Работа транзистора в ключевом режиме кратко

Обновлено: 02.07.2024

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

обратный ток коллектор-эмиттер
время включения
обратный ток колектора
максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Работа транзистора в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, - обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база - эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Мы уже рассказывали, что такое транзисторы, для чего они нужны и как работают, если вам интересно можете прочесть эту статью . А сегодня давайте разберёмся как их использовать, и как они подключаются в схемах. Для наглядных иллюстраций предлагаю использовать простую бесплатную программу для моделирования электрических цепей Circuit .JS . Заодно посмотрим, как она работает и подходит ли для изучения основ электроники.

Немного теории

В прошлой статье мы узнали, что транзистор может по нашей команде пропускать через себя ток или отключать его. Да не просто пропускать, но и плавно регулировать его величину.

Но в реальных схемах транзисторы работают в определённом режиме, например:

В режиме насыщения на биполярном транзисторе падает какое-то напряжение, которое может отличаться у разных транзисторов, но обычно находится в пределах вольт, а если быть точнее, то 0,3…0,5 вольт.

Для того чтобы транзистор открылся нужно подать какое-то напряжение на базу относительно эмиттера. Если мы обеспечим нужный ток базы, то через коллектор-эмиттер потечёт ток нагрузки.

При этом зависимость тока базы от напряжения не линейна, а повторяет ветвь параболы, и очень похожа на прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода.

На что обратить внимание? Ток базы при увеличении напряжения на ней растёт сначала медленно, а затем рост ускоряется, и примерно после 0,6 Вольт ток резко возрастает. При возрастании тока базы I б транзистор открывается — увеличивается ток коллектора I к. Значение тока базы и тока коллектора связаны через коэффициент усиления (H 21э) — I к=I б×H 21э.

При увеличении напряжения U бэ c 0 до 0,5 вольт ток возрос с 0 до 10 мА, а при увеличении с 0,5 до 0,6 вольт, всего на 20%, ток вырастет примерно до 30 мА, в целых 3 раза. При дальнейшем увеличении напряжения ток будет расти ещё быстрее, в итоге переход перегреется и транзистор выйдет из строя. Поэтому нельзя подавать напряжение на базу без токоограничительного транзистора, что мы сейчас и проверим.

Такие величины напряжения характерны для кремниевых транзисторов, которые, собственно, и используются в настоящее время. Реальные значения токов при указанных напряжениях могут отличаться, к тому же они зависят от температуры транзистора, а для полного открытия транзистора может потребоваться и больше 1 вольта, что вы и можете видеть на вырезке из технических характеристик NPN -транзистора типа MJE 13003.

У полупроводников положительный температурный коэффициент сопротивления, то есть при нагревании ток в них увеличивается, у проводников – наоборот.

Напряжение база-эмиттер необходимое для перевода транзистора MJE130003 в состояние насыщения — от 1 до 1,2 вольта

В прошлой статье были приведены типовые схемы включения транзисторов, и на них было показано, что база-эмиттер и коллектор-эмиттер подключаются к разным источникам

Транзистор как ключ

Для начала попробуем включить лампочку транзистором по первой схеме, собственно, обычно именно так и управляют нагрузкой с помощью транзисторов. Для примера будем использовать NPN -транзистор, и пару источников питания. Минусы источников питания соединим друг с другом.

Важно! В программе circuit .JS нет привязки к реальным элементам, поэтому транзистор принимается каким-то условным, а из параметров в нём настраивается только коэффициент усиления H 21э, я его выставил на значение 100. Но это в рассматриваемом примере никак не влияет на правильность отображения поведения транзистора в схеме.

Попытаемся зажечь лампу на полную мощность. Лампа накаливания на 10 ватт должна потреблять ток около 0,83 ампер, давайте проверим, что у нас получится в опыте. На базу подадим +0,6 вольт, а на коллектор +12 вольт.

