Транзистор: виды, применение и принципы работы

Транзистор: виды, применение и принципы работы

Что такое транзистор? Наверняка каждый человек хотя бы раз в жизни слышал это слово. Однако далеко не каждый знаком с его значением, а тем более с устройством и назначением транзистора. Это понятие подробно изучают студенты технических ВУЗов. При этом довольно часто технические знания пригождаются в жизни людям, не имеющим ничего общего с инженерной деятельностью. В этой статье мы рассмотрим в каких областях они применяются.

  • Принцип работы прибора
  • Виды транзисторов
    • Полевые
    • Биполярные
  • Применение транзисторов в жизни
  • Литература по электронике

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент усиления по напряжению;
  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент обратной связи;
  • Коэффициент передачи по току;
  • Входное сопротивление;
  • Выходное сопротивление;
  • Время включения;
  • Максимально допустимый ток и др.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер;
  • Частота коэффициента передачи тока базы;
  • Обратный ток коллектора;
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

  • Номинальный режим;
  • Инверсный;
  • Насыщения;
  • Отсечка;
  • Барьерный.

Упрощённая схема работы

Транзисторы — устройства, контролирующие движение электронов, а следовательно, электрический ток. Для понимания того, что делает транзистор, лучше всего подойдёт аналогия с водяным краном и потоком жидкости, но, в отличие от последнего, они не только могут пропустить или перекрыть поток, но также способны контролировать его количество. Применение транзисторов чрезвычайно широко и основано на том, что в качестве электронного компонента он может выполнять две разные функции:

  1. Усилителя. В этом качестве он принимает малые электрические токи на одном выводе и создаёт значительные токи на выходной цепи. Это свойство используется в электронике для усиления сигналов, благодаря ему транзисторы вытеснили ламповые триоды.
  2. Выключателя. В зависимости от наличия или отсутствия сигнала на управляющем электроде он способен замкнуть или разомкнуть цепь. Так работают компьютерные чипы. Например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых может быть управляемо включён или выключен. Поскольку все они в схеме находятся только в одном из двух состояний, то могут являться хранителями двоичной информации — ноля или единицы. ЧИП из миллиардов транзисторов способен хранить миллиарды нолей и единиц.

ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

Область применения транзисторов определяется не только их типом, но также характеристиками конкретного прибора, однако можно выделить два основных режима работы:

  • динамический — при нем любое входного сигнала вызывает соответствующее изменение выходного. Иначе этот режим называют усилительным.
  • ключевой — при этом режиме транзистор или полностью открыт или полностью закрыт. В идеале, переходные процессы между этими состояниями должны отсутствовать. Ключевой режим позволяет применять транзистор для управления значительными нагрузками при сравнительно слабых управляющих сигналах.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Обозначения и типы транзисторов.

Устройство и обозначение транзисторов разделяют на две большие группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT, Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще их называют полевыми (ПТ) (международный термин – FET, Field Effect Transistor).

Полевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET — Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semiconductor FET) .

Полевые и биполярные транзисторы

По технологии изготовления транзисторы подразделяются на два типа: полевые и биполярные. Биполярные в свою очередь делятся по проводимости на n-p-n – транзисторы обратной проводимости, и p-n-p – транзисторы прямой проводимости. Полевые транзисторы бывают, соответственно, с каналом n-типа и p-типа. Затвор полевого транзистора может быть изолированным (IGBT-транзисторы) или в виде p-n-перехода. IGBT-транзисторы бывают со встроенным каналом или с индуцированным каналом.

Виды транзисторов, p –n–p и n–p–n проводимость

Области применения транзисторов определяются их характеристиками, а работать транзисторы могут в двух режимах: в ключевом или в усилительном. В первом случае транзистор в процессе работы или полностью открыт или полностью закрыт, что позволяет управлять питанием значительных нагрузок, используя малый ток для управления. А в усилительном, или по-другому — в динамическом режиме, используется свойство транзистора изменять выходной сигнал при малом изменении входного, управляющего сигнала. Далее рассмотрим примеры различных транзисторов.

2N3055 – биполярный n-p-n-транзистор в корпусе ТО-3

Популярен в качестве элемента выходных каскадов высококачественных звуковых усилителей, где он работает в динамическом режиме. Как правило, используется совместно с комплементарным p-n-p собратом MJ2955. Данный транзистор может работать и в ключевом режиме, например в трансформаторных НЧ инверторах 12 на 220 вольт 50 Гц, пара 2n3055 управляет двухтактным преобразователем.

Примечательно, что напряжение коллектор-эмиттер для данного транзистора в процессе работы может достигать 70 вольт, а ток 15 ампер. Корпус ТО-3 позволяет удобно закрепить его на радиатор в случае необходимости. Статический коэффициент передачи тока — от 15 до 70, этого достаточно для эффективного управления даже мощными нагрузками, при том, что база транзистора выдерживает ток до 7 ампер. Данный транзистор может работать на частотах до 3 МГц.

КТ315 — легенда среди отечественных биполярных транзисторов малой мощности

Данный транзистор n-p-n – типа впервые увидел свет 1967 году, и по сей день пользуется популярностью в радиолюбительской среде. Комплементарной парой к нему является КТ361. Идеален для динамических и ключевых режимов в схемах малой мощности.

При максимально допустимом напряжении коллектор-эмиттер 60 вольт, этот высокочастотный транзистор способен пропускать через себя ток до 100 мА, а граничная частота у него не менее 250 МГц. Коэффициент передачи тока достигает 350, при том, что ток базы ограничен 50 мА.

Изначально транзистор выпускался только в пластмассовом корпусе KT-13, 7 мм в ширину и 6 мм высотой, но в последнее время можно его встретить и в корпусе ТО-92.

КП501 — полевой n-канальный транзистор малой мощности с изолированным затвором

Имеет обогащенный n-канал, сопротивление которого составляет от 10 до 15 Ом, в зависимости от модификации (А,Б,В). Предназначен данный транзистор, как его позиционирует производитель, для использования в аппаратуре связи, в телефонных аппаратах и другой радиоэлектронной аппаратуре.

Этот транзистор можно назвать сигнальным. Небольшой корпус ТО-92, максимальное напряжение сток-исток — до 240 вольт, максимальный ток стока — до 180 мА. Емкость затвора менее 100 пф. Особенно примечательно то, что пороговое напряжение затвора составляет от 1 до 3 вольт, что позволяет реализовать управление с очень-очень малыми затратами. Идеален в качестве преобразователя уровней сигналов.

Читайте также  Как поднять ворота в гараже

irf3205 – n-канальный полевой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET

Популярен в качестве силового ключа для повышающих высокочастотных инверторов, например автомобильных. Посредством параллельного включения нескольких корпусов представляется возможность построения преобразователей, рассчитанных на значительные токи.

Максимальный ток для одного такого транзистора достигает 75А (ограничение вносит конструкция корпуса ТО-220), а максимальное напряжение сток-исток составляет 55 вольт. Сопротивление канала при этом всего 8 мОм. Емкость затвора в 3250 пф требует применения мощного драйвера для управления на высоких частотах, но сегодня это не является проблемой.

FGA25N120ANTD мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор)

Способен выдержать напряжение сток-исток 1200 вольт, максимальный ток стока составляет 50 ампер. Особенность изготовления современных IGBT-транзисторов такого уровня позволяет отнести их к классу высоковольтных.

Область применения — силовые преобразователи инверторного типа, такие как индукционные нагреватели, сварочные аппараты и другие высокочастотные преобразователи, рассчитанные на питание высоким напряжением. Идеален для мощных мостовых и полумостовых резонансных преобразователей, а также для работы в условиях жесткого переключения, имеется встроенный высокоскоростной диод.

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.
  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Почему все так полюбили транзисторы

До тран­зи­сто­ров у учё­ных уже было некое подо­бие вычис­ли­тель­ных машин. Напри­мер, счё­ты: там опе­ра­тор управ­лял пере­ме­ще­ни­ем бусин в реги­страх и скла­ды­вал таким обра­зом чис­ла. Но опе­ра­тор мед­лен­ный и может оши­бать­ся, поэто­му систе­ма была несо­вер­шен­ной.

Были меха­ни­че­ские счёт­ные маши­ны, кото­рые уме­ли скла­ды­вать и умно­жать чис­ла за счёт слож­ных шестер­ней, бочон­ков и пру­жин, — напри­мер, ариф­мо­метр. Они рабо­та­ли мед­лен­но и были слиш­ком доро­ги­ми для мас­шта­би­ро­ва­ния.

Были вычис­ли­тель­ные маши­ны на базе меха­ни­че­ских пере­клю­ча­те­лей — реле. Они были очень боль­ши­ми — те самые «залы, напол­нен­ные одним ком­пью­те­ром». Их мог­ли застать наши роди­те­ли, бабуш­ки и дедуш­ки.

Поз­же при­ду­ма­ли элек­трон­ные лам­пы: там управ­лять током уже мож­но было с помо­щью дру­го­го тока. Но лам­пы пере­гре­ва­лись, лома­лись, на них мог при­ле­теть моты­лёк.

И толь­ко в кон­це соро­ко­вых учё­ные изоб­ре­ли твер­до­тель­ные тран­зи­сто­ры: вся кух­ня с вклю­че­ни­ем и выклю­че­ни­ем тока про­хо­ди­ла внут­ри чего-то твёр­до­го, устой­чи­во­го и без­опас­но­го, не при­вле­ка­ю­ще­го вни­ма­ния мотыль­ков. За осно­ву взя­ли гер­ма­ний и крем­ний и ста­ли раз­ви­вать эту тех­но­ло­гию.

Кайф твер­до­тель­ных тран­зи­сто­ров в том, что вза­и­мо­дей­ствия там про­ис­хо­дят на ско­ро­стях, близ­ких к ско­ро­сти све­та. Чем мень­ше сам тран­зи­стор, тем быст­рее по нему про­бе­га­ют элек­тро­ны, тем мень­ше вре­ме­ни нуж­но на вычис­ле­ния. Ну и сло­мать твер­до­тель­ный тран­зи­стор в хоро­шем проч­ном кор­пу­се намно­го слож­нее, чем хруп­кую стек­лян­ную лам­пу или меха­ни­че­ское реле.

Основное применение транзисторов — как усилительный элемент в различных схемах. Как у биполярных, так и у полевых транзисторов существует три схемы включения, которые обозначаются по общему электроду. У биполярных это схема с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой. У полевых — с общим истоком, общим стоком и общим затвором.

Схемы с общим эмиттером и общим истоком используются как усилители напряжения. Схемы с общим коллектором и общим стоком — как усилители тока. Схемы с общей базой и общим затвором непригодны для усиления мощности сигнала, но применяются для преобразования сопротивления.

Итак добавляю от себя: Здесь много чего написано о транзисторах, но ничего по сути. Возникает вопрос, а что с ним эдакое можно сделать? Отвечу, можно например сделать светодиодную мигалку как на милицейских машинах, или кнопочкой, как в телефоне, запустить станок с асинхронным двигателем, например, 10 000 Ватт. здесь есть место для фантазии :-D. Лад, теперь по теме. Что б понять как работает транзистор надо прочитать сначала основную часть статьи и посмотреть рисунки. Значит, представьте что у вас не одна ножка базы а две. Представив это можно разделить транзистор на две цепи, назовем их большая и малая. Малая цепь — это цепь эмиттер — база (далее э-б) Большая цепь — это колектор база (к-б). Значит, далее все просто, в малую цепь э-б включаем источник питания, например батарейку. В большую цепь включаем нагрузку. опытные паяльники. э.э.э радио-любители зовут ее «Rн» (т.с. сопротивление нагрузки), в нашем случае пускай это будет лампочка. Значит, полярность батарейки выбираем соответственно типу транзистора p-n-p — это + — +, n-р-n — это — + -, если эмиттер «р», значит к нему +. На большей цепи к-б между к и б вешаем лампочку, вуаля светится. Так разобрались. Идем дальше, а дальше нужно опять из двух ножек сделать одну. Сделали? Значит у нас выходит цепь + батарейки к эмиттеру минус к лампоче второй провод от лампочки к колектору, и базу тоже на минус, значит, если база присоединена к минусу лампочка светится, если отсоединена, то не светится. Просто? Пока это эксперемент, не выносите дальше листа бумаги. Так как у нас есть еще понятие «h21э» — это коэффициэнт усиления. Относящийся к базе транзистора, а зничит он во сколько раз транзистор усиливает ток базы. И в нашей выше описаной схеме надо применить резистор, дабы транзистор не отбросил ножки. Теперь навожу ясность. Ток базы должен быть в h21э раза меньше чем проходящий ток через эмиттер — колектор, т.с. это значит, что транзистор с h21э — 30мин., усиливает ток базы в 30 раз, значит для полного накала лампочки нужно что б на базе было в 30 раз меньше тока чем нужно лампочке. И ограничит его резистор ну это уже другая тема. П.с. транзистор — как мужик, правая нога — эмиттер, левая — коллектор. база. ну да ладно. удачи в познаниях!