Месяц назад, наконец, мы получили примерное представление о транзисторе.. Конечно, дрожа от нетерпения, и любопытства, вы ждете, что я объясню как, транзистор усиливает напряжение. Почему так много внимания уделялось усилению тока и почему важны падение напряжения и источник тока.

Подождите еще немного - все вы узнаете в свою очередь. Через месяц я тебе объясню подробно, то, что с таким нетерпением ждете: а именно, как транзистор усиливает напряжение.

Сегодня мы подробно рассмотрим вход транзистора, то есть цепь база-эмиттер. Вы откроете для себя ряд важных практических вопросов. Хотя вы можете считать, что это лишнее я убежден, что это потребуется на практике. Не стоит недооценивать указанный материал, так как он необходим для полного понимания транзистора.

В предыдущем эпизоде мы достаточно просто пришли к выводу, что переход база-эмиттер транзистора ведет себя ни больше, ни меньше, как диод. Это не случайно – это действительно так. Вы можете себе представить, что транзистор состоит из две независимых цепей, или элементов:

•база-эмиттер схема включает в себя самые обычные диоды,
•коллектор-эмиттер схема включает в себя источник тока.

В предыдущем разделе, я объяснил вам принцип действия транзистора на примере карбюратора мы рассматривали транзистор NPN. Конечно, не проблема понять, как он работает. Теперь пора отойти от модели карбюратора, запомните только, что транзистор на самом деле источник тока управляемый током базы. Если вы поймете это определение, вы не будете иметь никаких проблем с и PNP транзистором.

Он работает так же, как транзистор NPN, только с другим направлением тока.

Направления токов в двух транзисторах можете видеть на рисунке 12. Запомните раз и навсегда, стрелка в символе транзистора (эмиттера) указывает направление протекания тока (от положительного к отрицательному полюсу источника питания).

Если вы намерены изобразить PNP транзистор, правильное изображение показано на рисунке 13а, а не так, как показано на рисунке 13b.

Можете ответить, почему на различных схемах не изображают так, как показано на рисунке 13b?

В таком изображении нет ошибки. Я просто хочу, чтобы вы с самого начала, чтобы привыкали к основным правилам. Это всего лишь способ рисования схем. Вы наверняка заметили, что некоторые схемы, нарисованы так здорово, и понятно, что на первый взгляд, можно сказать, какие напряжения будут в различных точках системы.

Другие схемы рисуются запутанно, весьма хитроумно и непонятно, как работает схема, и не возможно сделать какие-либо выводы об напряжениях в разных точках схемы.

А разница только в способе рисования схемы.

Что бы схема была прозрачной и понятной, рассмотрим основные правила:
- "питающий ток схемы" должны течь сверху вниз
- "Сигналы на схеме" должны бежать слева направо.
- Если есть возможность точка, с большим положительным напряжением должна быть выше точки с низким напряжением.
На рисунке 14 показаны два способа рисования схема одной системы. Первый учитывает вышеуказанные принципы, второй нет. Которую легче анализировать?

Вопрос очень актуальный дело в том, что среди схем присылаемых в редакцию читателями, особенно в Школу конструкторов, я часто встречаю «цветочки» подобные изображенному на Рис 14b.

Так что привыкайте к установленным правилам и не игнорируйте их при составлении ваших схем. Тогда вы будете рисовать PNP транзистор, так что как показано на рисунке 13а, но не в соответствии с рисунком 13б.

Это было отступление на полях – так как рисование схем пока не влияет на работу транзистора. Только облегчает анализ системы.

Теперь про переход база-эмиттер транзистора. Вы уже знаете, что PNP и NPN транзисторы отличаются только направлением тока. Следующие разделы в равной степени относятся к обоим типам транзисторов.

Прежде всего, заметим, что переход база-эмиттер имеет свойства обычного полупроводникового диода. Чтобы полностью понять поведение транзистора в цепи, и быть в состоянии самостоятельно выбирать режимы работы транзистора, необходимо хорошее понимание работы и параметров диода.

Итак, позвольте мне напомнить вам свойства диода. Гидравлический аналог диода на рисунке 15. Запорная пружинка очень слабая. Поэтому чтобы открыть клапан «в правильном» направлении необходимо совсем небольшое усилие.

От сюда очень важный вывод: на этом элементе не может возникнуть большого перепада, потому что даже небольшое давление открывает заслонку полностью, позволяя течь потоку практически любого количества воды.

То же самое и с диодом. Диод проводит ток только в одном направлении. Это «правильное» направление называется прямым. Да же относительно не большое напряжение откроет диод, и через него потечет ток. При прямом включении, падение напряжения на нем мало. Обратите внимание, что это напряжение (падение напряжения) не может уменьшаться. Да же на полностью «отрытом» диоде, при большом токе, все равно имеется падение напряжения.

Возможно, вы слышали, что при напряжении ниже 0,6 В. .. 0,7 В кремниевый диод не проводит ток, ток появляется только при напряжении выше 0,6 В. .. 0,7 В.

Так же возможно, вы слышали, что напряжение на диоде пропорционально логарифму тока, протекающего через него. Наверное, не многие из вас знают, что это значить, и мы могли бы опустить это. Но я хочу, ввести вас вглубь дела, поэтому мы рассмотрим этот вопрос более подробно.

Посмотрите на вольт-амперную характеристику диодов (то есть график напряжения и тока). Как правило, он составляется таким образом: горизонтальной ось - напряжение, а по оси ординат - ток. Предлагаю следующий способ его изображения, мы изменяем величину подаваемого напряжения и в зависимости от напряжения откладываем значение тока на графике. Но это возможно только в теории. На практике изменяют значение текущего через диод тока и измеряют падение напряжения на нем. Это напряжение называется прямым напряжением диода. Независимо от подхода, результат всегда один и тот же: значение тока соответствует определенному значению напряжения, и наоборот. Эта зависимость изображена на рисунке - это то, что являются характеристикой диода в прямом направлении.

В настоящий момент нас интересует, изменение напряжения на диоде (на самом деле на переходе база-эмиттер транзистора), в зависимости от тока (тока базы транзистора).

На рисунках 16 а и б показаны характеристики такого диода, нарисованные обоими способами. Обе шкалы на рисунке 16 а линейны, тогда как на рисунке 16 б вертикальная ось тока логарифмическая, а ось напряжения линейная. Посмотрите на рисунок 16 б, что бы узнать, значение тока удобней пользоваться линейной зависимостью, особенно для малого значения тока. Но это логарифмическая зависимость тока от напряжения. Даже если вы не знаете что такое натуральный логарифм. Вам достаточно этого графика, что бы узнать ток. В конце концов, у вас есть выбор каким графиком пользоваться. Обратите внимание, что на логарифмической шкале, следующее значение в десять раз больше предыдущего. Нет необходимости вдаваться в дальнейшие подробности, только помните, и примите к сведению, что специалисты, несмотря на широкое внедрение цифровых схем, продолжать использовать эту четкую зависимость на рисунке 16б для логарифмирования сигналов, а так же аналогового умножения, деления, возведения в степень и извлечение квадратного корня. Может это для вас будет сюрпризом, но диоды (или переход база-эмиттер) хорошо подходят для выполнения математических операций над аналоговыми сигналами. Например, логарифмирование часто используется для определения номинальной мощности усилителей, в цифровых измерителях. Но логарифмирование это очень обширная тема, для нас.

Давайте вернемся к рисунку 16а. Здесь действительно, видна сложная логарифмическая зависимость. Начинается она со значения напряжения 0,7.. 0.6 В а бывает и от 0.6.. 0.8В. В чем тут дело?

В самом деле, нет никакого существенного различая, но дело требует небольшого разъяснения.

Посмотрите на рисунок 17. Он похож на рисунок 16а, однако характеристика здесь до значения в 1мА, а не до 100 мА. Отметим что на рисунке 17, при напряжении до 0.5 В ток диода на самом деле присутствует, но имеет очень малое значение. Как это можно увидеть на рисунке 16 б. Помните, что 1 мкА (микроампер) является одной миллионной Ампера.

Вы видите, что во многих случаях мы можем с уверенностью сказать, что для напряжения ниже 0,5 В, диод практически не проводящий.

Но это выглядит немного по-другому для выпрямительного диода, чем для цепи базы транзистора. Для выпрямительного диод ток порядка 1 или даже 10 мкА, очень мал. А для транзистора?

В транзисторах, ток коллектора при нормальной работе обычно устанавливается в диапазоне от долей миллиампер, и не более сотни миллиампер (если мы опустим мощные транзисторы). Учитывая, что транзистор усиливает ток, то выходит что, ток базы составляет доли миллиампер.

Тогда, в некоторых из ваших схем ток базы может быть порядка 1 или менее микроампера! Таким образом, как показано на рисунке 16b, при таком токе базы, напряжение база-эмиттер транзистора будет иметь значение 0,5 ... 0,7 В.

Обратите внимание, что при тысячекратно изменении тока (базы), изменение напряжения составляет лишь около 200 мВ.

Теперь вы, наверное, понимаете, что в менее точных расчетах мы принимаем некоторую среднею, постоянную величину, например, 0,6 В или 0,65 В. И вся тайна!

Просто? Да, но мы рассматривали все упрощенно, пренебрегая токами ниже 1 микроампера, говорят, что они пренебрежимо малы. Вообразить профессиональные схемы, которые логарифмируют в диапазоне токов 100 Па до 1 мА. 100 ПикоАмпер составляет 0,1 микроампер. Не пытайтесь думать о токах в пикоамперах, (и о работе с такими токами), оставьте это профессионалам.

Давайте вернемся к транзистору.

Как видно из анализируемых характеристик, напряжение между базой и эмиттером, обозначается Uбэ, во время нормальной работы транзистора не превышает 0,8 В. Если, в любой реальной схеме будет больше, то транзистор выйдет из строя. Например, как следует из рисунка 16, с напряжением Uбэ равным 1В, ток базы транзистора будет более чем 1 А, транзисторы с таким базовым токов не встречаются в природе.

Поэтому очень важная практическая информация: если напряжение Uбэ больше 0,8 В будьте уверены транзистор не исправен.

В нашей практике обычно мы используем маломощные транзисторы. Дело в том, что во время работы транзистора выделяется энергия в виде тепла - я назвал это потерей мощности. Малый транзисторы могут работать при низких токах, коллектора (до 100… 300 мА), выделяющиеся потери мощности не могут быть больше, чем 0,1 ... 0,6 Вт, в зависимости от типа транзистора.

В некоторых случаях, мы должны работать с большими токами, при этом выделяется мощность значительно больше. Тогда мы используем мощные транзисторы. Они имеют больший корпус и предназначены для крепления к радиатору охлаждения.

Проблема потери мощности и тепловыделения будет обсуждаться в будущем. А сейчас только одна маленькая проблема. Для больших токов в цепи коллектора, мы должны работать с достаточно большими токами базы. Ток базы большой, из-за того что мощные транзисторы как правило, имеют меньший коэффициент усиления по току, чем у маломощных транзисторов. Если, например, усиление силового транзистора 50, ток коллектора 10А, базовый ток должен составлять 0,2 А.

Что вы думаете для мощных транзисторов, напряжение база-эмиттер должно быть больше чем в маломощных транзисторах?

Да так выходит из рисунка 16.

Отметим, что данный рисунок относиться к конкретному диоду или переходу база-эмиттер.

Как вы думаете, будет ли зависит падение напряжения от площади поверхности перехода?

Маломощный транзистор имеет маленькую площадь перехода, мощный гораздо больше.

Вы правы, падение напряжения будет определять плотностью тока на единицу площади перехода.

Вывод?

Напряжение база-эмиттер транзисторов высокой мощности, со значительном током базы может быть, даже меньше, чем у маломощных транзисторах.

Эта информация является, пожалуй, самой важной, из того что вы должны знать, когда измеряете, напряжение в цепях силовых транзисторов, не удивляйтесь.

На рисунке 16 указали, в какой степени изменяется напряжения между база-эмиттером при различных токах базы. Это не означает, однако, что зная характеристику конкретного транзистора и, зная ток базы, можно точно определить напряжение между базой и эмиттером.

Вы знаете почему?

Потому что мы не учли влияние температуры.

На рисунке 16 показаны характеристики для любой температуре - как правило, порядка комнатной температуры до 25 ° C. Тем не менее, с повышением температуры прямое напряжение диода и перехода транзистора снижается.

Для конкретного экземпляра транзистора и диода влияние температуры показано на рисунке 18а.

Вы можете быть удивлены, но не игнорируйте тот факт, что изменения напряжение база-эмиттер в результате изменения температуры могут быть значительно больше, чем изменения, вызванные изменениями величины базового тока!

Также помните, о нагреве транзисторов, в том числе малой мощности.

Вывод?

Зная напряжение база-эмиттер можно оценить ток базы. Но если быть честным, то это приблизительная оценка, так как не учитывается влияние температуры. Исключение если оно больше 0.8 В, тогда можно сделать вывод об неисправности транзистора.

Означает ли это, что точное значение напряжение база-эмиттер для нас не столь важно, и не несет никакой определенной информации?

Нет! Это важно, если ток имеет постоянное значение. То изменение напряжения связанное с температурой имеет линейный характер. Т.е. изменение напряжения прямо пропорционально изменению температуры. Кроме того эти изменения всегда постоянны и не меняются с течением времени.

Все это означает, что простой диод или переход база-эмиттер транзистора может быть успешно использован для измерения температуры. При правильном построении системы измерения и соответствующего масштабирования, вы можете получить очень хорошую точность порядка 0,1 ... 0,2 ° C.

Этот метод часто используется для измерения температуры в диапазоне -40 .. +125 ° C.

Существует только одна небольшая загвоздка. На практике, в производстве полупроводников не может быть, достигнуто совершенно одинаковые параметры для всех копий диодов и транзисторов, даже из одной партии и одной той же кремниевой пластины.

Существуют определенные допуски параметров. И, наконец, в некоторых каталогах характеристик диодов и переходов напряжение база-эмиттер приводиться, как показано на рисунке 18b. Затемненной областью указывают на ожидаемое значение параметра между копиями.

Из этого видно, что при использовании полупроводникового перехода для измерения температуры, необходима индивидуальная калибровка в каждом случае. В книгах в настоящее время, указывается, что напряжение перехода изменяется на -2.2 mV на один градус Цельсия. Это значение -2,2 мВ следует рассматривать как ориентировочные, а не точное. Кроме того, другие источники говорят, что этот коэффициент -2 мВ / ° C.

Сейчас вас уже не удивит, но существуют схемы для измерения температуры, использующих это же свойства В-Е перехода. Они используется не только для конструирования электронных термометров. Они широко используется в производстве интегральных схем для реализации схемы тепловой защиты.

Вы знаете, как они работают?

Просто установите напряжение база-эмиттер транзистора до величины, скажем, 0,5 В. Как видно из рисунков 16, 17 и 18, при комнатной температуре ток базы будет незначительным. Следовательно, ток коллектора также будет незначительным. Если температура будут расти, это также увеличится ток базы, и, следовательно, ток коллектора. Когда ток коллектора превышает заданное значение, сработает схема тепловой защиты.

Температурная зависимость параметров в некоторых системах является преимуществом, как вы уже могли догадаться, Но в системах точного измерения это проклятье, с которые вы должны бороться всеми силами. Однако, это отдельная, очень широкая тема, к которой мы вернемся. А на данный момент, мы станем еще одна фундаментальная проблема.

Упрощенная эквивалентная схема транзистора на рисунке 12, содержит диод и управляемый источник тока, что не в полной мере отражают свойства транзистора. Большая часть читателей проверяет транзисторы, с помощью омметра зная, что база-эмиттер и база-коллектор вызваниваются как диоды. Действительно, при определенных условиях, транзистор можно рассматривать как комбинацию двух диодов в соответствии с рисунком 19. Но, к сожалению, транзистор не может быть использован как два отдельных диода, например, что бы с помощью одного или двух транзисторов, сделать диодный мост (рис. 20). Транзистор это больше чем в два диода. Запомните это, и даже не пытайтесь проделать подобные трюки.

Рисунок 19 наводит на вопрос. А можно ли в электронных схемах поменять коллектор и эмиттер местами? Другими словами, если бы он мог ли коллектор играть роль эмиттера, и наоборот?

Речь идет о самой серьезной проблеме, а пожилые читатели могут помнить, некоторые советские транзисторы после перестановки эмиттера и коллектора, работали так же или даже лучше.

Это, правда, для старых транзисторов, выполненных по допотопной технологии, это было все равно, какой из электродов эмиттер, а какой коллектор. Но это было очень давно. Однако сейчас транзисторы изготавливаются для конкретной проводимости, и не будут работать после такой замены. Возможно вы так же слышали об «обратной» работе транзистора. Забудьте об этом. Во всех схемах, которые мы будем рассматривать, нормальные биполярные транзисторы работают в обычном режиме.

Так что не думайте менять местами коллектор и эмиттер.

Но это еще не все.

Может ли транзистор может работать при "обратном" напряжение между базой и эмиттером. Что происходит в схеме на рис. 21, напряжение на базе NPN транзистора меньше, чем напряжение на эмиттере?

Рисунки 12 и 19 не указывают на какие-либо ограничения.

Так напряжение на базе транзистора на рисунке 21 может быть сколь угодно большого отрицательного значения? Наверное, нет, мы знаем, что переход, как и любой другой диод, имеет определенное допустимое напряжение (несколько вольт).

Вот у меня есть для тебя сюрприз (если вы не знаете): база-эмиттер поляризованные в обратном направлении ведет себя как диод Зеннера с напряжением стабилизации около 6,2 Вольт (некоторые источники говорят, что 5 .. 7 В). Если вы не знаете что такое диод Зеннера, знайте что это стабилизатор напряжения.

Таким образом, после превышения обратного напряжения на базе, значения пробоя, через переход база эмиттер будет течь ток. Слово "пробой" звучит страшно, но здесь нечего бояться - пока ток не слишком большой (нет тепла для повреждения перехода), с транзистором ничего не происходит. Такой пробой, конечно, не повредить транзистор.

Короче говоря, транзистор может работать как стабилитрон или стабилизатор напряжения. На рисунке 22 показано, четыре примера использования транзисторов в этой роли. Обратите внимание, что в каждом случае всегда используется эмиттерный переход, при этом используются два вывода транзистора, и этот способ работы не имеет ничего общего с нормальным режимом работы транзистора.

Позвольте мне напомнить вам еще раз нормальные условия работы:

Напряжение на базе NPN транзистора (измеряется по отношению к эмиттеру) составляет примерно 0,6 В. .. 0,7 В,

При прямой проводимости ток эмиттера это сума коллекторного и базового токов.

Напряжение на коллекторе UC (также измеряется относительно эмиттера) является положительным и может быть от 0,1 В до полного напряжения U2.

Смотри рисунок 23.

А что сказать о ситуации на рисунке 24, схема в нормальном режиме работы транзистора (NPN) напряжение база-эмиттер отрицательное, и будет в пределах 0-5В? Что произойдет в цепи базы, и что в цепи коллектора?

При отрицательном напряжении на базе значение напряжения база-эмиттер максимально, но при этом упомянутый пробой не происходит. В базовой цепи тока не будет, а следовательно и в цепи коллектора, то же. Транзистор можно рассматривать как разомкнутый ключ.

А что произойдет, если напряжение U1 опуститься ниже 5 В, когда через базу потечет обратный ток (по цепи: батарея, общий провод, эмиттер, база, резистор, батарея)? Будет ли ток в коллекторной цепи?

Это важный вопрос, вопреки видимости, потому, что на практике иногда можно найти такую ситуацию. Я не дам вам ответ - вы можете найти его самостоятельно, собрав схему в соответствии с рисунком 24 и сами увидите, какое значение будет показывать амперметр, при обратном токе в цепи в базы.

Пусть это будет вам домашнее задание.

Так же предлагаем вам самостоятельно измерить напряжение стабилизации по схеме на рисунке 22. Выясните для себя настолько это напряжение зависит от типа транзистора. И как отличается на нескольких экземплярах одного типа.

Сегодня статья была посвящена цепи база-эмиттер биполярного транзистора. В конце статьи мы получили наиболее важные выводы. В следующем месяце мы будем рассматривать цепи коллектора, его характеристики и типичные схемы включения транзистора.

Piotr Górecki

32 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/98