Транзистор плюс и минус

Транзистор плюс и минус

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 hfe 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 hfe = 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:

Читайте также:  Разноцветный скотч с рисунком

здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

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.

Лампа — транзистор: кто кого

Итак, лампа или транзистор, плюсы и минусы их применения в усилителях (имеются в виду линейные усилители мощности, используемые в достаточно мощных комплектах по озвучиванию концертных площадок, задача которых — простое усиление сигнала с наименьшими искажениями).

1.В плане качества звучания — более высокая линейность ламп (хотя и у ламп начальный участок вольтамперной характеристики нелинеен) позволяет простыми средствами добиться относительно приличного звучания. Более "плавный" излом начальной характеристики и обуславливает небольшую величину интермодуляционных искажений двухтактного лампового выходного каскада, работающего в режиме АВ.

2.При перегрузке усилителя ограничение выходного сигнала ввиду особенностей ламповой схемотехники (меньшая глубина общей и местных ООС, и т.д.) имеет более "мягкий" характер, что обуславливает меньшее число и амплитуду гармоник .

3.В плане надежности тоже есть один плюс — ток катода имеет определенную величину максимального тока, и кратковременное уменьшение сопротивления нагрузки не ведет к его недопустимому повышению, что обуславливает достаточно высокую устойчивость ламповых усилителей к к.з. в нагрузке. Однако при к.з. нагрузки рабочая точка, как правило, вылетает далеко за область безопасных режимов, и при длительной работе в таком режиме ведет к перегреву анода и термическому разрушению лампы.

4.Простота ламповых схем — тоже преимущество, впрочем, весьма относительное и проистекающее из-за меньшей вариабельности конструкторско-технологических возможностей применения ламп.

На этом, пожалуй, список их достоинств исчерпан.

1.Шум. Как известно, первооснова шума — тепловое движение и разогретый катод весьма неплохо это подтверждает. Второй недостаток, усугубляющий первый — высокое входное сопротивление лампы . Само по себе это очень хорошо и во многих отношениях это качество просто незаменимо, но в усилителях мощности это приводит к повышенному уровню наводок переменного тока, и борьба с ними обычно не заканчивается достижением высоких показателей, несмотря на применение всевозможных экранов и прочих средств. Поэтому получить отношение сигнал/фон+шум более 90 дБ. в ламповом усилителе практически невозможно.

2.Потеря эмиссии. При эксплуатации несколько дней в неделю по несколько часов в день максимальный срок службы выходных ламп до полной потери эмиссии — несколько лет. Далее их надо менять, а если вы хотите еще и нормальное качество звучания — их необходимо подбирать по одинаковому начальному току анода при фиксированном смещении — имеется в виду выходной каскад с несколькими параллельно включенными лампами (если, конечно, все остальное на уровне). Подскочившая в последнее время цена ламп еще более углубляет эту проблему.

3 .Малая механическая прочность. Перевозить на расстояние более 10 км. в жестком отсеке нельзя — по прибытию в пункт назначения из усилителя высыпятся осколки баллонов ламп — проверено многократно. Применять ламповые усилители можно только в стационарных условиях, для выездной работы они непригодны (можно, конечно, купить соответствующий и поэтому весьма дорогой кофр, но где вы такое видели? ("Rolling Stones" не в счет)).

4 . Микрофонный эффект. Уменьшить можно, построив входные каскады на ОУ или транзисторах, но тогда усилитель получается не совсем ламповый. Хотя имеет значение при построении высокочувствительных входных каскадов, в усилителях мощности внимание на себя как правило не обращает.

5 . Невозможность избавиться от выходного трансформатора. Пожалуй, один из главных недостатков. Для получения нормальных характеристик трансформатор имеет достаточно сложную конструкцию, железо также должно быть наилучшего качества, (пермаллой с небольшой петлей гистерезиса), и нельзя опускать из виду плюс ко всему качество изготовления изоляции — усилитель-то не бытовой. Главные недостатки применения тр-ра — невозможность получить широкую полосу, невозможность получить высокую скорость нарастания выходного сигнала (более 10В/мкС), и фазовый сдвиг, уменьшающий устойчивость и не позволяющий использовать более глубокую ООС. Все это не позволяет достичь малого Кг, из пожалуй десятка ламповых аппаратов, которые попадали ко мне в лабораторию, ни один не имел Кг менее 0,3%.

Читайте также:  Органайзер из канистры своими руками

Все вышеперечисленное резко ограничивает сферу практического применения ламповых усилителей, и если все-таки остановиться на том, что усилитель должен только усиливать звук, а не нести отсебятины, (ведь у энтузиастов лампового звука главный аргумент — "богатое", т.е. насыщенное гармониками звучание), то необходимость применения ламповых усилителей в профессиональных системах усиления весьма спорна.

1.Самый главный в плане надежности — невозможность ограничения коллекторного тока. При спонтанном уменьшении сопротивления нагрузки, (имеется в виду выходной каскад) ток коллектора при отсутствии систем защиты от к.з. растет пропорционально (детали типа фазового сдвига ввиду комплексного характера нагрузки для упрощения учитывать не будем), и в какой-то момент рабочая точка выходит за область безопасных режимов, что приводит к местному перегреву кристалла ввиду ненулевого теплового сопротивления "кристалл-радиатор" и последующему пробою. Если быть более точным, при повышении температуры кристалла кремния выше 150С вначале происходит тепловой пробой, который обратим, если ограничить коллекторный ток, если же его не ограничивать — далее наступает электрический пробой, который, увы, необратим. Это приводит к необходимости ввода различных защитных устройств, не всегда эффективно работающих — не будем забывать, речь идет о профессиональных усилителях, где надежность превыше всего, и где тщательная проработка защиты от к.з. жизненно необходима.

2. Термозависимость. При повышении температуры кристалла выше 25С предельно допустимая мощность линейно снижается от максимальной к 0 при темп.150С, что приводит к необходимости тщательной проработки охлаждения.

3. Разброс параметров транзисторов. Проблема, более характерная для отечественных изделий. При измерении параметров "буржуйских" транзисторов Toshiba 2SC3281 и 2SA1302 разброс Н21э составил не более 5% для десятка тех и других. Видимо, эта проблема упирается в соблюдение/несоблюдение технологической чистоты производства.

4. Нелинейность коллекторной емкости. Как известно, обратносмещеный p-n или n-p переход имеет емкость, обратнопропорционально зависимую от приложенного напряжения. Это приводит к динамической неустойчивости усилителя при недостаточно тщательной коррекции ООС., а в предварительных каскадах с оэ. — к повышенному к.г..

5. Нелинейность коэффициента усиления. Все транзисторы, как правило, имеют определенную величину коллекторного тока, при которой коэффициент усиления максимален, и при увеличении/уменьшении тока он падает. Это тоже способствует общему повышению Кг.

6. Нелинейность входной характеристики. Главный недостаток с точки зрения поборников лампового звука. Действительно, входная характеристика имеет резкий излом, и использование транзистора в качестве усилителя напряжения в схеме с оэ. заведомо ограничивает получение высоких качественных характеристик. Однако достаточно исключить применение каскадов с оэ. (в крайнем случае, вместо каскада с оэ. можно использовать каскодную схему включения оэ.-об.), или применяя включение транзистора в качестве усилителя тока, и этот недостаток (и предыдущие два) сводится к минимуму.

  1. Отсутствие накала. Мгновенная готовность к работе — весьма ощутимый плюс.
  2. Высокая механическая прочность. Надо ли говорить, как важна высокая механическая надежность усилителя для практической работы.
  3. Низкая стоимость транзисторов. По отношению к лампам той-же суммарной мощности транзисторы стоят значительно дешевле.
  4. Неограниченый срок службы. Потеря эмиссии у ламп — вещь крайне неприятная и, увы, неизбежная, и транзисторы здесь выглядят куда привлекательнее.
  5. Отсутствие необходимости использовать выходной трансформатор. Отсутствие ограничений со стороны выходного трансформатора позволяет добиваться характеристик, которые для ламповых аппаратов недостижимы.
  6. Малые размеры и вес. Тоже весьма неплохое дополнение к предыдущим плюсам.

Резюмируя вышесказанное, можно сказать следующее: в плане практического применения однозначно предпочтительнее грамотно сконструированный транзисторный аппарат. Сейчас ситуация на рынке профессиональных транзисторных отечественных усилителей значительно лучше, чем 5-10 лет назад, и усилия разработчиков по повышению общей надежности и качества явно заметны. Ламповые аппараты в составе мощных порталов уже можно воспринимать как экзотику, в настоящий момент для создания мощного концертного саунда практически не применяемую.

Читайте также:  Толщина подвесного потолка армстронг

Назад

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры. Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во "включенном" и "выключенном". Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора — это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду.
Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN — положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда — электроны, а в PNP — дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер
Uбэ = напряжение база-эмиттер
Ic = ток коллектора
Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер.
Постоянное напряжение коллектор – база.
Постоянное напряжение эмиттер – база.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Постоянный/импульсный ток коллектора.
Коэффициент передачи по току
Максимально допустимый ток
Входное сопротивление
Рассеиваемая мощность.
Температура p-n перехода.
Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб 0 2

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector