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.
https://youtube.com/watch?v=D60LaX9Fza0
Схемы включения транзисторов
Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении – обратная полярность на КЭ переходе ничего интересного не дает. Для прямой схемы подключения есть три схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК), и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.
Они поясняют только сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи установлена. Для открывания кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал ~0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого хватит ~0,3 В.
Общий эмиттер
Напряжение U1 вызывает ток Iб, ток коллектора Iк равен базовому току, умноженному на β. При этом напряжение +E должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, следовательно, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертируется). Это используется в цифровой технике как функция НЕ.
Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то при помощи подбора базового тока устанавливают напряжение U2 равным E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса, с низкими искажениям и, как следствие, низким КПД.
Общий коллектор
По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления равен α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерный повторитель. Ток в цепи эмиттера получается в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное и очень высокое входное сопротивление.
Тут самое время вспомнить о том, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Здесь используют его огромное входное сопротивление и низкое выходное, что хорошо для согласования с низкоомным кабелем.
Общая база
Эта схема отличается наиболее низким входным сопротивлением, но усиление по току у нее равно α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Ее особенностью является устранение влияния обратной связи по емкости (эфф. Миллера). Каскады с ОБ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на низких сопротивлениях 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой очень широко используются в технике СВЧ и их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного повторителя очень распространено.
Высокочастотные эффекты
Производительность транзисторного усилителя относительно постоянна вплоть до некоторой точки, как показано на графике зависимости коэффициента усиления по току от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером (рисунок ниже). За этой точкой по мере увеличения частоты производительность транзистора ухудшается.
Граничная частота (частота отсечки коэффициента бета), fгр, fT – это частота, при которой коэффициент усиления по току (hfe) усилителя малых сигналов с общим эмиттером падает ниже единицы (рисунок ниже). Реальный усилитель должен иметь коэффициент усиления > 1. Таким образом, на частоте fгр транзистор использоваться не может. Максимальная частота, приемлемая для использования транзистора, равна 0,1fгр.
Зависимость коэффициента усиления по току (hfe) от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером
Некоторые радиочастотные биполярные транзисторы могут использоваться в качестве усилителей на частотах до нескольких ГГц. Кремниево-германиевые устройства расширяют диапазон до 10 ГГц.
Предельная частота (частота отсечки коэффициента альфа), fпр, falpha – это частота, при которой коэффициент α снижается до 0,707 от коэффициента α на низких частотах, α=0,707α. Предельная частота и граничная частота примерно равны: fпр≅fгр. В качестве высокочастотного показателя предпочтительнее использовать граничную частоту fгр.
fmax – самая высокая частота колебаний, возможная при наиболее благоприятных условиях смещения и согласования импеданса. Это частота, при которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Весь выходной сигнал подается назад на вход для поддержания колебаний. fmax является верхним пределом частоты работы транзистора в качестве активного устройства. Хотя реальный усилитель не используется на fmax.
Эффект Миллера: верхний предел частоты для транзистора, связанный с емкостями переходов. Например, PN2222A имеет входную емкость Cibo=25пФ и выходную емкость Cobo=9пФ между К-Б и К-Э соответственно. Хотя емкость К-Э 25 пФ кажется большой, она меньше, чем емкость К-Б (9 пФ). Из-за эффекта Миллера в усилителе с общим эмиттером емкость К-Б оказывает влияние на базу в β раз. Почему это так? Усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал, проходящий от базы к эмиттеру. Инвертированный сигнал коллектора, подаваемый назад на базу, противодействует входному сигналу. Сигнал на коллекторе в β раз больше входного сигнала. Для PN2222A β=50–300. Таким образом, емкость К-Б 9 пФ выглядит так: от 9 · 50 = 450 пФ до 9 · 300 = 2700 пФ.
Решение проблемы с емкостью перехода для широкополосных приложений заключается в выборе высокочастотного транзистора – RF (радиочастотного) или СВЧ транзистора. Полоса пропускания может быть дополнительно расширена за счет использования схемы с общей базой, вместо схемы с общим эмиттером. Заземленная база защищает входной эмиттер от емкостной обратной связи с коллектора. Каскодная схема из двух транзисторов будет обеспечивать такую же полосу пропускания, как и схема с общей базой, но уже с более высоким входным импедансом схемы с общим эмиттером.
