Электрику о транзисторах
 |
|---|
Транзисторы являются важнейшими полупроводниковыми приборами. Их основная особенность заключается в усилении слабых электрических сигналов. Все транзисторы могут быть разделены на две большие группы: биполярные и полевые. Мы остановимся пока на наиболее распространенных - биполярных.
Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы можно классифицировать следующим образом.
1. В зависимости от используемого полупроводника они бывают кремниевые и германиевые.
2. В зависимости от технологии производства - эпитаксиально-планарные, сплавные, мезатранзисторы, конверсионные и прочие.
3. В зависимости от механизма движения носителей зарядов бывают диффузионные и дрейфовые.
4. В зависимости от мощности - маломощные до 0,3Вт; средней мощности от 0,3 до 3Вт и мощные - более 3Вт.
5. В зависимости от граничной частоты: низкочастотные - до 3МГц, среднечастотные - от 3 до 30МГц; высокочастотные - от 30 до 300МГц; сверхвысокочастотные - выше 300МГц. Если, проявив любознательность, мы разрежем металлический корпус транзистора, вероятно, будем разочарованы его простым устройством. Как структурно показано на рис.1, основную его часть представляет кристаллик, называемый базой (Б), на котором сделаны две спайки, называемые эмиттер (Э) и коллектор (К).
При образовании этих спаек между эмиттером и базой и между коллектором и базой образуются два p-n перехода. Это получается, когда проводимость эмиттера и коллектора избирается противоположной проводимости базы. Очень важно запомнить, что площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного и, кроме этого, оба перехода находятся очень близко друг к другу, т.е. база очень тонкая, примерно 1...20мкм. В зависимости от проводимости эмиттера, базы и коллектора производятся два типа транзисторов: n-p-n и p-n-p. Это показано на рис.2 вместе с их схемными обозначениями.
Эти оба основных типа транзисторов имеют один и тот же принцип действия и одинаковые усилительные качества, но отличаются полярностью цепей питания. Поскольку каждый p-n переход, в сущности, представляет собой диод, на рис.2 транзистор представлен как совокупность двух диодов. И действительно, цепи база-эмиттер и база-коллектор, взятые отдельно, имеют одностороннюю проводимость. Однако, если мы возьмем два диода и соединим их так, как показано на рис.2, то усилительного прибора не получим. Разница в том, что в транзисторах оба перехода расположены очень близко друг к другу и между ними имеется взаимодействие. Это взаимодействие называется еще транзисторным эффектом, и ему обязаны усилительными свойствами биполярные транзисторы.
Как усиливает биполярный транзистор
Чтобы понять, как усиливает транзистор, рассмотрим рис.3а, где показана цепь, содержащая микрофон, батарею и громкоговоритель.
Попробуем поставить микрофон и громкоговоритель в две отдельные комнаты. Если на микрофон не подается звук, то в цепи будет протекать только постоянный ток, и громкоговоритель молчит (участок А). Если на микрофон подается звук, то ток в цепи будет содержать не только постоянную, но и переменную составляющую (участок В), и в громкоговорителе услышим слабый звук.
Используя транзистор, мы сможем усилить этот звук. Это показано на рис.3б, где использованы две батареи питания. Если проделаем соответствующие измерения, то увидим, что ток и напряжение на выходе транзистора значительно больше тока и напряжения на входе.
Важнейшей особенностью каждого усилительного элемента является значительное увеличение мощности на выходе (на нагрузке) по сравнению с мощностью, поданной на вход. И поскольку мощность - это произведение тока на напряжение (см. раздел "Мощность и работа постоянного тока
"), то возможны следующие варианты усилителей:
1) схема усиливает и по напряжению и по току - в транзисторных усилителях этот случай наиболее желателен;
2) схема усиливает только по напряжению, а ток на выходе и входе почти один и тот же;
3) схема усиливает только по току, а напряжение на выходе и входе почти одно и то же.
Биполярный транзистор проявляет усилительные свойства в 3-х видах схем, которые отличаются способом включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Немного о каждом из этих включений.
Качества любого усилителя зависят не только от того, во сколько раз он усиливает, но и от его входного и выходного сопротивлений. В некоторых случаях эти сопротивления важнее коэффициента усиления. Поэтому на практике используют все три основные схемы включения, т.к. каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.
Далее рассмотрим встречающиеся схемы включения.
|
|
В схеме с ОБ, показанной на рис.4а, входной сигнал действует между эмиттером и базой, а нагрузка включена между коллектором и базой. Эта схема усиливает только по напряжению и имеет малое входное сопротивление и большое выходное.
В схеме с ОЭ, показанной на рис.4б, входной сигнал действует между базой и эмиттером, а нагрузка между коллектором и эмиттером. Эта схема усиливает и по напряжению и по току, и на практике используется наиболее часто. Ее входное и выходное сопротивления не очень велики.
В схеме с ОК, показанной на рис.4в, (ее называют еще эмиттерный повторитель) входгой сигнал поступает на управляющий переход эмиттер-база, проходя через нагрузку, а сама нагрузка включается между эмиттером и коллектором. Это схема усиления по току. Ее входное сопротивление велико, а выходное мало. Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: Независимо от схемы включения (с ОБ, с ОЭ, с ОК) управляющий переход в транзисторе - эмиттерный, а управляемая цепь, сопротивление которой изменяется, - эмиттер-коллектор. При этом полярность источника питания такова, что эмиттерный переход включен всегда в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это можно понять, если сравнить модель транзистора из диодов на рис.2 и схемы на рис.4а,б,в, представив каждый из переходов в виде диодов. А включение диода в прямом и обратном напрвлениях рассматривалось в разделе "Электрику о диодах". Поэтому во всех схемах (с ОБ, с ОЭ, с ОК) напряжения, которые действуют на управляющем участке, малы - например, 0,1...0,4В в германиевых и 0,4...0,8В в кремниевых транзисторах. В то время как напряжения коллектор-эмиттер могут быть довольно значительными - порядка 6...24В. Другая важная особенность транзисторов - базовый ток намного меньше эмиттерного и коллекторного токов. Таким образом, основное свойство транзистора можно сформулировать так: малый базовый ток управляет намного бОльшим коллекторным током.
О подробностях читаем далее.
Эта особенность показана на рис.5, где видна аналогия между транзистором и водно-механическим устройством. И действительно, тонкая струя воды в трубе Б управляет толстой струей воды посредством труб К и Э. При этом струя Э равна сумме струй Б и К.
В импульсной технике транзистор чаще всего используется в качестве ключа. В этом случае он или заперт (сопротивление коллектор-эмиттер большое) или открыт (сопротивление коллектор-эмиттер мало). Это запирание и открывание достигается путем соответствующего запирания или пропускания базового тока. Подобный опыт, который можно легко проделать, показан на рис.6. В первом случае базовый и коллекторный ток равны нулю, а во втором случае Iб = 2...3мА, Iк = 200мА.
Следовательно, посредством небольшого базового тока можно управлять довольно большим током в цепи коллектора.
Коэффициенты усиления биполярного транзистора
Как мы уже видели, схема с ОЭ - хороший усилитель тока. В этом можно убедиться с помощью схемы, показанной на рис.4б. Через регулируемый выпрямитель можно подавать небольшое напряжение, изменяя тем самым базовый ток и учитывать соответствующий коллекторный ток. Опыты с различными транзисторами показывают, что коллекторный ток всегда во много раз больше базового.
Число, показывающее во сколько раз коллекторный ток больше базового, обозначается буквой β (или h21э) и называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Следовательно, можно записать, что β = Iк/Iб. Это равенство приблизительное, поскольку не учтены относительно малые неуправляемые токи. Коэффициент β является основным параметром транзисторов и приводится в справочниках. Различные виды транзисторов имеют обычно коэффициент β = 30...300, но есть и такие, коэффициент β которых достигает 1000. На основе вышесказанного, основное свойство биполярного транзистора можно сформулировать так: любой ток, протекающий через управляющий эмиттерный переход, вызывает в β раз больший коллекторный ток.
Свойства схемы с ОБ можно исследовать, собрав схему, подобную рис.4а. Число, показывающее во сколько раз коллекторный ток больше эмиттерного, обозначается буквой α (или h21б) и называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОБ. Следовательно, можно записать, что α = Iк/Iэ. Это равенство тоже приблизительное. Опыты с различными транзисторами показывают, что коллекторный ток всегда меньше эмиттерного и поэтому коэффициент α всегда меньше единицы. Этот коэффициент является параметром транзисторов и иногда приводится в справочниках. Обычно α = 0,95...0,998. На основании вышесказанног может возникнуть вопрос, есть ли польза от такой схемы, если ток на выходе меньше тока на входе? Действительно, здесь ток, вместо того, чтобы увеличиваться, уменьшается. Однако, схема с ОБ - хороший усилитель по напряжению. Кроме того, она имеет очень хорошие частотные свойства и хорошую температурную стабильность. Поэтому она часто используется для усиления высоких частот.
Немного о полярности напряжений питания. Поскольку имеется два основных типа транзисторов (n-p-n и p-n-p), в схемах с ОЭ и ОБ надо запомнить полярность восьми источников питания. Но это делать легко , если обратить внимание на само обозначение транзистора. Можно увидеть, что эмиттерная стрелка в круге обозначает, что в n-p-n транзисторе эмиттерный ток как бы выходит из транзистора, в то время как другие два (базовый и коллекторный) - входят. Это видно на рис.4а,б,в. В p-n-p транзисторе, соответственно, наоборот. Направлениям этих токов соответствует и полярность напряжения питания. В связи с этим, применив к транзистору первый закон Кирхгофа, получим: Iэ = Iб + Iк. Эта формула действительна для всез трех схем включения (с ОБ, с ОЭ, с ОК). При этом надо помнить, что эмиттерный и коллекторный ток имеют почти одинаковую величину, в то время как базовый ток во много раз (β раз) меньше.
Основные параметры биполярного транзистора
Наиболее важные параметры, которые характеризуют свойства транзистора и указываются в справочниках, следующие.
1. Вид материала (Ge или Si).
2. Вид проводимости (n-p-n или p-n-p).
3. Статический коэффициент усиления по току β в схеме с ОЭ.
4. Статический коэффициент усиления по току α в схеме с ОБ.
5.Обратный коллекторный ток Iкбо(неуправляемый ток).
6. Максимально допустимое коллекторное напряжение Uкбмакс. Это наибольшее напряжение между коллектором и базой в обратном направлении, которое может выдержать коллекторный переход продолжительное время при открытом эмиттере без наступления пробоя.
7. Максимально допустимое коллекторное напряжение Uкэмакс. Это наибольшее напряжение между коллектором и эмиттером, которое может выдержать транзистор при условии, что база связана через определенное сопротивление с эмиттером. Для данного транзистора напряжение Uкэмакс всегда меньше илит равно напряжению Uкбмакс.
8. Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе Ркмакс. Это наибольшая мощность, которую транзистор может рассеять в окружающее пространство в виде тепла при максимально допустимом нагреве (70° для германиевых и 150° для кремниевых). Для мощных транзисторов это действительно при использовании соответствующего радиатора. Обратите внимание, что подаваемая на транзистор электрическая мощность Р = Uк*Iк ни в коем случае не должна превышать максимальную мощность Ркмакс, которую он может рассеивать.
9. Максимально допустимый коллекторный ток Iкмакс, который нельзя превышать ни при каких условиях эксплуатации.
10. Граничная частота коэффициента усиления по току Fα. Это частота, на которой коэффициент α уменьшается на 30% (на 3дБ) относительно своего значения на низких частотах.
11. Граничная частота коэффициента усиления по току Fβ. Это частота, на которой коэффициент β уменьшается на 30% (на 3дБ) относительно своего значения на низких частотах. Для данного транзистора частота Fβ почти в Fβ раз ниже частоты Fα.
12. Переходная (транзитная) частота, на которой частота усиления по току β становится равным единице.
13. Коэффициент шума Fш. Он характеризует собственный шум транзистора. Измеряется в децибелах. Маломощные транзисторы обычно имеют коэффициент шума Fш меньше 10дБ.
Конечно, рассмотренные в разделе вопросы о биполярном транзисторе не дают полных знаний о нем, но это и не было нашей целью. Это были понятия, которые мало-мальски все-таки необходимо знать. Более углубленное изучение уже выходит за рамки темы электрики. А тем, кому интересно до конца изучить свойства транзистора, необходимо также посвятить свое время изучению его входных и выходных характеристик в схемах с ОБ, ОЭ, ОК, изучить понятие рабочей точки, а также вопросы отрицательной и положительной обратной связи и другое.
А мы в заключение остановимся на самом главном, без чего не обойтись - это знания о классификации транзисторов советского и российского производства, их обозначениях и немного затронем вопрос о взаимозаменяемости транзисторов в аппаратуре с небольшим напряжением питания 10...12В и немного цветовой маркировки.
| Частотные свойства | Транзисторы | ||
|---|---|---|---|
| малой мощности (Ркмакс≤0,3Вт) | средней мощности (Ркмакс≤3Вт) | большой мощности (Ркмакс≥3Вт) | |
| низкочастотные (ниже 3МГц) | 101...199 | 401...499 | 701...799 |
| среднечастотные (ниже 30МГц) | 201...299 | 501...599 | 801...899 |
| высокочастотные (выше 30МГц) | 301...399 | 601...699 | 901...999 |
Обозначение транзисторов:
Первая буква - материал кристалла: К - кремний, Г - германий; вторая буква - вид транзистора: Т - биполярный, П - полевой. Первая цифра указывает на частотные и мощностные характеристики. Последние цифры - порядковый номер разработки. Одна или две буквы после цифр свидетельствуют о технологических особенностях или обозначают ту или иную группу, обусловленную разбросом параметров.
Пример№1: ГТ322А - германиевый биполярный транзистор высокой частоты малой мощности с номером разработки 22, группа А.
Пример№2: КП303Б - кремниевый полевой транзистор высокой частоты малой мощности с номером разработки 03, группа Б.
| Частотные свойства | Транзисторы | |||
|---|---|---|---|---|
| малой мощности (Ркмакс≤0,25Вт) | большой мощности (Ркмакс>0,325Вт) | |||
| германий | кремний | германий | кремний | |
| низкочастотные (ниже 5МГц) | 1...100 | 101...200 | 201...300 | 301...400 |
| высокочастотные (выше 5МГц) | 401...500 | 501...600 | 601...700 | 701...800 |
Ряд транзисторов старых выпусков имеют в обозначении перед буквой П дополнительную букву М, что условно означает транзистор с холодносварным корпусом, например, МП42Б. Такие транзисторы имеют значительно большие сроки хранения (десятки лет) и службы (десятки тысяч часов работы), чем их предшественники с горячесварным корпусом. Кроме того, в обозначении некоторых транзисторов после цифрового индекса есть еще одна или две буквы. Например, П605АИ, обозначающие те или иные особенности прибора. Чаще всего это буквы Э - повышенная влагостойкость, И - улучшенные импульсные свойства. А теперь немного о возможности взаимозаменяемости транзисторов, применяемых в аппаратуре с напряжением питания 10...12В. Это на случай быстрого подбора нужного транзистора в случае нахождения неисправного, когда под рукою именно такого не окажется.
| Группа | Транзисторы (* звездочкой отмечены давно снятые с производства) |
|---|---|
| Низкочастотные германиевые, структуры p-n-p, малой мощности | П13*, МП39Б, П13А*, П13Б*, МП39Б, П14*, МП40, П15*, ГТ108А, ГТ108Б, ГТ109А, ГТ109Б, ГТ109В, ГТ115А, ГТ115Б, ГТ115В, МП41, П16*, МП42А, МП42Б, П16А*, П16Б*, МП25А, МП26А, МП25Б, МП26Б |
| Низкочастотные германиевые, структуры n-p-n, малой мощности | П8*, МП35, П9*, МП36, П10*, МП37, П11*, МП38, П11А*, МП38А |
| Низкочастотные кремниевые, структуры p-n-p, малой мощности | П104*, МП114, П105*, МП115, П106*, МП116, КТ104А, КТ104Б, КТ104В, КТ104Г |
| Низкочастотные кремниевые, структуры n-p-n, малой мощности | П101*, МП111, П102*, МП112, П103*, МП113 |
| Низкочастотные германиевые, структуры p-n-p, средней мощности | ГТ402А, ГТ402Б, ГТ402В, ГТ402Г, ГТ403А, ГТ403Б, ГТ432В, ГТ403Г, ГТ403Д, ГТ403Е, ГТ403Ж |
| Низкочастотные германиевые, структуры n-p-n, средней мощности | ГТ404А - ГТ404Г |
| Среднечастотные кремниевые, структуры n-p-n, малой мощности | КТ201А - КТ201Д, КТ209А - КТ209И, КТ503 - КТ503Е |
| Среднечастотные кремниевые, структуры p-n-p, малой мощности | КТ203А - КТ203В, КТ502А - КТ502Г |
| Высокочастотные германиевые, структуры p-n-p, малой мощности | П420*, П401*, П421*, П402*, П422, П416, П403А*, ГТ310А - ГТ310Е, П416Б, ГТ322А - ГТ322Е, ГТ309А, ГТ308А - ГТ308В, ГТ313А, ГТ313Б |
| Высокочастотные германиевые, структуры n-p-n, малой мощности | ГТ311А - ГТ311Е |
| Высокочастотные кремниевые, структуры p-n-p, малой мощности | КТ361А - КТ361Г, КТ326А, КТ326Б, КТ3107А - КТ3107Ж |
| Высокочастотные кремниевые, структуры n-p-n, малой мощности | КТ301, КТ301А - КТ301Е,П501*,П503*, КТ312А - КТ312Е, КТ358А - КТ358В, КТ315А - КТ315Г, КТ3102А - КТ3102Е |
| Низкочастотные полевые с р-каналом и p-n переходом | КП102Е - КП102Л, КП103Е - КП103М, КП202Е |
| Высокочастотные полевые с -каналом и p-n переходом | КП302А - КП302В, КП303А - КП303И, КП307А - КП307Ж |
Пример: необходимо подобрать замену транзистору МП38А. Согласно таблице - это германиевый низкочастотный транзистор малой мощности. Его можно заменить на МП37А, МП36, МП35. Некоторые малогабаритные транзисторы российского производства имеют цветовую маркировку. Если цветовой код содержит две точки - это серия. Если цветовой код содержит четыре точки - это год выпуска. В таблице ниже приведена маркировка некоторых транзисторов.
| Транзистор - цветовой код | Транзистор - цветовой код |
|---|---|
| КТ350А - серый и розовый | КТ3107Г - голубой и бежевый |
| КТ351А - желтый и розовый | КТ3107Д - голубой и оранжевый |
| КТ351Б - желтый и желтый | КТ3107Е - голубой и электрик |
| КТ352А - зеленый и розовый | КТ3107Ж - голубой и салатовый |
| КТ352Б - зеленый и желтый | КТ3107И- голубой и зеленый |
| КТ3107А - голубой и розовый | КТ3107К - голубой и красный |
| КТ3107Б - голубой и желтый | КТ3107Л- голубой и серый |
| КТ3107В - голубой и серый |
 |