Транзисторы как определить мощность транзистора

Основные характеристики и параметры транзисторов

Транзистор, в общем понимании этого слова – это полупроводниковый прибор, как правило, с тремя выводами, способный усиливать поступающий на него сигнал. Выполняя функции усиления, преобразования, генерирования, а также коммутации сигналов в электрических цепях, в данный момент транзистор является основой подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

На принципиальных схемах транзистор обычно обозначается латинскими буквами «VT» или «Q» с добавлением позиционного номера (например, VT12 или Q12).

В отечественной документации прошлого века применялись обозначения «Т», «ПП» или «ПТ».
Преобладающее применение в промышленных и радиолюбительских конструкциях находят два типа транзисторов – биполярные и полевые. Какими они бывают?

ОСНОВНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ.

Основная классификация, определяющая область применения транзисторов, ведётся по: исходному материалу, на основе которого они сделаны, структуре проводимости, максимально допустимому напряжению, максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторе, частотным свойствам, шумовым характеристикам, крутизне передаточной характеристики (для полевых) или статическому коэффициенту передачи тока (для биполярных транзисторов) . Рассмотрим перечисленные пункты классификации более детально.

По исходному полупроводниковому материалу транзисторы классифицируются на: — германиевые (в настоящее время не производятся); — кремниевые (наиболее широко представленный класс); — из арсенида галлия (в основном СВЧ транзисторы) и др.

По структуре транзисторы классифицируются на: — p-n-p структуры – биполярные транзисторы «прямой проводимости»; — n-p-n структуры – биполярные транзисторы «обратной проводимости»; — p-типа – полевые транзисторы с «p-типом проводимости»; — n-типа – полевые транзисторы с «n-типом проводимости». В свою очередь, полевые транзисторы подразделяются на приборы с управляющим p-n-переходом (JFET-транзисторы) и транзисторы с изолированным затвором (МДП или МОП-транзисторы).

По параметру мощности транзисторы делятся на: — транзисторы малой мощности (условно Рmах — транзисторы средней мощности (0,3 — мощные транзисторы (Рmах >1,5 Вт). Также косвенным показателем мощности транзистора является параметр максимально допустимого тока коллектора (Iк_max).

По параметру максимально допустимого напряжения Uкэ или Uси транзисторы делятся на: — транзисторы общего применения (условно Uкэ_mах — высоковольтные транзисторы (Uкэ_mах > 100 В). У современных биполярных и полевых транзисторов параметр Uкэ_mах (Uси_mах) может достигать нескольких тысяч вольт!

По частотным характеристикам транзисторы делятся на: — низкочастотные транзисторы (условно Fгр — среднечастотные транзисторы (3 — высокочастотные транзисторы (30 — сверхвысокочастотные транзисторы (Fгр > 300 МГц); Основным параметром, характеризующим быстродействия транзистора, является граничная частота коэффициента передачи тока (Fгр). Косвенным – входная и выходная ёмкости. Для транзисторов, разработанных для использования в ключевых схемах, также может указываться параметр задержки переключения (tr и ts).

По шумовым характеристикам транзисторы делятся на: — транзисторы с ненормированным коэффициентом шума; — транзисторы с нормированным коэффициентом шума (Кш).

Коэффициент передачи тока (h21 – для биполярного транзистора) и крутизна передаточной характеристики (S – для полевого) являются одними из основных параметров полупроводника. От него зависят как качественные показатели транзисторного усилительного каскада, так и требования, предъявляемые к предыдущим и последующим каскадам.

Однако давайте будем считать эту статью вводной, а углубляться и подробно рассуждать о влиянии тех или иных параметров на работу и поведение биполярного или полевого транзистора будем на следующих страницах. Полный перечень статей, посвящённых описанию работы транзистора, а также расчётам каскадов на полевых и биполярных полупроводниках, приведён в рубрике «Это тоже может быть интересно».

Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз – далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

Режим отсечки (cut off mode).

Активный режим (active mode).

Режим насыщения (saturation mode).

Инверсный ражим (reverse mode ).

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V – 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки

.

В активном режиме

напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току

– соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается
β
,
hfe
или
h21e
, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β – величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий – в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление

– сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается
Rin
(
Rвх
). Чем оно больше – тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость

– проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика

– зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполя́рный транзи́стор

— трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar ), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Читать также: Как установить цифровой приемник к телевизору

Режимы работы [ править | править код ]

Нормальный активный режим [ править | править код ]

Переход эмиттер-база включён в прямом направлении [2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

Инверсный активный режим [ править | править код ]

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>

0;
UЭБ Режим насыщения [ править | править код ]
Оба p-n

перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный
р-n
-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками
Uэб
и
Uкб
. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (
I
Э. нас) и коллектора (
I
К. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

(UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог
RСИ. отк
у полевых транзисторов). Аналогично
напряжение насыщения база-эмиттер
(UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки [ править | править код ]

В данном режиме коллекторный p-n

переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию U

ЭБ [5] [6] .

Барьерный режим [ править | править код ]

В данном режиме база

транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его
коллектором
, а в
коллекторную
или в
эмиттерную
цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Читать также: Как заточить парикмахерские ножницы в домашних условиях