Производители
Daya Electric Group; DCCOM (Dc Components); Futurlec; HTSEMI (Shenzhen Jin Yu Semiconductor); KEXIN (Guangdong Kexin Industrial); Kisemiconductor (Kwang Myoung I.S.); Micro Electronics; NEC; Rectron Semiconductor; SECO (SeCoS Halbleitertechnologie GmbH); Stanson Technology; TGS (Tiger Electronic); UTC (Unisonic Technologies); Weitron Technology; Willas Electronic Corp; Winnerjoin (Shenzhen Yongerjia Industry).
Аналоги транзистор C945
| Type | Mat | Struct | Pc | Ucb | Uce | Ueb | Ic | Tj | Ft | Cc | Hfe | Caps |
| 2DC2412R | Si | NPN | 0.3 | 50 | 0.15 | 180 | 180 | SOT23 | ||||
| 2SC1623RLT1 | Si | NPN | 0.3 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 3 | 180 | SOT23 |
| 2SC1623SLT1 | Si | NPN | 0.3 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 3 | 270 | SOT23 |
| 2SC2412-R | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 2 | 180 | SOT23 |
| 2SC2412-S | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 2 | 270 | SOT23 |
| 2SC2412KRLT1 | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 2 | 180 | SOT23 |
| 2SC2412KSLT1 | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 2 | 270 | SOT23 |
| 2SC945LT1 | Si | NPN | 0.23 | 60 | 50 | 5 | 0.15 | 150 | 150 | 2.2 | 200 | SOT23 |
| 2SD1501 | Si | NPN | 1 | 70 | 1 | 150 | 250 | SOT23 | ||||
| 2STR1160 | Si | NPN | 0.5 | 60 | 60 | 5 | 1 | 150 | 250 | SOT23 | ||
| 50C02CH-TL-E | Si | NPN | 0.7 | 60 | 50 | 5 | 0.5 | 150 | 500 | 2.8 | 300 | SOT23 |
| BRY61 | Si | PNPN | 0.25 | 70 | 70 | 70 | 0.175 | 150 | 1000 | SOT23 | ||
| BSP52T1 | Si | NPN | 1.5 | 100 | 80 | 5 | 0.5 | 150 | 150 | 5000 | SOT23 | |
| BSP52T3 | Si | NPN | 1.5 | 100 | 80 | 5 | 0.5 | 150 | 150 | 5000 | SOT23 | |
| C945 | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 5 | 0.15 | 150 | 150 | 3 | 130 | SOT23 |
| DNLS160 | Si | NPN | 0.3 | 60 | 1 | 150 | 200 | SOT23 | ||||
| DTD123 | Si | Pre-Biased-NPN | 0.2 | 50 | 0.5 | 150 | 200 | 250 | SOT23 | |||
| ECG2408 | Si | NPN | 0.2 | 60 | 65 | 0.3 | 150 | 300 | 300 | SOT23 | ||
| FMMT493A | Si | NPN | 0.5 | 60 | 1 | 150 | 500 | SOT23 | ||||
| FMMTL619 | Si | NPN | 0.5 | 50 | 1.25 | 180 | 300 | SOT23 | ||||
| L2SC1623RLT1G | Si | NPN | 0.225 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 250 | 3 | 180 | SOT23 |
| L2SC1623SLT1G | Si | NPN | 0.225 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 250 | 3 | 270 | SOT23 |
| L2SC2412KRLT1G | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 2 | 180 | SOT23 |
| L2SC2412KSLT1G | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 7 | 0.15 | 150 | 180 | 2 | 270 | SOT23 |
| MMBT945-H | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 5 | 0.15 | 150 | 150 | 3 | 200 | SOT23 |
| MMBT945-L | Si | NPN | 0.2 | 60 | 50 | 5 | 0.15 | 150 | 150 | 3 | 130 | SOT23 |
| NSS60201LT1G | Si | NPN | 0.54 | 60 | 4 | 150 | SOT23 | |||||
| ZXTN19100CFF | Si | NPN | 1.5 | 100 | 4.5 | 150 | 200 | SOT23F | ||||
| ZXTN25050DFH | Si | NPN | 1.25 | 50 | 4 | 200 | 240 | SOT23 | ||||
| ZXTN25100DFH | Si | NPN | 1.25 | 100 | 2.5 | 175 | 300 | SOT23 |
Аналоги и комплементарная пара
Существуют зарубежные устройства, которые полностью идентичны ВС337 по своим характеристикам и распиновке: BC184, 2N4401, MPSA06. Российская промышленность также выпускает изделия, которыми его можно заменить: КТ660А, КТ3102Б, КТ928.
Перед заменой транзистора нужно разобраться, в какой схеме и для чего он используется, а также знать режимы его работы и сравнить технические характеристики оригинального и предполагаемого на замену прибора. И только после этого можно решать, подходит он или нет.
В качестве комлементарой пары производители рекомендуют использовать BC327.
Зачем нужна маркировка
Современному радиолюбителю сейчас доступны не только обычные компоненты с выводами, но и такие маленькие, темненькие, на которых не понять что написано, детали. Они называются “SMD”. По-русски это значит “компоненты поверхностного монтажа”. Их главное преимущество в том, что они позволяют промышленности собирать платы с помощью роботов, которые с огромной скоростью расставляют SMD-компоненты по своим местам на печатных платах, а затем массово “запекают” и на выходе получают смонтированные печатные платы. На долю человека остаются те операции, которые робот не может выполнить. Пока не может.
Маркировка на практике
Применение чип-компонентов в радиолюбительской практике тоже возможно, даже нужно, так как позволяет уменьшить вес, размер и стоимость готового изделия. Да ещё и сверлить практически не придётся
Другое важное качество компонентов поверхностного монтажа заключается в том, что благодаря своим малым размерам они вносят меньше паразитных явлений
Дело в том, что любой электронный компонент, даже простой резистор, обладает не только активным сопротивлением, но также паразитными ёмкостью и индуктивностью, которые могут проявится в виде паразитных сигналов или неправильной работы схемы. SMD-компоненты обладают малыми размерами, что помогает снизить паразитную емкость и индуктивность компонента, поэтому улучшается работа схемы с малыми сигналами или на высоких частотах.
Разнообразные корпуса транзисторов.
Маркировка SMD компонентов
SMD компоненты все чаще используются в промышленных и бытовых устройствах. Поверхностный монтаж улучшил производительность по сравнению с обычным монтажом, так как уменьшились размеры компонентов, а следовательно и размеры дорожек. Все эти факторы снизили паразитические индуктивности и емкости в электрических цепях.
| Код | Сопротивление |
| 101 | 100 Ом |
| 471 | 470 Ом |
| 102 | 1 кОм |
| 122 | 1.2 кОм |
| 103 | 10 кОм |
| 123 | 12 кОм |
| 104 | 100 кОм |
| 124 | 120 кОм |
| 474 | 470 кОм |
Маркировка импортных SMD
Маркировка импортных SMD транзисторов происходит в основном по нескольким принятым системам. Одна из них – это система маркировки полупроводниковых приборов JEDEC.Согласно ей первый элемент – это число п-н переходов, второй элемент – тип номинал, третий – серийный номер, при наличие четвертого – модификации.
Вторая распространенная система маркировка – европейская. Согласно ей обозначение SMD транзисторов происходит по следующей схеме: первый элемент – тип исходного материала, второй – подкласс прибора, третий элемент – определение применение данного элемента, четвертый и пятый – основную спецификацию элемента.
Третьей популярной системой маркировки является японская. Эта система скомбинировала в себе две предыдущие. Согласно ей первый элемент – класс прибора, второй – буква S, ставится на всех полупроводниках, третий – тип прибора по исполнению, четвертый – регистрационный номер, пятый – индекс модификации, шестой – (необязательный) отношение к специальным стандартам.
Что бы к Вам ни попало в руки, для полной идентификации данного элемента следует применять маркировочные таблицы и по ним определить все характеристики данного элемента. По оценкам специалистов соотношение между производством ЭРЭ в обычном и SMD-исполнении должно приблизиться к 30:70. Многие радиолюбители уже начинают с успехом осваивать применение SMD в своих конструкциях.
От чего зависит мощность схемы
У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.
В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.
У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.
Усилитель на КТ315
Для создания усилителя, представленного на схеме, нужен один КТ315, один конденсатор (1 мкФ), один резистор и mini Jack.
На схеме видно, что отрицательное питание и один из двух ходов mini Jack надо припаять к эмиттеру (левая ножка).
Ко второму ходу mini Jack присоединяем “плюсом” конденсатор, а его “минус” припаиваем к базе. Дальше мы переходим к резистору. Одна его сторона должна быть прикреплена к первому колоночному проводу (другой ход колоночного провода — к коллектору), а второй — к отрицательному ходу конденсатора. К соединению провода от колонки и резистора добавляется плюсовой провод.
Теперь можно вставлять разъем в колонку и наслаждаться улучшенным и громким звуком.
Сравнение с электронными лампами
До разработки транзисторов вакуумные (электронные) лампы (или просто «лампы») были основными активными компонентами электронного оборудования. По принципу управления наиболее родственен электронной лампе полевой транзистор, многие соотношения, описывающие работу ламп, пригодны и для описания работы полевых транзисторов.
Радиолампа 6Ф12П
Многие схемы, разработанные для ламп, стали применяться для транзисторов и получили развитие, поскольку электронные лампы имеют только один тип проводимости — электронный, а транзисторы могут иметь как электронный, так и дырочный тип проводимости. Так называемый эквивалент воображаемой «позитронной лампы». Это привело к широкому использованию комплементарных схем (КМОП).
Преимущества
Основные преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников (вакуумные лампы) в большинстве электронных устройств:
- малые размеры и небольшой вес, что способствует развитию миниатюризации электронных устройств;
- высокая степень автоматизации и групповой характер операций на многих этапах технологического процесса изготовления, что ведёт к постоянному снижению удельной стоимости при массовом производстве;
- низкие рабочие напряжения, что позволяет использовать транзисторы в небольших по габаритам и энерговооружённости электронных устройствах с питанием от малогабаритных электрохимических источников тока;
- не требуется дополнительного времени на разогрев катода после включения, что позволяет достичь почти мгновенной готовности к работе транзисторных устройств, сразу после подачи питания;
- малая, по сравнению с лампами, рассеиваемая мощность, в том числе из-за отсутствия разогрева катода, что способствует повышению энергоэффективности, облегчает отвод избыточного тепла и позволяет повышать компактность устройств;
- высокая надёжность и большая физическая прочность, стойкость к механическим ударам и вибрации, что позволяет избежать проблем при использовании устройств в условиях любых ударных и вибрационных нагрузок;
- очень продолжительный срок службы — некоторые транзисторные устройства находились в эксплуатации более 50 лет и при этом не потеряли своей работоспособности;
- возможность объединения множества элементов в едином миниатюрном конструктивном модуле позволяет значительно повысить степень интеграции и облегчает разработку комбинированных схем высокой сложности, что не представляется возможным с вакуумными лампами.
Уменьшение размеров радиоэлементов
Недостатки
- Обычные кремниевые транзисторы не работают при напряжениях выше 1 кВ, вакуумные лампы могут работать с напряжениями на несколько порядков выше 1 кВ. Для коммутации цепей с напряжением свыше 1 кВ разработаны IGBT транзисторы.
- Применение транзисторов в мощных радиовещательных и СВЧ передатчиках нередко, оказывается, технически и экономически нецелесообразным: требуется параллельное включение и согласование многих сравнительно маломощных усилителей. Мощные и сверхмощные генераторные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода, а также магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны(ЛБВ) обеспечивают лучшее соотношение частотных характеристик, мощностей и приемлемой стоимости.
- Транзисторы значительно более уязвимы, чем вакуумные лампы, к действию сильных электромагнитных импульсов, которые, в том числе, являются одним из поражающих факторов ядерного взрыва;
- Чувствительность к радиации и воздействию космических излучений. Для работы в космосе созданы специальные радиационно-стойкие микросхемы для электронных устройств космических аппаратов.
