и т.д.
Но основными являются четыре: физическая структура транзистора, принцип действия транзистора, мощность и полоса рабочих частот транзистора.
По принципу действия все транзисторы можно разделить на две большие группы: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Различаются они как принципом действия, так и физическим строением. При этом различается как структура транзистора, так и принцип их функционирования. Внешне оба вида выполняют те же функции, но внутри у полевых и биполярных транзисторов всё работает иначе.
Посмотри на схему выше. Как ты уже заметил, и у биполярных и у полевых транзисторов есть общие характеристики: мощность и частота. Которые могут быть малыми, средними, высокими.
Рассеиваемая мощность транзистора
При это маломощными считаются транзисторы, которые в состоянии рассеять не более 0.3 Вт, транзисторы средней мощности в состоянии рассеять уже от 0.3 Вт до 1.5 Вт. Ну а мощные транзисторы рассеивают более 1.5Вт.
Полоса пропускания транзистора
Так называют диапазон частот, в которых транзистор сохраняет свои качества как транзистора. На выбор транзистора по частоте сильно влияет тип твоего устройства и с какими частотами сходящих сигналов оно должно уметь работать правильно.
Биполярный транзистор
Я не буду описывать строение транзистора, для этого сущесвуют другие статьи. В этот раз я хочу заострить твоё внимание на том, что в семейсве биполярных транзисторов есть два клана. Этоклан транзисторов со структурой N-P-N и клан со структурой P-N-P. Кроме физ. строения каких либо других различий между ними нет.
Полевые транзисторы
Полевые транзисторы также как и биполярные можно разделить на транзисторы P- и N-типа. Но помимо этого они делять ещё два вида: MOSFET и JFET. MOSFET -- это полевой транзистор с изолированным затвором и JFET -- это полевой транзистор с единственным PN-переходом.
| Разница между полевым и биполярным транзисторами | ||
| Принцип работы | биполярный | полевой |
| Управляются током. Для работы требуется подавать начальный ток смещения на базу | Управляются напряжением. Всё что им требуется для работы - это подача напряжения на затвор | |
|
Обладают сравнительно малым входным сопротивлением, поэтому потребляют от больший ток, чем полярные |
Обладают высоким входным сопротивлением, что означает практически отсутствующих входной ток транзистора. Позволяет меньше нагружатьисточник питания за счет меньшего потребления тока от источника | |
| Усиление по току | Биполярные транзисторы обладают больее высоким коэфф. усиления. | Коэфф. усиления меньше, чем в биполярном транзисторе. |
| Размер | Имеют средний и большой размер. | Полевые транзисторы можно производить для повернохстного монтажа. А также использовать в интегральных схемах. |
| Популярность | Сегодня биполярне транзисторы стали уступать свои позиции перед FET | FET-транзисторы сновятся все более популярны и активно используются в коммерческом ПО. |
| Стоимость | Биполярные транзисторы дешевы в производстве. | FET, а особенно MOSFET значительно дороже произвести, чем биполярные транзисторы. |
Вот и всё. Конечно за кадром остались глубокие принципы работы транзисторов. Но сделано это намеренно. О них я расскажу как-нибудь в другой раз.
Прежде чем рассматривать типы транзисторов, следует выяснить, что вообще представляет собой транзистор и для чего используется.
Что такое транзистор
Транзистором называется полупроводниковый триод, представляющий собой компонент, используемый в области радиоэлектроники, изготавливаемый из полупроводниковых материалов. Он имеет три вывода, позволяющие управлять в цепи электрическим током с помощью входного сигнала.
Из-за своих качеств применяется в тех случаях, когда необходимо преобразовать, сгенерировать или усилить электрические сигналы. Название транзистора применяется и для других устройств, имитирующих основное качество транзистора - способность изменять сигнал в двух различных состояниях, при одновременном изменении сигнала управляющего электрода.
Виды и характеристика
Все транзисторы подразделяются на два вида - NPN и PNP. В этих на первый взгляд сложных аббревиатурах, нет ничего особо сложного. Данными буквенными обозначениями определяется порядок наложения специфических слоев. Такими слоями являются pn-переходы в полупроводниковых материалах, использованных для их изготовления. Глядя визуально на любой полупроводник, невозможно определить тип полупроводниковой структуры, расположенной внутри корпуса. Эти данные обозначаются маркировкой, нанесенной на корпус. Тип транзистора необходимо знать заранее, поскольку использование его в схеме может быть самым различным.
Следует помнить о том, что NPN и PNP совершенно разные. Поэтому их нельзя просто так перепутать или заменить между собой. Заменить один на другой возможно при определенных условиях. Основное условие - значительное изменение схемы включения этих транзисторов. Таким образом, для определенных узлов радиотехнических устройств, применяются только свои, конкретные марки, в противном случае, устройство просто выйдет из строя, и не будет работать.
Технологические различия
Помимо типа pn-перехода, все они различаются технологией применяемой для их изготовления.
В связи с этим, можно отметить два видаа транзисторов, различающихся параметрами:
- Биполярные - отличаются подачей в их базу тока небольшой величины. Этот ток, в свою очередь, служит для управления количеством тока, проходящего между эмиттером и коллектором.
- - оборудуются тремя выводами, носящими название затвор, сток и исток. В данном случае, на затвор транзистора воздействует не ток, а напряжение. Эти транзисторы отличаются различной полярностью.
В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.
Представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода . Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода . В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.
База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.
Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.
Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.
Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси .
Базу делают как можно более тонкой . Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.
Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.
Принцип работы транзистора
Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.
В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.
Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном . Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.
Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.
Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.
Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции .
Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.
Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.
Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.
Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.
Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.
Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.
Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током .
От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.
Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока .
