Транзистор – для новичков в радиоделе

June 24, 2014 by admin Комментировать »

Если диод похож на бутерброд, то транзистор на сэндвич – между двумя слоями полупроводника одного типа располагается полупроводник другого типа Вы можете сразу понять, что речь идёт о

транзисторах «p-n-p» и транзисторах «n-p-n» типа Три слоя полупроводника позволяют сделать три вывода (или три отвода от каждого из слоёв) Поэтому у всех транзисторов (такие транзисторы ещё называют биполярными, поскольку есть ещё полевые транзисторы) этого типа три вывода, которые называются: эмиттер, база, коллектор Эмиттер и коллектор во многом похожи, но, благодаря конструкции и назначению, различаются, а база в силу своего расположения имеет особое назначение Чтобы разобраться в назначении выводов транзистора, посмотрим, что происходит в его «внутреннем мире»

Рис 210 Схематичное изображение биполярного транзистора

Если полупроводник n-типа плотно соединить с полупроводником p-типа, то те электроны, что слабо связаны с атомом и дрейфуют по всему объему полупроводника n-типа, переместятся в полупроводник p-типа Здесь их быстро захватывают атомы полупроводника p-типа, становясь отрицательно заряженными Атомы же полупроводника n-типа, потерявшие электроны, заряжены положительно

Как долго продолжается этот процесс На границе соединения разных материалов образовалось электрическое поле, которое препятствует переходу электронов через границу Процесс продолжается до тех пор, пока энергии электронов хватает на преодоление «барьера», на противодействие электрическому полю Затем процесс дрейфа электронов прекращается

Если мы теперь к выводам эмиттера и базы подключим внешний источник ЭДС (например, батарейку), то при одной полярности внешнее электрическое поле будет понижать барьер (собственное и внешнее поле взаимно противодействуют), а, значит, позволит электронам от внешнего источника перемещаться при обратной полярности поля будут складываться и ещё больше препятствовать переходу электронов через границу раздела

Так работает полупроводниковый диод Но у транзистора есть ещё один вывод от области коллектора Если мы теперь подключим ещё один источник ЭДС к эмиттеру и коллектору, то при соответствующей полярности подключения электрическое поле на границе раздела коллектора и базы будет способствовать движению электронов, а источник ЭДС в цепи базы, снижающий потенциальный барьер на границе базы и эмиттера, позволит электронам проходить от эмиттера к коллектору

Образуется сквозной ток, величина которого будет зависеть от напряжения на базе транзистора относительно эмиттера Управляя напряжением (у биполярного транзистора удобнее говорить о токе базы) на базе транзистора, мы будем управлять током через его коллектор

Почему удобнее говорить о токе базы Потому что между током базы и током коллектора есть очень простое соотношение:

Iк = В*Iб

Здесь В – это коэффициент, то есть, число, которое остаётся постоянным в довольно широких пределах изменения тока коллектора Его называют коэффициентом усиления транзистора по току Если быть точным, то статическим коэффициентом усиления Но, взяв малые приращения токов, мы получим динамический коэффициент усиления

Связь между токами базы и коллектора очень напоминает связь между напряжением и током, протекающим через резистор, где коэффициенту В соответствовало сопротивление Но, если сопротивление остаётся постоянным (при определённых условиях, например, температуре) всегда, то коэффициент усиления транзистора всё-таки зависит от тока коллектора Поэтому преобразование базового тока в коллекторный не вполне линейно

Прежде, чем проводить первый  эксперимент с транзистором, я  хочу  сделать небольшое замечание Мы говорили, что электроны полупроводника n-типа дрейфуют и попадают в область базы Но у проводника этих электронов ещё больше Что будет, если вместо полупроводника n- типа мы возьмём металл Скорее всего, образуется диод А упоминаю я об этом по той причине, что в реальных схемах, где металл соединяется с разными материалами, такие процессы возможны В итоге в схеме могут появиться «незапланированные» диоды И их появление может отрицательно сказываться на работе схемы

