Работа биполярного транзистора.
07 Май 2014г | Раздел: Радио для дома
Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем разбираться с устройством и работой биполярного транзистора.
В предыдущей части мы узнали как устроен транзистор, в общих чертах рассмотрели технологии изготовления германиевых и кремниевых транзисторов и разобрались как они маркируются.
Сегодня мы проведем несколько опытов и убедимся, что биполярный транзистор действительно состоит из двух диодов, включенных встречно, и что транзистор является усилителем сигнала.
Нам понадобится маломощный германиевый транзистор структуры p-n-p из серии МП39 – МП42, лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 2,5 Вольта и источник питания на 4 – 5 Вольт. Вообще, для начинающих радиолюбителей я рекомендую собрать небольшой регулируемый блок питания, с помощью которого Вы будете питать свои конструкции.
1. Транзистор состоит из двух диодов.
Чтобы убедиться в этом, соберем небольшую схему: базу транзистора VT1 соединим с минусом источника питания, а вывод коллектора с одним из выводов лампы накаливания EL. Теперь если второй вывод лампы соединить с плюсом источника питания, то лампочка загорится.
Лампочка загорелась потому, что на коллекторный переход транзистора мы подали прямое — пропускное напряжение, которое открыло коллекторный переход и через него потек прямой ток коллектора Iк. Величина этого тока зависит от сопротивления нити накала лампы и внутреннего сопротивления источника питания.
А теперь рассмотрим эту же схему, но транзистор изобразим в виде пластины полупроводника.
Основные носители заряда в базе электроны, преодолевая p-n переход, попадают в дырочную область коллектора и становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны базы поглощаются основными носителями в дырочной области коллектора дырками. Таким же образом дырки из области коллектора, попадая в электронную область базы, становятся неосновными и поглощаются основными носителями заряда в базе электронами.
На контакт базы, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, будет поступать практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов из области базы. А контакт коллектора, соединенный с положительным полюсом источника питания через нить накала лампы, способен принять такое же количество электронов, благодаря чему будет восстанавливаться концентрация дырок в области базы.
Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через коллекторный переход будет течь ток коллектора Iк. И чем больший будет этот ток, тем ярче будет гореть лампа.
Лампочка будет гореть и в случае, если ее включить в цепь эмиттерного перехода. На рисунке ниже показан именно этот вариант схемы.
А теперь немного изменим схему и базу транзистора VT1 подключим к плюсу источника питания. В этом случае лампа гореть не будет, так как p-n переход транзистора мы включили в обратном направлении. А это значит, что сопротивление p-n перехода стало велико и через него течет лишь очень малый обратный ток коллектора Iкбо не способный раскалить нить накала лампы EL. В большинстве случаев этот ток не превышает нескольких микроампер.
А чтобы окончательно убедиться в этом, опять рассмотрим схему с транзистором, изображенным в виде пластины полупроводника.
Электроны, находящиеся в области базы, переместятся к плюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода. Дырки, находящиеся в области коллектора, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.
Но, так как в каждой из областей базы и коллектора присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через коллекторный переход будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и этого тока не будет хватать, чтобы зажечь нить накала лампы.
2. Работа транзистора в режиме переключения.
Сделаем еще один опыт, показывающий один из режимов работы транзистора.
Между коллектором и эмиттером транзистора включим последовательно соединенные источник питания и ту же лампу накаливания. Плюс источника питания соединим с эмиттером, а минус через нить накала лампы с коллектором. Лампа не горит. Почему?
Все очень просто: если приложить напряжение питания между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет мешать прохождению тока. В этом не трудно убедиться, если взглянуть на следующий рисунок.
На рисунке видно, что эмиттерный переход база-эмиттер включен в прямом направлении и находится в открытом состоянии и готов принять неограниченное количество электронов. Коллекторный переход база-коллектор, наоборот, включен в обратном направлении и препятствует прохождению электронов к базе.
Отсюда следует, что основные носители заряда в области эмиттера дырки, отталкиваемые плюсом источника питания, устремляются в область базы и там взаимопоглощаются (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронами. В момент насыщения, когда с той и с другой стороны свободных носителей заряда не останется, их движение прекратится, а значит, перестает течь ток. Почему? Потому что со стороны коллектора не будет подпитки электронами.
Получается, что основные носители заряда в коллекторе дырки притянулись отрицательным полюсом источника питания, а некоторые из них взаимно поглотились электронами, поступающими со стороны минуса источника питания. А в момент насыщения, когда с обеих сторон не останется свободных носителей заряда, дырки, за счет своего преобладания в области коллектора, заблокируют дальнейший проход электронам к базе.
Таким-образом между коллектором и базой образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.
Конечно, благодаря магнитному полю и тепловому воздействию мизерный ток все же протекать будет, но сила этого тока так мала, что не способна раскалить нить накала лампы.
Теперь в схему добавим проволочную перемычку и ей замкнем базу с эмиттером. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, опять не будет гореть. Почему?
Потому что при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход становится просто диодом, на который подается обратное напряжение. Транзистор находится в закрытом состоянии и через него идет лишь незначительный обратный ток коллектора Iкбо.
А теперь схему еще немного изменим и добавим резистор Rб сопротивлением 200 – 300 Ом, и еще один источник напряжения Gб в виде пальчиковой батарейки.
Минус батарейки соедините через резистор Rб с базой транзистора, а плюс батарейки с эмиттером. Лампа загорелась.
Лампа загорелась потому, что мы подключили батарейку между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое отпирающее напряжение. Эмиттерный переход открылся и через него пошел прямой ток, который открыл коллекторный переход транзистора. Транзистор открылся и по цепи эмиттер-база-коллектор потек коллекторный ток Iк, во много раз больший тока цепи эмиттер-база. И благодаря этому току лампочка загорелась.
Если же мы поменяем полярность батарейки и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а вместе с ним закроется и коллекторный переход. Через транзистор потечет обратный коллекторный ток Iкбо и лампочка потухнет.
Резистор Rб ограничивает ток в базовой цепи. Если ток не ограничивать и на базу подать все 1,5 вольта, то через эмиттерный переход потечет слишком большой ток, в результате которого может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя. Как правило, для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.
И опять разберем эту же схему, но транзистор представим в виде пластины полупроводника.
При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера начинают взаимопоглощаться с электронами базы, создавая небольшой прямой базовый ток Iб.
Но не все дырки, вводимые из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Как правило, область базы делается тонкой, а при изготовлении транзисторов структуры p-n-p концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз большей, чем концентрацию электронов в базе, поэтому лишь малая часть дырок поглощается электронами базы.
Основная же масса дырок эмиттера проходит базу и попадает под действие более высокого отрицательного напряжения действующего в коллекторе, и уже вместе с дырками коллектора перемещается к его отрицательному контакту, где и взаимопоглощается вводимыми электронами отрицательным полюсом источника питания GB.
В результате этого сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор уменьшится и в ней течет прямой коллекторный ток Iк во много раз превышающий базовый ток Iб цепи эмиттер-база.
Чем больше отпирающее напряжение на базе, тем больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток в коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отпирающее напряжение на базе, тем меньший ток в коллекторной цепи.
Если в момент работы транзистора в базовую и коллекторную цепи включить миллиамперметр, то при закрытом транзисторе токов в этих цепях практически не было бы.
При открытом же транзисторе ток базы Iб составлял бы 2-3 mA, а ток коллектора Iк был бы около 60 – 80 mA. Все это говорит о том, что транзистор может быть усилителем тока.
В этих опытах транзистор находился в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием отпирающего напряжения на базе Uб. Такой режим транзистора называют режимом переключения или ключевым. Такой режим работы транзистора используют в приборах и устройствах автоматики.
На этом закончим, а в следующей части разберем работу транзистора в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
Удачи!
Литература:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.
Поделиться с друзьями:
Оставить комментарий
08. May. 2014 в 10:18
Класс!Россию никогда не победить!!!
08. May. 2014 в 16:00
Добрый день Сергей!
Еще никто не смог!
Всякую сволочь били, бьем и будем бить.
С НАСТУПАЮЩИМ ПРАЗДНИКОМ ПОБЕДЫ!!!
08. May. 2014 в 22:19
Сергей,по теме транзисторов ,скажи пожалуйста находил много несложных схем плавного тушения света в салоне авто(светодиодов) и там почти всегда КТ819Г или КТ829А итд.Ходил в магазин таких нет ,как и аналогов.Вопрос :могу ли я использовать любой тр-р,учитывая полярность.Нашол мног в сломаных приборах.Есть ли риск загорания такого устройства,в следствии повышения температуры.Cпасибо
08. May. 2014 в 22:46
Добрый вечер Cthutq!
Это мощные транзисторы и рассчитаны на нагрузку 5-10 Ампер и высокое напряжение.
Если Вы предполагаете использовать низковольтную нагрузку до 2 Ампер, то можете смело использовать транзисторы из серии КТ814 — КТ817 с любым буквенным индексом.
Только обязательно установите транзистор на радиатор.
Удачи!
08. May. 2014 в 23:08
Спасибо,но как раз такие я и не могу найти.Есть ли другие варианты ? Другие серии их же очень много ?
08. May. 2014 в 23:12
Сергей!
Это самые распространенные транзисторы средней мощности.
А какую конструкцию Вы хотите собрать?
08. May. 2014 в 23:18
http://yadi.sk/d/ymbKWhkCPZEnt -здесь описание на видео,только хочу использовать для освещения салона.
08. May. 2014 в 23:42
Сергей!
Используйте любой мощный транзистор (импортный или отечественный) структуры n-p-n с любым буквенным индексом. Мощность транзистора будет зависеть от мощности нагрузки.
Удачи!
08. May. 2014 в 23:45
Спасибо
09. May. 2014 в 00:02
Интересно он греется(тр) когда лампа будет гореть,либо в режиме ожидания.Получается в приложеной схеме не хватает радиатора ? 😆
09. May. 2014 в 00:16
Сергей!
Все зависит от нагрузки. Если использовать светодиодную подсветку для одной фары, то радиатор не нужен, а если использовать лампы накаливания, то радиатор обязательно нужен. Все это можно определить экспериментально.
P.S. Я бы радиатор поставил в любом случае.
С праздником победы!!!
Удачи!
09. May. 2014 в 00:44
Я понял,спасибо)) С Праздником,удачи!!! 😯
23. Sep. 2014 в 15:58
Здравствуйте!
Собрал схему, усиления транзистора. Возник вопрос, при подключении миллиамперметра на коллектор -эмиттер амперметр показал величину 50 мА. Когда я отключил транзистор и подключил к батарее 4,5В только лампочку миллиамперметр, показал так же 50 мА. Не понятно, усиление транзистора не заметил?
24. Sep. 2014 в 13:53
Александр!
Лампочкой усиления Вы не увидите. В статье лампочка используется для демонстрации работы транзистора в общем.
Чтобы получить заметное усиление нужно добавить еще пару каскадов, а в качестве нагрузки использовать, например, громкоговоритель.
25. Sep. 2014 в 09:38
Спасибо за ответ Сергей! 😉
10. Jan. 2015 в 11:51
Сергей на фотографии вы использовали транзистор какой?И какой резистор?Заранее спасибо!
10. Jan. 2015 в 15:22
Здравствуйте Колян!
Транзистор МП39Б, резистор 330 Ом.
03. Feb. 2015 в 17:47
Сергей подскажите пожалуйста! Бьюсь над схемой стабилизатора из разряда «Ясельная группа» Суть: две крены 5В 2А Макс. и 5В 1.5А Макс. Соединённые межсобой. Нужно СТАБИЛИЗИРОВАТЬ ТОК на два выхода 5В 0.5А и 5В 2А. Вопрос: поставить транзисторы по выходам или резисторы? Если да, то какие маркировки элементов или нужно другое решение?
03. Feb. 2015 в 22:48
Сергей!
Для выхода 0,5А оставьте КРЕНку, а выход на 2А сделайте с транзистором. Вот ссылка:
http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=11&t=84521
04. Feb. 2015 в 15:03
Спасибо, разобрался, почти. Там где написано «Uвх» — это вход для запитываемого устройства? Там схама питается от трансформатора на 5В, а у меня 12В, значит так делать?
https://yadi.sk/i/6SFLh-HNeTiDK
Если верно изменил, то подскажите пожалуйста по конденсаторам 😆 🙂
04. Feb. 2015 в 15:33
Сергей!
А зачем Вы корректировали схему? Вы ее полностью повторяйте и это будем выход 5В, 2А. А для выхода 5В, 0,5А используйте вторую кренку в типовом включении. Запитывайте их от общего источника напряжения.
04. Feb. 2015 в 17:06
По дурости(подумал, что транзистору 12В много) 🙂 . Я понял. Буду пробовать. Единственное, если не затруднит: подскажите пожалуйста параметры ватт у резистора и конденсаторов.
04. Feb. 2015 в 17:06
(с той схемы)
04. Feb. 2015 в 17:22
Сергей!
Резистор стоит в цепи управлении, поэтому мощность пойдет 0,125 или 0,25Вт.
На входе поставьте один общий конденсатор емкостью 2200 мкФ, а на выходе достаточно 220 мкФ для каждой кренки.
04. Feb. 2015 в 17:40
Сергей, спасибо Вам! Буду пробовать! 💡
02. Mar. 2015 в 17:37
Сергей, здравствуйте!
Большое спасибо за статьи по полупроводникам. Очень помогают разобраться в физике протекающих в них процессов. Но все-таки чем больше вникаешь, тем больше появляется вопросов ))
Вот Вы пишите о случае, когда напряжение подводится только к К и Э:
«Отсюда следует, что основные носители заряда в области эмиттера дырки, отталкиваемые плюсом источника питания, устремляются в область базы и там взаимопоглощаются (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронами. В момент насыщения, когда с той и с другой стороны свободных носителей заряда не останется, их движение прекратится, а значит, перестает течь ток.»
Но потом, когда речь идет уже о включении управляющего напряжения на базе:
«Но не все дырки, вводимые из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Как правило, область базы делается тонкой, а при изготовлении транзисторов структуры p-n-p концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз большей, чем концентрацию электронов в базе, поэтому лишь малая часть дырок поглощается электронами базы.»
Как же они в первом случае рекомбинируют, если имеет место быть значительная разность в концентрации?
02. Mar. 2015 в 19:27
Добрый вечер Александр!
В базу не вводится подпитка электронами, и поэтому по их окончании в области базы, ток между коллектором и эмиттером прекращает течь, так как нечему взаимопоглощаться.
Вы читайте последующие абзацы, там все объясняется.
Просто я не хочу переписывать эти абзацы в комментарии.
Удачи!
26. Sep. 2015 в 23:29
Сергей!
Объясните пожалуйста как работают ОЭ,ОК,ОБ,и как они устроены, я тут читала книгу «Юныйр радиолюбитель»выпуск 1987 по схеме ,не поняла.
Спасибо большое заранее!
27. Sep. 2015 в 11:44
Добрый день Элеонора!
В двух словах не объяснить.
На эту тему пишу статью, где за основу взят материал из книги Борисова.
В свое время я учился радиоэлектронике по его книге «Юный радиолюбитель».
27. Sep. 2015 в 11:51
Сергей,
Не поделитись ли с информацией когда будет готова ваша статья? Я вот буквально недавно прочитала книгу Борисова, про ОЭ,ОК,ОБ.все равно капитально,не поняла. А вот вашу статью про транзисторов прекрасно поняла!
Спасибо заранее!
27. Sep. 2015 в 16:51
Элеонора!
Спасибо!
Попробуйте почитать книгу Айсберга «Транзистор». Тоже хорошо пишет.
27. Sep. 2015 в 22:38
Сергей,
Извините что опять к вам обращаюсь, но у меня нету этой книги.Есть ли у вас в электронном виде этой книги(Айсберга) а то я совсем застряла в недоумении ОЭ,ОК,ОБ транзисторов.Вы не представляете я все сайты посмотрела но совсем не понимаю ;-(!
Помогите пожалуйста!
Спасибо заранее!
18. Jun. 2017 в 10:27
Можете пояснить почему ток идёт от плюса к минусу после подключения второго источника питания? Ведь отрицательно заряженные электроны всегда двигаются к плюсу питания.
19. Jun. 2017 в 14:03
Добрый день, Azake!
Вам надо почитать физику школьной программы. Так было принято, что ток бежит от плюса к минусу, а напряжение от минуса к плюсу. Электроны открыли намного позже электричества, и чтобы не переписывать учебники и толмуты решили все оставить как есть.
19. Jun. 2017 в 14:42
Про эту историю наслышаны. Просто у вас в начале статьи ток в одну сторону идёт, потом в другую.