Как подключить npn транзистор

9

Транзисторы: ​принцип работы, схема включения, чем отличаются ​биполярные и полевые

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

NPN транзистор

На заре прошлых веков конца 19 века ученые физики и практики (Гутри, Браун, Эдисон, Боус, Пикард, Флеминг) разных стран совершили принципиальное открытие и получили патенты на «детектор», «выпрямитель» — так тогда называли диод. Вслед за диодом последовало эпохальное открытие транзистора. Перечисление имен ученых разных стран, приложивших голову и руки к открытию транзистора, заняло бы много строк.

Основными теоретиками считаются Шокли, работавший в Bell Telephone Laboratories, а также его коллеги Бардин и Браттейн.

Слева направо: Шокли, Бардин и Браттейн

В итоге их работ, в 1947 году, получен первый образец работающего точечного германиевого транзистора, и на его основе, в том же году, был разработан первый усилитель, имевший коэффициент усиления 20 дБ (в 10 раз) на частоте 10 Мгц.

Серийный выпуск точечных транзисторов фирмой Western Electric начался в 1951 году и достиг около 10 000 штук в месяц в 1952 году. В СССР первый точечный транзистор был создан в 1949 г. Серийный выпуск точечных транзисторов был налажен в 1952 году, а плоскостных — в 1955 году. Затем последовали следующие открытия в теории и технологиях: транзисторы на выращенных переходах (1950 г.), сплавные транзисторы (1952 г.), диффузные мета-транзисторы (1958 г.), планарные транзисторы (1960 г.), эпитаксиальные транзисторы (1963 г.), многоэмиттерные транзисторы (1965 г.) и т. д.

Как же появился среди них наш герой — транзистор Дарлингтона (далее по тексту ТД)? Дарлингтон (англ. Darlingtone) — город в в Великобритании. Однако и люди могут иметь фамилии по имени городов или наоборот. Таким является сотрудник все той же фирмы Bell — Сидни Дарлингтон

Сидни Дарлингтон

Зачем же потребовалась эта «сладкая парочка»? Дело в том, что первые транзисторы имели весьма посредственные характеристики, если смотреть на сегодняшние успехи. Прежде всего — невысокий коэффициент усиления. Сейчас это кажется странным — подумаешь, каскадное соединение — это элементарно! Но тогда, в 1953 году — это были пионерские работы.

Что такое NPN транзистор?

Транзисторы вытеснили электролампы, позволили уменьшить количество реле, переключателей в устройствах. Это полупроводниковые триоды — радиоэлектронные компоненты из полупроводников, стандартно имеют 3 вывода.

Транзисторы, предназначенные для управления током, то есть основным силовым фактором электросхем, именно его удар (не напряжения) несет опасность для человека.

Элемент способен контролировать чрезвычайно высокие величины в выходных цепях при подаче слабого входного сигнала. Транзисторы повышают, генерируют, коммутируют, преобразовывают электросигналы, это основа микроэлектроники, электроустройств.

Разновидности по принципу действия:

• биполярный транзистор из 2 типов проводников, в основе функционирования – взаимодействие на кристалле соседних p-n участков. Состоят из эмиттера/коллектора/базы (далее, эти термины будем сокращать): на последнюю идет слабый ток, вызывающий модификацию сопротивления (дальше по тексту «сопр.») в линии, состоящей из первых 2 элементов. Таким образом, протекающая величина меняется, сторона ее однонаправленности (n-p-n или p-n-p) определяется характеристиками переходов (участков) в соответствии с полярностью подключения (обратно, прямо). Управление осуществляется модулированием тока на сегменте база/эмит., вывод последнего всегда общий для сигналов управления и выхода;
• полевой. Тип проводника один — узкий канал, подпадающий под электрополе обособленного затворного прохода. Контроль основывается на модуляции количества Вольт между ним и истоком. А между последним и стоком течет электроток (2 рабочие контакты). Величина имеет силу, зависящую от сигналов, формируемых между затвором (контакт контроля) и одной из указанных частей. Есть изделия с p-n участком управления (рабочие контакты подключаются к p- или n-полупроводнику) или с обособленными затворами.

У полевиков есть варианты полярности, для управления требуется низкий вольтаж, из-за экономичности их ставят в радиосхемы с маломощными БП. Биполярные варианты активируются токами. В аналоговых сборках превалируют вторые (БТ, BJT), в цифровых (процессоры, компьютеры) — первые. Есть также гибриды — IGBT, применяются в силовых схемах.

Конструкция NPN транзистора

Конструктивная схема транзистора NPN транзистора состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока (“внутрь” для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Схема NPN транзистора

Когда NPN транзистор связан с ресурсами напряжения, базовый ток будет проходить через транзистор. Даже небольшое количество базы контролирует циркуляцию большого количества тока через эмиттер к коллектору. Напряжение базы выше, чем напряжение на эмиттере.

Когда VB базовое напряжение не -ve по сравнению с VE напряжение эмиттера, ток не может проходить в цепи. Таким образом, необходимо обеспечить подачу напряжения обратного смещения> 0.72 Вольт.

Резисторы RL и RB включены в цепь. Это ограничивает ток, проходящий через максимально возможную высоту транзистора.

Напряжение эмиттера VEB как входная сторона. Здесь ток эмиттера (IE) течет со стороны входа и течет в двух направлениях; один яB а другое это яC.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

Как работает NPN транзистор

Когда мы с вами, друзья мои, разобрались в том, что вообще такое этот транзистор, давайте узнаем, как он работает. Устроен он довольно просто, нужно просто понять принцип. Для этого введем два очень важных понятия: эмиттер и коллектор. Эмиттер (как и в слове эмиссия) выпускает заряды и они двигаются в сторону коллектора. Так вот, в состоянии покоя, когда, грубо говоря, все выключено, ток в транзисторе не протекает, потому что между эмиттером и коллектором есть полупроводниковый переход. Однако, когда подается незначительное напряжение на базу транзистора, ток начинает течь и при этом даже можно его усиливать. Как? Колебания небольшого тока в точности повторяются, но уже с большей амплитудой. Вот схема простого транзистора:

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB.

В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий.

Проверка биполярных типов

Ниже схема проверки npn, pnp транзисторов тестером, после нее распишем процедуру по пунктам.

Биполярный транзистор снабжен p-n линиями — условно, это диоды, а точнее, 2 таковых расположенных встречно, точка их пересечения — «база».

Один условный диод сконструирован контактами базы/коллект., иной — базы/эмит. Для анализа хватит посмотреть сопр. (прямо и обратно) указанных участков: если там нет неполадок, то деталь без изъянов.

Проверка своими руками без выпаивания биполярного pnp, npn транзистора предполагает прозвонку 3 комбинаций ножек:

Вариант p-n-p

Структуры (типы) показывает стрелка эмит. участка: p-n-p/n-p-n (к базе/от нее). Начнем с проверки первого варианта. Раскрываем p-n-p деталь подачей на базу минусового напряжения. На мультиметре селектор ставим на замеры Ом на отметку «2000», допускается также выставлять на «прозвонку».

Жила «−» (черная) — на ножку базы. Плюс (красная) — поочередно к коллект., эмит. Если участки не поврежденные, то отобразят около 500–1200 Ом.

Дальше опишем, как прозвонить обратное сопр.: «+» – на базу, «−» — на колл. и эмит. Должно отобразиться высокое сопр. на обоих p-n участках. У нас появилась «1», то есть для выставленной рамки в «2000» значение превышает 2000. Значит, 2 перехода без обрывов, изделие исправное.

Аналогично, как описано, можно прозвонить на исправность транзистор, не выпаивая из схемы. Реже есть сборки, где к переходам применено основательное шунтирование, например, резисторами. Тогда, если отобразится слишком низкое сопр., потребуется выпаивать деталь.

Структура n-p-n

Элементы n-p-n проверяются аналогично, только на базу от тестера идет щуп «+».

Признаки неисправности

Если сопр. (прямое и обратное) одного из участков (p-n) стремится к бесконечности, то есть на отметке «2000» и выше на дисплее «1», значит, данный участок имеет обрыв, транзистор не годный. Если же «0» — изделие также с изъяном, пробит участок. Прямое сопр. там должно быть 500–1200 Ом.

Проверка простой схемой включения транзистора

Соберите схему с транзистором, как показано на рисунке. В этой схеме транзистор работает как “ключ”. Такая схема может быть быстро собрана на монтажной печатной плате, например. Обратите внимание на 10Ком резистор, который включается в базу транзистора.

Это очень важно, иначе транзистор “сгорит” во время проверки. Если транзистор исправен, то при нажатии на кнопку светодиод должен загораться и при отпускании – гаснуть. Эта схема для проверки npn-транзисторов. Если необходимо проверить pnp-транзистор, в этой схеме надо поменять местами контакты светодиода и подключить наоборот источник питания.
Проверка транзистора мультиметром более проста и удобна. К тому же, существуют мультиметры с функцией проверки транзисторов. Они показывают ток базы, ток коллектора и даже коэффициент усиления транзистора.

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 NPN транзистора состоит из таких последовательных операций:

1. Проверяем обратное сопротивление, для этого присоединяем «плюсовой» щуп прибора к его базе.
2. Тестируется эмиттерный переход, для этого «минусовой» щуп подключаем к эмиттеру.
3. 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:

1. «Минусовой» щуп прибора присоединяем к базе.
2. «Плюсовой» щуп поочередно перемещаем от эмиттера к коллектору.
3. 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.