Видим, что практически всё напряжение падает на транзисторе, а ток в цепи лампа-коллектор-эмиттер всего лишь 1 мА. При этом ток базы 11 мкА (микроампер), при напряжении в 0,6 В, начнём увеличивать напряжение по 0,05 вольта и посмотрим, что будет происходить с цепью. (листайте картинки ниже влево).

Лампа засветилась, когда напряжение на базе достигло 0,8 вольт. При этом ток, протекающий через лампу, ток коллектора составляет 831 мА (0,83 А), при этом на лампе падает 11,973 В, а 0,83×11,97=9,9 ватта. Что, в общем, соответствует номинальной мощности, небольшое отклонение связано с наличием транзистора в цепи, падением напряжения на нём и особенностями программы.

Но что у нас творится с током базы? Он достиг почти 1 ампера, это очень много, а если учесть, что коэффициент усиления транзистора мы выбрали 100, то ток базы должен быть в 100 раз меньше тока коллектора – около 8 миллиампер.

Тут же мы видим, что ток базы действительно изменяется нелинейно. Как и было показано на вольт-амперной характеристике выше, он сильно увеличивается при незначительном изменении напряжения, например, при 0,6В он составлял 11 мкА, при 0,65В — 82 мкА, при 0,7В — 567 мкА и при 0,75 уже 3,9 мА (что равняется 3900 мкА). То есть суммарно напряжение увеличилось на 0,2 раза, а ток вырос в 390 раз.

Кроме этого, обратите внимание на ток эмиттера — он равняется сумме токов коллектора и тока базы, ниже приведена иллюстрация с прошлой статьи.

Для примера добавим в цепь резистор номиналом 1 Ом, напряжение на базе так и оставим 0.8 вольта, посчитаем какой ток должен быть через резистор, известно, что падение напряжения на переходе база эмиттер составляет порядка 0.6 вольта, тогда на резисторе упадёт около 0.2 вольта, и ток через базу в этом случае составит:

Но это расчёты, на практике видим, что ток снизился в 30 раз, и теперь он 33 мА, это уже хорошо. Но почему расчёты не совпали? Потому что в представленной в программе модели транзистора падение напряжение отличается от 0,6 В, чтобы его измерить в схему добавлен ещё один вольтметр, он показывает 0,77 В (или 770 мВ).

Давайте пересчитаем резистор базы, но уже подставим измеренное напряжение, и выразим R базы из предыдущей формулы. Для расчётов зададимся током:

I б=I к/H 21э=0,83/100=0,0083

Заменим в схеме резистор базы с 1 Ома, на расчётные 3,6 Ома и посмотрим, как изменятся параметры схемы.

Как вы можете видеть лампа продолжает светить, ток через неё равен 0,823 ампера, что соответствует номинальному. А ток базы стал 8,5 мА, в расчёте у нас было 8,3 мА. Это незначительное отклонение связано с уменьшением падения напряжения на переходе, и в реальности никто не будет рассчитывать и подгонять номиналы элементов с такой точностью. Поэтому оставляем как есть.

Какие выводы мы можем сделать на текущий момент?

Как всё это выглядело бы на практике? На практике по подобной схеме подключается нагрузка к микроконтроллерам, ниже вы видите схему подключения лампы из брошюры по ардуино – популярной платформе среди любителей цифровой электроники.

И напряжение логической единицы у ардуино 5 вольт, давайте попробуем подобрать резистор ограничивающий ток базы под это напряжение.

R базы=(U п-U бэ)/I б=(5-0,77)/0,0083=509 Ом

И в программе для моделирования изменим резистор в схеме на 509 Ом, а напряжение сигнала на базе увеличим до 5 вольт.

Попробуем заменить резистор базы на 560 Ом, посмотрим, что из этого выйдет.

