Принцип работы и схема биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет о биполярных. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся 😉

Итак, понеслась..

Биполярный транзистор является одним из самых важных и основных активных компонентов. Основная цель работы биполярного транзистора заключается в увеличении сигнала по мощности. Естественно, мощность не может появиться просто из воздуха, законы физики никто не отменял, поэтому в транзисторе увеличение мощности входного сигнала достигается за счет внешнего источника питания. Еще раз повторюсь и уточню, что усиление заключается именно в увеличении мощности, в отличие от трансформатора, который может усиливать по напряжению, но при этом происходит ослабление тока, и мощность на выходе равна мощности на входе.

Двигаемся дальше) Биполярники бывают двух типов – n-p-n и p-n-p. Какого бы типа не был биполярный транзистор, он имеет три вывода (электрода), которые называются – коллектор, эмиттер и база.

Схема биполярного транзистора:

:
Схема биполярного транзистора

Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.

Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Это может показаться не очень логичным, но это действительно так, просто БТ так устроен =) Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации пары диодов:
Транзистор в виде диодов

Теперь, представляя немного принцип работы биполярного транзистора, и, глядя на его диодную модель, составим основные правила его работы. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0.8 В). Таким образом,

    \[ U_b = U_e + 0.6В \]

Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/ эмиттере/ базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении Uбэ, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{bk} и U_{ke}.

Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора )

С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными).

Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:

    \[ I_k = h_{21e} * I_b \]

Величина h_{21e} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.

С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее, чтобы лучше понять, в чем заключается суть работы биполярного транзистора )

Схема ключа на биполярном транзисторе.

Ключ на биполярном транзисторе
Вот такая вот несложная, но безумно полезная схема! Будем разбираться, как она работает.

Пусть нагрузка у нас потребляет ток 100 мА при 12 В. Если на входе у нас ничего нету, то потенциал базы равен потенциалу эмиттера и равен нулю. При таком раскладе у нас диод база-эмиттер закрыт и, следовательно, тока на выходе тоже нет. Транзистор тут находится в режиме отсечки (это значит, что оба перехода – база-коллектор и база-эмиттер – закрыты).

Подаем на вход положительное напряжение (ну, например, с ножки контроллера) и сразу же начинается движуха 😉 Напряжение на базе составит около 0.6 В (диод база-эмиттер открыт) и в схеме начинает протекать ток базы. И к чему же это приведет? А вот к чему. Так как диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт, то БТ находится в режиме усиления, а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток. Соответственно, на нагрузке появится напряжение. А это в свою очередь приведет к тому, что напряжение на коллекторе будет уменьшаться (смотрите сами, напряжение коллектора + напряжение на нагрузке в сумме должны составлять 12 В, если увеличивается одно из этих значений, второе уменьшается, чистая математика =) ). В итоге, когда ток коллектора увеличится до 100мА, падение напряжения на нагрузке составит около 12В (таковы параметры нагрузки у нас), и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в режим насыщения (оба диода открыты), и дальнейшего роста тока не будет происходить.

Короче, пока на входе ничего нет – режим отсечки, подаем сигнал, транзистор, очень быстро минуя режим усиления, переходит в режим насыщения. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора в качестве ключа.

Есть тут, кстати, еще одна важная фишка. Пусть, к примеру, резистор в цепи базы имеет сопротивление 1кОм. Пусть на базу подается 10 В. Тогда на этом резисторе будет напряжение 9.4В (10В минус прямое напряжение диода база-эмиттер). Рассчитаем ток базы – делим 9.4В на 1кОм и получаем 9.4мА. Пусть коэффициент усиления транзистора равен 50. Находим коллекторный ток: 9.4мА * 50 = 470мА. Вот такой получили расчет. Вроде бы все верно, но на самом деле все совсем не так и таким образом рассчитывать нельзя! Давайте разбираться, в чем тут ошибка.

Вспоминаем, что при значении тока коллектора 100мА напряжение на нем становится мало относительно базы и биполярный транзистор насыщается. А значит дальнейшего роста тока быть не может! Таким образом, рассчитанные 470 миллиампер на нагрузке мы не увидим, просто образуется так называемый избыток тока базы.

Обсудили мы сегодня суть работы биполярного транзистора, его схему. Хотел я еще рассказать в этой статье про эмиттерный повторитель, но как то получилось объемно, а про повторитель надо поговорить обстоятельно и обширно, так что через пару дней в новой статье обязательно вернемся к биполярникам. До скорой встречи, следите за новостями =)

P.S. Вот все статьи про биполярный транзистор — ссылка

Понравилась статья? Поделись с друзьями!

Принцип работы и схема биполярного транзистора.: 21 комментарий
  1. Вот в таких статьях всегда возникает больше вопросов чем понимания.
    Вот как через закрытый диод БК может течь ток?

    • Я не случайно именно относительно этого уточнил, что выглядит это не очень логичным, но транзистор так работает и в это надо поверить. Сделано так по той причине, что радиоэлектронщиков все-таки не очень сильно интересуют именно химические тонкости процессов. Именно поэтому используются упрощения вроде протекания тока через закрытый диод. А вообще, раз интерес есть, то из-за прямого смещения перехода ЭБ начинается эмиссия электронов из Э в Б, поскольку Э легирован сильнее, чем Б. Из-за малой толщины Б лишь часть электронов рекомбинирует с дырками, а бОльшая часть достигает области К, где под действием электрического поля обратно смещенного перехода происходит экстракция электронов в К.