Основные причины неисправности

Наиболее часто встречающиеся причины выхода из рабочего состояния триодного элемента в электронной схеме следующие:

1. Обрыв перехода между составными частями.
2. Пробой одного из переходов.
3. Пробой участка коллектора или эмиттера.
4. Утечка мощности под напряжением цепи.
5. Видимое повреждение выводов.

Характерными внешними признаками такой поломки являются почернение детали, вспучивание, появление черного пятна. Поскольку эти изменения оболочки происходят только с мощными транзисторами, то вопрос диагностики маломощных остается актуальным.

Советы

1. Существует множество способов определения неисправности, но для начала нужно разобраться в строении самого элемента, и четко понимать конструкционные особенности.
2. Выбор прибора для проверки – это важный момент, касающийся качества результата. Поэтому при недостатке опыта не стоит ограничиваться подручными средствами.
3. Проводя проверку, следует четко понимать причины выхода из строя тестируемой детали, чтобы не вернуться со временем к тому же состоянию неисправности бытовой электротехники.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1

b4 . Различие можно компенсировать за счёт подбора пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13

Схема на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведённых схем: требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или раздельные радиаторы) и обеспечивает наименьший размах напряжения, поскольку между базами СТ должно падать

На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:

Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.

Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ

Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе

В линейных цепях можно использовать любые подходящие комбинации транзисторов. Автору встречалась бытовая советская техника, в которой использовались СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принято /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве комплементарной пары можно взять C945 и A733, часто встречающиеся в старых компьютерных БП.

Для коммутации электромеханических приводов и, тем более, в импульсных схемах следует использовать готовые СТ с нормированными параметрами включения и выключения, паразитными ёмкостями. Типичный пример – широко распространённые импортные комплементарные СТД серии TIP12х.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Мощность и сложность транзистора Дарлингтона может регулироваться через увеличение количества включённых в него биполярных транзисторов. Существует также IGBT-транзистор, который включает в себя биполярный и полевой транзистор, используется в сфере высоковольтной электроники.

Главным достоинством составных транзисторов считается их способность давать большой коэффициент усиления по току. Дело в том, что, если коэффициент усиления у каждого из двух транзисторов будет по 60, то при их совместной работе в составном транзисторе общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов входящих в его состав транзисторов (в данном случае — 3600). Как результат — для открытия транзистора Дарлингтона потребуется довольно небольшой ток базы.

Недостатком составного транзистора считается их низкая скорость работы, что делает их пригодными для использования только в схемах работающих на низких частотах. Зачастую составные транзисторы фигурируют как компонент выходных каскадов мощных низкочастотных усилителей.

PNP-транзистор: схема подключения. Какая разница между PNP и NPN-транзисторами?

PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока («внутрь» для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора I_C (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора I_C, так и ток эмиттера I_E. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как I_C немного меньше, чем I_E. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с I_E, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов I_C и I_B; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем I_E = I_C + I_B.

В этой схеме ток базы I_B просто «ответвляется» от тока эмиттера I_E, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток I_B, а NPN-типа – втекающий.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (V_BE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (V_CE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: I_C = I_E – I_B, так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

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=I_C/I_B 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.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер — База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор — База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер — Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

Основные схемы включения транзисторов

Транзистор, как полупроводниковый прибор, имеющий три электрода (эмиттер, базу, коллектор), можно включить тремя основными способами (рис. 1 — 6).

Как известно, входной сигнал поступает на усилитель по двум проводам; выходной сигнал отводится также по двум проводам. Следовательно, для трех-электродного усилительного прибора при подаче входного и съеме выходного сигнала по двум проводам один из электродов будет непременно общим.

Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Схемы включения транзисторов структуры N-P-N

Рис. 1. Схема включения N-P-N транзистора с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 2. Схема включения N-P-N транзистора общим коллектором (ОК).

Рис. 3. Схема включения N-P-N транзистора с общей базой (ОБ).

Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рисунках 1-6. Как следует из сопоставления рисунков, схемы эти идентичны и различаются лишь полярностью подаваемого напряжения.

Для определения входного (RBх.) и выходного (RBыx.) сопротивления каждой из схем включения, а также коэффициентов усиления по току (К,), напряжению (Ки) и мощности (КР=К|ХКи) расчетные и экспериментальные значения и формулы приведены в следующих таблицах:

Таблица с формулами приведена для приближенных расчетов, а для первоначальной, первичной оценки и сравнения свойств основных схем включения транзисторов предназначена вторая таблица с численными оценками.

Обозначения в таблице следующие:

• RH — сопротивление нагрузки;
• R3 — сопротивление эмиттера или отношение изменения напряжения на эмиттерном переходе к изменению тока эмиттера в режиме короткого замыкания в выходной цепи по переменному току;
• RB — сопротивление базы или отношение изменения напряжения между эмиттером и базой к изменению тока коллектора в режиме холостого хода входной цепи по переменному току;
• а — коэффициент усиления по току для схемы с общей базой;
• р — коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Схемы включения транзисторов структуры P-N-P

Рис. 4. Схема включения P-N-P транзистора с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 5. Схема включения P-N-P транзистора с общим коллектором (ОК).

Рис. 6. Схема включения P-N-P транзистора с общей базой (ОБ).

Применение схем включения транзисторов

Наиболее часто в практических схемах используют режим включения транзистора с общим эмиттером (как обладающий наибольшим коэффициентом усиления по мощности).

Эмиттерные повторители (схемы с общим коллектором) применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление) используют схемы с общей базой.

В зависимости от наличия, полярности и величины потенциалов на электродах транзисторов различают несколько режимов его работы:

• Насыщение — транзистор открыт, напряжение на переходе К— Э минимально, ток через переходы максимален;
• Отсечка — транзистор закрыт, напряжение на переходе К — Э максимально, ток через переходы минимален;
• Активный — промежуточный между режимом насыщения и отсечки;
• Инверсный — характеризуется подачей на электроды транзистора обратной (инверсной) полярности рабочего напряжения.

В переключательно-коммутирующих схемах, имеющих только два состояния: включено (сопротивление ключевого элемента близко к нулю) и выключено (сопротивление ключевого элемента стремится к бесконечности), используются режимы насыщения и отсечки.

Активный режим широко применяют для усиления сигналов. Инверсный режим используют достаточно редко, поскольку улучшить показатели схемы при таком включении транзистора не удается.

Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем (рис. 1, 2, 4, 5), можно принять величину сопротивления в коллекторной (эмиттерной) цепи равной нескольким кОм, а величину сопротивления в цепи базы в 30. 50 раз большим.

При этом напряжение на коллекторе (эмиттере) должно быть равно половине напряжения питания. Для схемы с общей базой (рис. 3, 6) величина сопротивления R3, обычно не превышает 0,1. 1 кОм, величина сопротивления R2 составляет несколько кОм.

Величины реактивных сопротивлений конденсаторов С1 — C3 для наиболее низких частот, которые требуется усилить, должны быть примерно на порядок ниже соединенных с ними активных сопротивлений R1 — R3 (рис. 1 — 6).

В принципе, величины этих емкостей можно было бы выбрать со значительным запасом, но в этом случае увеличиваются габариты переходных конденсаторов, их стоимость, токи утечки, длительность переходных процессов и т.д.

В качестве примера приведем таблицу для быстрого определения величины реактивного сопротивления конденсаторов для нескольких частот:

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле:

Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. Следовательно, для усилителей постоянного тока (нижняя граничная частота усиления равна нулю) переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры.

Конденсаторы в цепях постоянного тока равносильны обрыву цепи. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами.

Разумеется, в этом случае необходимо согласование уровней межкаскадных напряжений.

При усилении переменного тока в цепи нагрузки усилительных каскадов зачастую используют индуктивные элементы. Отметим, что реактивное сопротивление индуктивностей растет с увеличением частоты.

Соответственно, с изменением сопротивления нагрузки от частоты, растет и коэффициент усиления такого каскада.

Схемы включения полевых транзисторов

Помимо биполярных транзисторов широкое распространение приобрели более современные элементы — полевые транзисторы (рис. 7—9).

Рис. 7. Схема включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ).

Рис. 8. Схема включения полевого транзистора с общим стоком (ОС).

По аналогии со схемами включения биполярных транзисторов полевые включают с общим истоком, общим стоком и с общим затвором.

Рис. 9. Схема включения полевого транзистора с общим затвором (ОЗ).

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице:

• S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В;
• R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Ориентировочно величина R1 (рис. 7—9) может быть от нескольких Ом до единиц МОм, а R2 — несколько кОм. Отметим, что, как и для биполярных транзисторов, полевые также допускают работу с отсечкой, с насыщением; активный и инверсный режимы.

Схемы составных транзисторов

Для увеличения коэффициента передачи по току биполярного транзистора используют «составные» транзисторы, включаемые по схеме Дарлингтона (рис. 10—13).

Общий их коэффициент усиления несколько отличается от произведения коэффициентов усиления каждого из транзисторов. Одновременно ухудшается температурная стабильность схемы.

Рис. 10. Схема составного транзистора из двух кремниевых структуры N-P-N.

Рис. 11. Схема составного N-P-N транзистора из трех кремниевых структуры N-P-N.

Рис. 12. Схема составного N-P-N транзистора из двух кремниевых структуры N-P-N и P-N-P.

Рис. 13. Схема составного P-N-P транзистора из двух кремниевых структуры P-N-P и N-P-N.