Ток базы снизился до 7,6 мА, соответственно транзистор прикрылся, и ток коллектора снизился до 0,76 А. Следовательно напряжение на лампе снизилось до 10,2 В, а на транзисторе увеличилось, до 1,8 В, так как он немного закрылся и ограничивает ток через лампу. Соответственно на нём выделяется мощность в виде тепла и он греется. В ключевом режиме это очень плохо, скорее даже недопустимо.

Соответственно такой резистор нам не подходит, возьмём другой имеющийся — на 470 Ом.

Видим, что ток базы немного превышает расчётный, ток коллектора соответствует номинальному току лампы, и в целом всё хорошо и в порядке. А что у нас произойдёт, если мы увеличим напряжение питания схемы? Допустим, вместо 12 вольт у нас окажется 15 или даже 20.

Когда напряжение подняли до 15 В, ток коллектора немного вырос, а напряжение на лампе достигло 13,6 вольт, что больше её номинального. При этом падение на транзисторе стало 1,33 В.

Когда напряжение подняли до 20 В, ток не измелился, как и напряжение на лампе, зато падение на коллекторе-эмиттере транзистора выросло до 6.34 В. То есть транзистор прикрылся и ограничил ток через лампу. Почему?

Помните, в начале статьи было сказано, что ток коллектора зависит от тока базы — I к=I б×H 21э? Ток базы у нас не изменился, ведь она питается от выхода микроконтроллера, стабильным напряжением 5В и ограничен резистором на 470 Ом.

По этой же причине напряжения питания с 12 до 15 вольт ток коллектора у нас вырос до 900 мА (коэффициент усиления равен 100, а 9 мА в базу умножить 100 равно 900 мА).

То есть при фиксированном токе базы, транзистор будет поддерживать заданный ток нагрузки при изменении

Хорошо это или плохо? Безусловно, тот факт, что транзистор поддерживает заданный ток положительно сказывается на состоянии подключённой нагрузке, но увеличившемуся напряжению нужно куда-то деваться! Так у нас на транзисторе выросло напряжение U кэ до 6,34 В, и через него протекает ток силой 0.9А, соответственно на транзисторе будет выделяться мощность в виде тепла:

P потерь =U ×I =6,34×0,9=5,7 Вт

На практике транзистор, у которого напряжение U кэ в рабочем режиме больше, чем напряжение насыщения (U кэнас) начнёт сильнее греться, так как рассеиваемая им мощность в тепло увеличится, чем когда он находится в насыщении и на нём падает маленькое напряжение (от долей вольта до пары вольт). И если мощность, рассеиваемая на транзисторе, превысит допустимую, то он выйдет из строя. У каждого транзистора такая мощность указывается в даташите.

Но что если у нас нет никакого микроконтроллера, и транзистор должен включать нагрузку при нажатии какой-то маломощной кнопки, или при замыкании какого-то маломощного контакта, например, геркона? На типовых схемах включения транзистора указаны два разных источника питания для цепи коллектор-эмиттер и для цепи база-эмиттер.

Но на практике, часто цепь управления транзистора и цепь нагрузки питаются от одного и того же источника. Даже и при использовании микроконтроллера часто он питается от того же источника, что и нагрузка, пусть и через индивидуальный стабилизатор. Как же быть?

В этом случае напряжение базы подаётся от этого источника через сопротивление, приведём пример этой схемы. Расчищаем сопротивление по приведённой выше формуле.

Ключевой режим работы транзистора, наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Использование транзистора в ключевом режиме

но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает. Правила приведены для транзистора p-n-p-типа, но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:

Принцип работы трназистора

1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод база – коллектор открыт, а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор I_К прямо пропорционален току базы I_Б и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы R_б составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h_21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 – 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.

Расчёт ключевой схемы

1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор:

, где

U_pit – напряжение питания,

R_К – сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток:

3. Рассчитывают сопротивление базового резистора R_б:

U_вх – напряжение на входе ключевого каскада.

Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.

Пример использования транзистора в ключевом режиме

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Читайте также: