Bc557

Как работает транзистор

Когда мы с вами, друзья мои, разобрались в том, что вообще такое этот транзистор, давайте узнаем, как он работает. Устроен он довольно просто, нужно просто понять принцип. Для этого введем два очень важных понятия: эмиттер и коллектор. Эмиттер (как и в слове эмиссия) выпускает заряды и они двигаются в сторону коллектора. Так вот, в состоянии покоя, когда, грубо говоря, все выключено, ток в транзисторе не протекает, потому что между эмиттером и коллектором есть полупроводниковый переход. Однако, когда подается незначительное напряжение на базу транзистора, ток начинает течь и при этом даже можно его усиливать. Как? Колебания небольшого тока в точности повторяются, но уже с большей амплитудой. Вот схема простого транзистора:

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n. Принципиальное различие между ними – направление течения тока.

Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.

В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.

Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.

Основные особенности транзистора Дарлингтона

Основное достоинство составного транзистора это большой коэффициент усиления по току.

Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления (h21). Он ещё обозначается буквой β («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если коэффициент усиления первого транзистора равен 120, а второго 60 то коэффициент усиления составного уже равен произведению этих величин, то есть 7200, а это очень даже неплохо. В результате достаточно очень небольшого тока базы, чтобы транзистор открылся.

Инженер Шиклаи (Sziklai) несколько видоизменил соединение Дарлингтона и получил транзистор, который назвали комплементарный транзистор Дарлингтона. Вспомним, что комплементарной парой называют два элемента с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимости. Такой парой в своё время были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор по схеме Шиклаи собран из биполярных разной проводимости: p-n-p и n-p-n. Вот пример составного транзистора по схеме Шиклаи, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя и состоит из двух различной структуры.

схема Шиклаи

К недостаткам составных транзисторов следует отнести невысокое быстродействие, поэтому они нашли широкое применение только в низкочастотных схемах. Такие транзисторы прекрасно зарекомендовали себя в выходных каскадах мощных усилителей низкой частоты, в схемах управления электродвигателями, в коммутаторах электронных схем зажигания автомобилей.

Хорошо зарекомендовал себя для работы в электронных схемах зажигания мощный n-p-n транзистор Дарлингтона BU931.

Основные электрические параметры:

• Напряжение коллектор – эмиттер 500 V;

• Напряжение эмиттер – база 5 V;

• Ток коллектора – 15 А;

• Ток коллектора максимальный – 30 А;

• Мощность рассеивания при 250С – 135 W;

• Температура кристалла (перехода) – 1750С.

На принципиальных схемах нет какого-либо специального значка-символа для обозначения составных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев он обозначается на схеме как обычный транзистор. Хотя бывают и исключения. Вот одно из его возможных обозначений на принципиальной схеме.

Напомню, что сборка Дарлингтона может иметь как p-n-p структуру, так n-p-n. В связи с этим, производители электронных компонентов выпускают комплементарные пары. К таким можно отнести серии TIP120-127 и MJ11028-33. Так, например, транзисторы TIP120, TIP121, TIP122 имеют структуру n-p-n, а TIP125, TIP126, TIP127 — p-n-p.

Также на принципиальных схемах можно встретить и вот такое обозначение.

Импульсные стабилизаторы

Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.

Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.

Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.

Микросхема импульсных устройств

Электрические параметры

В следующей таблице приведены основные параметры, используемые при расчете электрических схем.

Обратный ток коллектора – обратный ток коллекторногоперехода при свободном (не подключенном никуда) эмиттере. Его наличие приводит к нагреву транзистора. С увеличением температуры быстро растет.

Коэффициент усиления по току – отношение величин коллекторного и базового токов при активном режиме. Его величина определяет способность транзистора к усилению сигналов.

Напряжения насыщения – величина напряжений на p-n переходах транзистора, который находится в состоянии насыщения, то есть оба перехода смещены в прямом направлении (открыты). Такое состояние прибора используется в ключевых схемах.

Граничная частота – частота сигнала, при которой h_FE транзистора падает до 1. Обычно приемлемой для работы считается частота 0,1 f_T.

Выходная и входная емкости – эквивалентные емкости, являющиеся суммой емкостей Скб и Сбэ. Их величина существенна при работе с сигналами высокой частоты и в переключателях.

Коэффициент шума – отношение полной мощности шумов на выходе к ее части, вызываемой тепловыми шумами генератора шума. Параметр играет роль в случае необходимости усиления слабых сигналов. R_G – выходное сопротивление источника сигнала.

Обозначение	Параметр	Условия измерений	Значение
			Мин.	Тип.	Макс.
ICBO	Обратный ток коллектора, nA	VCB =30В, IE =0			15
hFE (h21)	Коэффициент усиления	VCE =5В, IC =2мА	110		800
VCE(sat) (UBEsat)	Напряжение насыщения к-э, мВ	IC=10 мA, IB =0,5мA		90	250
IC=100 мA, IB =5мA		200	600
VBE(sat) (UBEsat)	Напряжение насыщения б-э, мВ	IC =10 мA, IB =0,5мA		700
IC =100 мA, IB =5мA		900
VBE (UBE)	Напряжение б-э (прямое), В	VCE =5 В, IC =2 мA	580	660	700
VCE =5 В, IC =10 мA			720
fT	Граничная частота, МГц	VCE =5В, IC =10мA, f=100 MГц		300
Cob	Выходная емкость, пФ	VCB =10В, IE =0, f= 1MГц		3,5	6
Cib	Входная емкость, пФ	VEB =0,5В, IС =0, f= 1MГц		9
NF (F)	Коэффициент шума, дБ	ВС546-548	VCE =5В, IC =0,2мA, RG=2кОм, f= 1кГц, Δf=200Гц		2	10
ВС549, 550		1,2	4
ВС549	VCE =5В, IC =0,2мA, RG=2кОм, f= 30-15000 Гц		1,4	4
ВС550		1,4	3

Примечания:

1. Измерение параметров проводилось при температуре окружающей среды 25° С. Предельно допустимые значения указаны для тех же условий.
2. В первом столбце обеих таблиц в скобках указаны обозначения, принятые в соответствии с ГОСТ 15172-70.

Типовые схемы составных транзисторов

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

На рисунке изображены две основные схемы составных транзисторов. Обе схемы можно считать эквивалентными npn транзистору с большим коэффициентом передачи тока. Первая схема называется ‘Составной транзистор Дарлингтона

‘, вторая — ‘Составной транзистор Шиклаи ‘

Резистор между базой и эмиттером второго транзистора используется в качестве источника тока. Действительно, падение напряжения между базой и эмиттером транзистора мало зависит от тока и является практически неизменным. [Ток через резистор

] = [Напряжение на резисторе ] / [Сопротивление резистора ]. Таким образом, через этот резистор течет ток практически постоянной силы.

Сопротивление данного резистора рассчитывается исходя из выбора рабочей точки транзисторов, входящих в составной. Рабочая точка выбирается исходя из соображений линейности, рассеиваемой мощности и ряда других. Обсуждение этих соображений находится за рамками этой статьи.

Выберем рабочую точку транзисторов, определимся с желаемыми силами токов коллекторов транзисторов. Тогда [Сопротивление резистора

] = [Напряжение насыщения база — эмиттер второго транзистора при токе базы Iб ] / ([Iб ] — [Ток коллектора второго транзистора в выбранной рабочей точке ] / [Коэффициент передачи тока второго транзистора ]).

Для первой схемы [Iб

] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке ] * (1 + 1/[Коэффициент передачи тока первого транзистора ])

Для второй схемы [Iб

] = [Ток коллектора первого транзистора в выбранной рабочей точке ]

Принцип работы стабилизатора

Принцип работы заключается в поддержании выходного напряжения в заданных узких пределах, независимо от тока нагрузки и величины входа.

По принципам построения стабилизирующие устройства делятся на следующие группы:

• Параметрические;
• Компенсационные;
• Импульсные.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании вольт-амперной характеристики стабилизирующего элемента, где выбирается участок с малым дифференциальным сопротивлением (при изменении тока на значительную величину напряжение на элементе остается постоянным).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Более сложные компенсационные конструкции используют обратную связь, величина которой пропорциональна разнице выходного напряжения и эталонного.

К сведению. Импульсные устройства основаны на принципе накопления энергии в реактивном элементе – емкости или индуктивности.

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.

Транзистор

Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.

Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удаётся найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор «кирпичиков» с известными свойствами гораздо легче строить «здание» того или другого устройства.

Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе, например, в ), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.

Одна из первых проблем, возникающих перед разработчиком, — увеличение мощности транзистора. Её можно решить параллельным включением транзисторов (рис.1). Токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров способствуют равномерному распределению нагрузки.

Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включённых транзисторов.

Защита от перегрузки по току наиболее просто решается введением дополнительного транзистора (рис.2). Недостаток такого самозащитного транзистора — снижение КПД из-за наличия датчика тока R. Возможный вариант усовершенствования показан на рис.3. Благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, а значит, и рассеиваемую на нём мощность.

Составной транзистор (рис. 4) имеет повышенное выходное сопротивление и значительно уменьшенный эффект Миллера благодаря каскодному включению полевого и биполярного транзисторов.

За счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор, изображённый на рис.5, имеет ещё более высокие динамические характеристики.

Единственное условие реализации такого транзистора — более высокое напряжение отсечки второго транзистора. Входной транзистор можно заменить на биполярный.

Одна из особенностей транзисторного ключа при изменяющейся нагрузке — изменение времени выключения транзистора. Чем больше насыщение транзистора при минимальной нагрузке, тем больше время выключения. Избежать глубокого насыщения можно путём предотвращения прямого смещения перехода база-коллектор. Наиболее простая реализация этой идеи с помощью диода Шоттки представлена на рис.6. На рис.7 изображён более сложный вариант — схема Бейкера.

Области применения полевых транзисторов

КМОП-структуры, строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа, широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

Характеристики

Приведем основные предельно допустимые характеристики транзистора ВС557 при температуре окружающей среды 25 о С:

• Максимальное напряжение коллектор-база U_кбmax = — 50 В;
• Предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер U_кэmax = -45 В;
• Наибольшее возможное напряжение эмиттер-база U_эбmax = -5 В;
• Максимальный постоянный ток коллектора I_кmax = -100 А;
• Наибольший допустимый ток коллектора I_{к пик} = -200 А;
• Рассеиваемая мощность коллектора (максимальная) Р_кmax = 0,5 Вт;
• Температура хранения (рабочая) T_stg = -65 … 150 о С;
• Максимальная температура перехода T_j = 150 о С.

В следующей таблице написаны основные электрические значения устройства.

В документации производителя присутствует такой параметр как «тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда»

Данное число показывает, насколько градусов увеличится температура кристалла, при увеличении рассеиваемой мощности.

Все транзисторы ВС557 по статическому коэффициенту передачи тока (h_fe) делятся на три группы А, В и С.

1. Для ВС557А – h_fe = от 110 до 200;
2. Для ВС557В – h_fe = от 200 до 450;
3. Для ВС557С – h_fe = от 420 до 800;

На следующем рисунке приведен график зависимости коэффициента усиления транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером h_fe от тока коллектора.

На графике по оси абсцисс отложены значения тока коллектора в логарифмическом масштабе. По оси ординат отложены значения h_fe.

Касная схема[ | ]

Касный усилитель на биполярных n-p-n транзисторах.

Основная статья: Касный усилитель

Составной транзистор, выполненный по так называемой касной схеме, характеризуется тем, что транзистор T1

включен по схеме с общим эмиттером, а транзисторT2 — по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства, высокое выходное сопротивление и больший линейный диапазон, то есть меньше искажает передаваемый сигнал. Так как потенциал коллектора входного транзистора практически не изменяется, это существенно подавляет нежелательное влияние эффекта Миллера и расширяет рабочий диапазон по частоте.

Транзистор Дарлингтон (PNP) в качестве переключателя

Мы можем использовать PNP-транзисторы в качестве пары Дарлингтона, но чаще всего используются NPN-транзисторы. Нет большой разницы в схеме с использованием NPN или PNP. Ниже на рисунке показана простая схема датчика, которая выдает аварийный сигнал с использованием пары Дарлингтона.

Этот контур представляет собой простой индикатор уровня воды, в котором пара Дарлингтона используется в качестве переключателя. Мы знаем, что эта конфигурация транзистора обеспечивает большой ток коллектора, поэтому он может управлять зуммером на выходе.

Когда уровень воды недостаточен для замыкания датчика, транзистор Дарлингтона находится в выключенном состоянии. Следовательно, цепь разорвана, и через нее не протекает ток.

По мере повышения уровня воды датчик замыкается, в результате чего поступает необходимый базовый ток на пару Дарлингтона. Следовательно, цепь замыкается, и ток нагрузки протекает так, что зуммер подает сигнал.

Последовательное включение транзисторов

Во время работы силового транзистора на его переходе коллектор – эмиттер падает напряжение, представляющее собой разность входного и выходного напряжений. В отдельных случаях эта разность может превышать максимально допустимое напряжений коллектор – эмиттер транзистора, имеющегося в распоряжении. В этом случае необходимо использовать последовательное соединение нескольких транзисторов.

Схема последовательного включения транзисторов

Эквивалентный транзистор будет иметь следующие параметры:

U_CEmax(общ) = U_CEmax(VT1) + U_CEmax(VT2)

Для симметрирования напряжений, которые будут падать на переходе коллектор – эмиттер транзисторов вводят симметрирующие резисторы R1 и R2 сопротивление, которых можно определить по формуле

R1 = R2 < U_CEmax/2I_B,

где I_B – ток базы составного регулирующего транзистора.