  2. Когда напряжение на нагрузке достигнет ~12 В диод база-коллектор должен ОТКРЫТЬСЯ, как я понимаю. Сами же в начале абзаца написали, что в момент подачи напряжения диод бэ открыт, а бк закрыт (пока ток не успел вырасти). Соответственно режим насыщения = оба диода ОТКРЫТЫ. Поправьте, если я не прав.

  3. Отличная статья, спасибо.

    Если будет небольшой избыток тока базы, то это сильно вредно транзистору ?

  4. 1) Зачем ставит резистор между базой и эмитером, в NPN транзисторах ?
    2) Транзистор изображают как два диода. Как два одинаковых диода ? То тогда если взять NPN транзистор, подключен в стандартном ключевом режиме. И если поменять местами выводы эмитера и колектора, то транзистор будет тоже работать, как раньше, в ключевом режиме ?

    • 1. На самом деле нельзя в отрыве от конкретной схемы анализировать, зачем там резистор
      2. Транзистор рассматривать в виде диодов можно только в качестве примера для понимания его устройства и принципа работы. Реальный транзистор нельзя заменить двумя диодами, это просто упрощение для объяснения теории

  5. Спасибо за проделанную работу. Многое похоже из книги Хоровица. Но всё равно приятно читать статью которую писал человек который разбирается и объясняет своим языком. Некоторые моменты которые не понял в книге понял здесь.

    • Я книгу ХХ как план для статей использовал. Книга отличная, но много абсолютно неочевидных моментов, которые там не объясняются по непонятной мне причине.

  6. Когда на базу приходит 10мА, а необходимо к примеру только 1мА куда уходят оставшиеся 9мА?

  7. «а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток. Соответственно, на нагрузке появится напряжение»
    Я вообще запутался. А разве до подачи напряжения на вход на нагрузке не было напряжения и не тек ток с коллектора?

    • Если транзистор закрыт, то ток через него не течет, за исключением небольших токов утечки.

  8. А на схеме не нарисовано откуда выходной ток снимается, т. е. что же мы имеем ввиду под словом «выход». Если кто-то изучал эту схему, то помнит где же был выход изображен и о чем идет речь, ну а новичкам надо гадать — а где же должен быть выход, чтобы схема подходила под описание? А выходное напряжение можно снимать и с резистора (между +12В и нижним выводом резистора) и между резистором и «землей».

  9. «и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в режим насыщения» — если на коллекторе напряжение станет меньше, чем на базе, то электроны, которые в n-p-n транзисторе «прибежали» из эмиттера в базу не побегут в коллектор (раз там напряжение меньше, чем на базе). Надо, чтобы в коллекторе было большое напряжение, чтобы электроны, которые пришли из эмиттера в базу, не ушли в эту базу (создавая ток базы), а подхватились еще бОльшим напряжением коллектора и ушли в коллектор, создавая ток коллектора. Хотя, я могу что-то путать.
    P.S. Я так понял, что Rн просто создает обратную связь по току: большое входное напряжение — большой выходной ток — больше падает напряжение на резисторе — уменьшается напряжение на коллекторе — выходной ток уменьшается, а не «зашкаливает».

  10. Я так понял, что никто открываться не должен, а между эмиттером и коллектором всегда приложено большое напряжение (которое управляется маленьким напряжением базы). А вот если на базе — ноль и электроны n-p-n транзистора не могут преодолеть барьер и сидят себе в эмиттере (режим отсечки). А когда подали на базу небольшой плюс — электроны прошли через барьер и попали в базу, а там «подхватились» еще большим напряжением на коллекторе и «полетели» в коллектор (создавая большой ток коллектора). И ничто не открывается, просто для электронов, пришедших с эмиттера в базу (которые являются неосновными носителями базы) этот переход открыт (для основных носителей базы — дырок, он по-прежнему закрыт). А резистор Rн просто создает обратную связь по току: приходит большое входное напряжение — получается большой выходной ток — от него больше падает напряжение на резисторе — уменьшается напряжение на коллекторе — большой выходной ток уменьшается, а не «зашкаливает».
    P.S. IMHO, конечно. Я вот транзистор раньше не изучал, вчера день потратил на его изучение и написал то, как я понял. Так что опыта у меня ровно один день, могу и «лажу» написать 🙂

  11. Я так понял, что никто открываться не должен, а между эмиттером и коллектором всегда приложено большое напряжение (которое управляется маленьким напряжением базы). А вот если на базе — ноль и электроны n-p-n транзистора не могут преодолеть барьер и сидят себе в эмиттере (режим отсечки). А когда подали на базу небольшой плюс — электроны прошли через барьер и попали в базу, а там «подхватились» еще большим напряжением на коллекторе и «полетели» в коллектор (создавая большой ток коллектора). И ничто не открывается, просто для электронов, пришедших с эмиттера в базу (которые являются неосновными носителями базы) этот переход открыт (для основных носителей базы — дырок, он по-прежнему закрыт). А резистор Rн просто создает обратную связь по току: приходит большое входное напряжение — получается большой выходной ток — от него больше падает напряжение на резисторе — уменьшается напряжение на коллекторе — большой выходной ток уменьшается, а не «зашкаливает».
    P.S. IMHO, конечно. Я вот транзистор раньше не изучал, вчера день потратил на его изучение и написал то, как я понял. Так что опыта у меня ровно один день, могу и «лажу» написать 🙂

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *