Транзистор - это элемент радиоэлектонной аппаратуры, позволяющий управлять большим током через отдельный вывод. Транзисторы применяются в схемах комутации, усиления и генерирования.
Общее строение транзистора - это три вывода, один управляющий и два комутирующих. В биполярном транзисторе управляющий вывод называется базой, в полевом транзисторе затвором. Комутирующие выводы в биполярном транзисторе называются эмиттер (emission - испускать) и коллектор (collect - собирать). В полевом транзисторе комутирующие выводы называются исток (источник заряда) и сток (сбор заряда).
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор имеет три вывода - один управляющий, база, и два коммутирующих - эмиттер и коллектор. Ток в транзисторе имеет два потока: один из них - ток база-эмиттер, второй - эмиттер-коллектор. Поскольку нет движения тока база-коллектор, то для краткости используют названия ток базы и ток коллектора.
При увеличении напряжения на базе относительно эмиттера, на базе образуются электроны, которые создают мостик, позволяющий идти электронам между эмиттером к коллектором. Соответственно, чем больше электронов на базе - тем больший ток проходит между коммутируемыми выводами.
Биполярные транзисторы бывают двух видов, NPN и PNP. В транзисторе N обозначает отрицательный (negative), P - положительный (positive). NPN образовывает "мостик" при положительном напряжении база-эмиттер, PNP при отрицательном, ток, соответственно, в этих транзисторах течёт в разные стороны.
Основная характеристика биполярного транзистора - это коэффициент усиления по току, hfe, показывающий отношение увеличения тока коллектора при увеличении тока базы. При этом, напряжение база-эмиттер имеет свои ограничения.
Ограничения
Рассмотрим транзистор BC547C. Любой импортный транзистор сопровождается технической спецификацией (datasheet): спецификация на транзистор BC547.
Напряжение отсечки
Напряжение на базе должно лежать в определённом диапазоне, что бы транзистор был открыт, этот диапазон называется напраяжением отсечки (Base-Emitter On Voltage) и для транзистора BC547 лежит в диапазоне 0,58-0,7 В, это разброс параметров, то есть покупая транзистор, вы можете рассчитывать, что напряжение отсечки будет лежать в этом диапазоне, хотя чаще будет ближе к номинальному в 0,66В.
Ток коллектора
Максимальный ток, который может пройти через коллектор указан в документации, для BC547 это ток равный 0.1А = 100 мА. График тока коллектора в зависимости от напряжения на базе заканчивается там, где лежит максимально допустимый ток, как только напряжение достигло максимального значения - транзистор полностью открыт, он перешёл в режим насыщения, максимальное значение также указано в табличке на первой странице, VBE (base-emitter saturation voltage). При переходе в режим насыщения транзистор перестаёт управлять током, дальше он пускает всё, что через него пройдёт и если пропустить через него больше, чем максимально допустимый ток, то он попросту начнёт нагреваться пока не сгорит, а этот процесс иногда занимает доли секунды.
Применение биполярного транзистора
Усиление тока
Для расчёта нам потребуется определить силу тока, которая будет протекать через элемент нагрузки. Возьмём светодиод со следующими параметрами: напряжение 1,6 В, сила тока 10 мА.
Транзистор управляет током коллектора посредством тока базы и наша задача определить ток базы для поддержания тока 10 мА через коллектор. Обратимся к технической документации, на графике №3 изображена зависимость hfe от тока коллектора, мы видим, что на участке 0-10 мА величина hfe постоянна, поэтому считаем расчётное значение константой и берём среднее для данного транзистора (в конце первой страницы описана классификация в зависимости от буквы в названии транзистора, для C значение hfe будет лежать в пределах 420-800, что означает, что вам может попасться транзистор как со значением 420, так и 800. Возьмём для расчёта среднее - 600)
Ток коллектора в зависимости от тока базы: Ib = Ic/hfe = 10 / 600 = 0.016 мА = 16 мкА
На графике статическая характеристика (№1 в документации) представлена комбинация из трёх значений: ток базы, ток коллектора, падение напряжения коллектор-эмиттер. При токе базы в 16 мкА и токе коллектора в 10 мА, напряжение на коллекторе будет близким к напряжению эмиттера, в случае со схемой ниже - ноль:
Любое устройство требует питания, как правило используются стандартные, для цифровой техники 3.3 В, для мелких устройств 3В (две батарейки АА), 5В (USB), 9В (батарейка крона). Возьмём для примера 3.3 вольта.
Исходя из графика №2 (в документации), при токе коллектора в 10 мА, напряжение на базе должно составлять около 0.72 В, создадим требуемое напряжение и ток применив резистор. Напряжение питания составляет 3.3 В, откуда сопротивление резистора базы будет следующим:
R = U/I = (3.3-0.72) В / 0.016 мА = 161 250 Ω
Мы могли бы заказать изготовление резистора данного номинала, но всегда есть допуск в котором мы работаем, это и влияние температуры и сопротивление дорожек на плате и шумы и множество других факторов, поэтому мы берём ближайший доступный номинал в каталоге (если вы работаете в компании - у вас всегда есть поставщик, который предоставляет каталог продукции, если вы делаете устройство для себя - вы смотрите, что есть в магазине). Ближайший доступный номинал - 160 кОм.
Напряжение на светодиоде должно быть равным 1,6 В, для создания падения напряжения потребуется резистор:
R = U/I = (3.3-1.6) В / 10 мА = 170 Ω
Смотрим в каталог, нам доступны 160 Ω или 180 Ω, выберем 180, так будет безопаснее для светодиода.
Усилитель звука на биполярном транзисторе
Для усиления звука используется тот же принцип, что и для усиления тока, принцип действия следующий: на базу подаётся усиливаемый сигнал, напряжение сигнала должно быть не ниже напряжения отсечки.