Рис 211 Первый эксперимент с транзистором

Значение тока, протекающего в цепи коллектора 79 мА, можно разделить на значение тока в цепи базы, 008 мА, чтобы получить коэффициент усиления равный примерно 100

Если у вас транзистор 2N2222 (или любой маломощный типа n-p-n), то полярность включения приборов и батареек вы можете сохранить такую же Если транзистор типа p-n-p, то полярность следует изменить и у приборов, и у батареек

На практике транзистор редко включают, используя два источника питания Чаще это выглядит так:

Рис 212 Один из стандартных вариантов включения транзистора

Как видно на рисунке, источник ЭДС V1 прекрасно справляется с созданием базового тока (резистор в цепи базы был увеличен до 100 кОм)

И сейчас я хотел бы показать, что уже полученных знаний, включая приведённые ранее формулы, вам достаточно для ориентировочного расчёта статического режима приведённой схемы

Мы уже говорили, что переход база-эмиттер, практически ведёт себя так же, как диод На вольт- амперной характеристике диода можно увидеть, что при напряжении около 05 В появляется ток через переход, и быстро растёт, хотя напряжение изменяется незначительно То есть, падение напряжения на базе транзистора остаётся небольшим Вспомним закон Кирхгофа, показывающий, что сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна ЭДС источника Таким образом, сумма падений напряжений на резисторе R1 и переходе база-эмиттер транзистора, равна напряжению V1 (в нашем случае 9 В) Пренебрегая падением напряжения на переходе база-эмиттер, положим, что падение напряжения на резисторе R1 равно 9 В Вспомним закон Ома: I = U/R (нас интересует значение тока) Ток через резистор R1 равен 9 В/100 кОм, то  есть, 009 мА Посмотрите, что показывает амперметр U2 в цепи базы Мы не очень ошиблись

Но обычно расчёт статических параметров начинают с обратной стороны, с выхода каскада усиления на транзисторе Применяя резистор в цепи коллектора сопротивлением 1 кОм, мы чаще всего хотели бы иметь на нём падение напряжения равное половине напряжения питания (напряжения батарейки V1) Определим ток (закон Ома) через резистор R2, разделив 45 В на 1000 Ом Ток получается равным 45 мА Коэффициент усиления транзистора по току мы знаем (мы могли его измерить, проведя эксперимент подобный описанному выше, или использовать мультиметр для этой цели) Пусть он будет равен 100 Между током коллектора и током базы, это мы тоже знаем (если запомнили), простое соотношение, позволяющее определить необходимый ток базы: Iб = Iк/В, 45 мА/100 получается 45 микроампер Осталось определить величину сопротивления резистора R1, определяющего этот ток базы Опять закон Ома помогает определить, что это сопротивление 9 В/45 мкА = 200 кОм

Полученный расчёт можно проверить в программе Multisim:

Рис 213 Проверка расчёта в программе Multisim

Как вы видите, полученные значения не слишком сильно отличаются от расчётных Вы можете повторить проверку на макетной плате И можете уточнить расчёт, вычтя из 9 В падение напряжения между базой и эмиттером, примерно 09 В

Мы вернёмся к этому позже, а сейчас мне хотелось показать главное – мы почти ничего не узнали из мира электроники, но уже можем рассчитать статические данные каскада усиления на транзисторе

Рассказывая о диоде, я упомянул, что  диоды нашли широкое применение при выпрямлении переменного тока Следующий эксперимент я советую вам провести за компьютером или, при наличии генератора, использовать синусоидальный сигнал величиной 2-5 вольт и частотой 50 Гц

Рис 214 Выпрямление переменного напряжения

Выпрямленное напряжение – падение напряжения на резисторе R1 – это ещё не постоянное напряжение, поскольку оно, хотя и не меняется по направлению, благодаря диоду, но меняется по величине Это ещё переменное напряжение Чтобы превратить его в постоянное напряжение, следует принять меры к фиксации его величины Как это можно сделать, рассмотрим в следующей главе

А, завершая эту главу, я остановлюсь на разногласиях, которые возникли между экспериментом в программе Multisim и экспериментом, проведённым мной с реальным резистором 10 Ом Напомню, что я измерял ток, протекающий через резистор, при питании от батарейки 15 В Ток я измерял мультиметром Расчётное значение тока, которое можно было увидеть и в программе Multisim, 150 мА

Рис 215 Измерение тока через резистор 10 Ом

Однако есть фотография показаний мультиметра, где ток около 98 мА В чём причина столь сильных расхождений

Причина в конструкции мультиметра Вот фрагмент схемы мультиметра, а такую схему имеют очень многие модели

Рис216 Фрагмент схемы мультиметра и эквивалентная схема

Ток, протекая по резистору Rизм, вызывает на нём падение напряжения, которое измеряется вольтметром мультиметра (он обозначен выше U1) Диоды D1 и D2 предохраняют прибор от большого напряжения При измерении токов напряжение на измерительном сопротивлении не превышает 02 В, а диоды открываются только при напряжении 07 В Предохранитель оберегает прибор от поломки из-за большого тока, если вы ошибётесь и забудете переключить прибор на предел 10 А

Точки «А» и «COM» – точки подключения мультиметра к схеме измерения Я рассчитывал, что сопротивление резистора Rизм изменит ток процентов на 10 Действительно, ток определится суммой сопротивлений: пробного резистора 10 Ом и измерительного 1 Ом Но я забыл о предохранителе В моём приборе стоит предохранитель на 02 А Если измерить его сопротивление, то оно окажется равным 3-5 Ом Суммируя все сопротивления, подключенные к источнику питания 15 В, мы обнаружим, что  ток, скорее всего, будет меньше 100 мА, что  и показал мультиметр

Когда я выбирал сопротивление для проведения реального эксперимента, резистор 10 Ом попался под руку первым Я не столько задумался о том, что написано выше, сколько решил,

какая разница Но теперь я рад, что не начал эксперимент с сопротивления 100 Ом, поскольку это дало мне возможность на опыте показать, что не всегда реальные измерения на макетной плате дают результаты, которым можно доверять полностью и без раздумий Так сопротивление амперметра может повлиять на результат А входная ёмкость щупа осциллографа может изменить характер работы схемы И об этом не следует забывать Фактически, мы исследовали электрическую цепь, которую можно изобразить так:

Рис 217 Фактическая схема проведения эксперимента по измерению тока

Чтобы не возвращаться к этому, добавлю, что программа Multisim позволяет вам изменить параметры измерительного прибора, приведя в соответствие с реальностью Нажмите на кнопку Set… виртуального мультиметра Вы попадёте в диалоговое окно задания его параметров

Рис 218 Диалог настройки параметров прибора в Multisim

Обведённые выше параметры амперметра можно изменить, используя кнопки справа,  и выставить внутреннее сопротивление мультиметра, например, 5 Ом Проводя эксперимент в программе Multisim с сопротивлением 10 Ом, вы получите результат, который соответствует эксперименту с тремя последовательно включёнными резисторами

Как и предисловие в начале главы, так небольшое послесловие в её конце, я надеюсь, помогут вам лучше запомнить то, что оказалось полезным для вас, если, конечно, что-то полезное вы обнаружили

Проделав эксперименты с резисторами, мы убедились, что сопротивление протеканию электрического тока, вызывающее падение напряжения, связано с величиной протекающего тока очень простым, но очень полезным соотношением, которое называют Законом Ома И этот закон, дополненный не менее важными Законами Кирхгофа, будет сопровождать все наши дальнейшие эксперименты

В этой главе мы узнали, что забракованные электриками в позапрошлом веке материалы, полупроводники (плохо проводят и плохо изолируют), в прошлом веке совершили революцию в технологии производства электроники Что их свойствам мы сегодня обязаны тем переменам, что произошли в нашем быту: мобильные телефоны, телевизоры и компьютеры, видеокамеры и фотоаппараты, и даже энергосберегающие лампы

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты