Биполярный транзистор. Принцип усиления

Ну вот мы и дошли до самого интересного. Итак, для чего вообще нужен транзистор? Для усиления? Но для усиления чего? И как он  вообще усиливает?

Давайте для начала разберемся, какие параметры электрического сигнала мы можем усилить. Это:

- напряжение

- сила тока

Мощность электрического сигнала равняется напряжению, умноженному на силу тока, то есть

P = IxU

где

P – это мощность, измеряется в Ваттах;

I – сила тока, в Амперах;

U – напряжение, в Вольтах;

ну и значок "х" – это знак умножения (мало ли).

Получается, усилив напряжение или силу тока, мы тем самым увеличиваем и мощность сигнала ;-).  А вот транзистор как раз этим самым и занимается, что увеличивает или напряжение или силу тока или сразу оба этих параметра электрического сигнала ;-) Но сам по себе он не может усиливать. Ага, подал на транзистор напряжение от пальчиковой батарейки, и усиливаемый сигнал подал на электрочайник и вскипятил воду) Конечно же нет). Для того, чтобы транзистор усиливал, требуется источник усиления "извне". Источником "извне" должен быть какой-либо источник питания.

Небольшое лирическое отступление. Есть также ещё одно заблуждение, что повышающий трансформатор увеличивает напряжение, подаваемое на первичную обмотку. Да, это так он и есть. Но, не забывайте, что во столько же раз и уменьшает силу тока. В обоих случаях мощность на выходе будет почти равняться мощности на входе транса :-).

Итак, существуют три основные схемы соединения биполярного транзистора:

- с Общей Базой (ОБ)

Эта схема усиливает по напряжению. Схема с общей базой используется редко.

- с Общим Эмиттером (ОЭ)

Эта схема усиливает и по напряжению, и по току, и на практике используется наиболее часто.

- с Общим Коллектором (ОК)

Эта схема усиливает по току. Ее часто называют эмиттерный повторитель.

Здесь все просто: какой вывод является общим для входного и выходного сигнала, такая значит и схема включения транзистора.

А теперь давайте поговорим об условностях, которые применяются в схемотехническом жаргоне транзистора.

Итак, если вы слышите, что напряжение на базе равно 1 Вольт, то это означает, что это напряжение между базой и общим проводником. На общий в основном садят "минус" и обозначается общий проводник вот таким значком:

Например, U_Б  (напряжение на базе)  транзистора VT1 замеряется как-то вот так:

Напряжение между выводами обозначается двумя индексами, например, напряжение между базой и эмиттером обозначается как U_БЭ . Также на схемах часто можно увидеть обозначения типа U_КК (в буржуйском варианте V_CC ) – это напряжение питания коллектора, обычно положительное. Также есть и U_ЭЭ (в буржуйском варианте V_EE) – напряжение питания эмиттера, обычно отрицательное. Короче говоря, это в основном напряжение питания схемы.

Также имейте ввиду, что каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_К х U_КЭ + 0,7 х I_Б

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Attention!

Превышение какого-либо параметра из списка выше приведет к неминуемой гибели транзистора!

Для того, чтобы понять принцип работы транзистора, давайте рассмотрим вот такое фото:

Условимся считать, что это самая простая модель транзистора). Направление потока воды – это направление электрического тока. Пусть у нашего "транзистора" будет проводимость N-P-N, то есть он будет выглядеть вот так:

С помощью краника (Базы) мы уменьшаем или увеличиваем скорость потока воды через трубу. В нашем случае вода бежит с жёлтой трубы к чёрной трубе, или по аналогии с транзистором: от коллектора к эмиттеру, потому что стрелочка эмиттера показывает направление электрического тока.

Итак, в таком положении краник полностью закрыт, следовательно поток воды не проходит через трубу:

А вот так краник полностью открыт и поток воды бежит на полной мощности через трубу:

Краник открыли, вода через трубу побежала на полной мощности:

Краник закрыли, вода не бежит:

С помощью одного только пальчика, я включал и выключал ОГРОМНЫЙ поток воды, который бы мог смыть все какашки на вашей тельняшке). То есть поток воды из трубы обладает огромнейшей силой, по сравнению с силой пальчика, которую я прикладывал к рыжачку краника. 

Транзистор работает аналогичным образом! Прикладывая небольшое напряжение к базе, я могу управлять огромнейшим током проходящим через коллектор и эмиттер. В данном случае я показал только два положения, краник полностью включен, или краник полностью выключен. Режим, при котором я включал и отключал краник до упора, в транзисторе называется "ключевым режимом".  Не от слова "ключевой" – типа главный, важный, а от слова "ключ". А что у нас делает ключ? Что-то отпирает и закрывает, да хотя бы те же самые двери или бабушкин комод.

Режим, когда я ЗАКРЫВАЛ краник полностью, называется в транзисторе закрытый или в простонародье "зАпертый". В этом случае на базу ток не идет и транзистор не пропускает электрический ток между коллектором и эмиттером.

Режим, когда я полностью ОТКРЫВАЛ краник, называется в транзисторе режимом "насыщения". В этом случае через эмиттер и коллектор ток бежит по полной. Хочу сказать, что дальнейшее открывание краника бессмысленно, так как от этого ток не увеличится между коллектором и эмиттером, то есть нет резона подавать еще большее напряжение на базу, если транзистор уже работает в режиме насыщения.

Ну что же, надо теперь все это дело проверить на реальном транзисторе. У нас в гостях всеми вами любимый транзистор КТ815Б:

Его проводимость N-P-N, то есть он выглядит вот так:

Мы с вами разобрали, что краник – это база, а большой поток воды должен течь с коллектора на эмиттер. Направление стрелки на эмиттере показывает направление движения электрического тока. 

В транзисторе все то же самое. Давайте используем его в деле. Для этого собираем вот такую схемку:

Ну что, вроде бы все элементарно и просто. Есть батарея, есть лампочка. Электрический ток должен бежать от "плюса" к "минусу" и лампа должна гореть. Собираем схему в реале. Щупы-крокодилы идут от Блока питания. Красный – плюс, черный – минус. Напряжение на них около 13,5  Вольт, лампа на такое же напряжение. Лампа  не горит... В чем же дело?

Помните эту картинку?

Елки-палки, нам базу-то надо "повернуть" так, чтобы электрический ток мог бежать от коллектора к эмиттеру!  Но как "повернуть" базу? Да все просто! Для этого нам надо всего-то подать на нее напряжение ;-). 

Теперь наша схема будет выглядеть вот так:

Собираем схему. Крокодилы с синими проводами идут от блока питания Bat1.

Но теперь вопрос. Какое минимальное напряжение должно быть на Bat1, чтобы "краник открылся"?

Помните мы с вами разбирали статью, что на P-N переходе у кремниевых транзисторов (а у нас как раз кремниевый) "падает" напряжение где-то 0,5-0,7 В? Кто не помнит, читаем эту статью. А давайте выставим на Bat1 где-то 0,5 В.

Не... не канает.

Кручу крутилку и выставляю 0,6 Вольт и вуаля! В простонародье говорят, что транзистор "открылся".

Отсюда делаем вывод: для того, чтобы через коллектор-эмиттер побежал электрический ток, мы должны на базу подать напряжение более чем 0,5-0,7 В, то есть  больше падения напряжения на P-N переходе.

Но как много мы можем подать напряжения в базу? Давайте крутанем крутилку на уровень 0,7 В.

При 0,7 В базовый ток составляет уже 20 мА.

Давайте еще чуток добавим:

При 0,8 В уже 140 мА.

А при 0,9 Вольтах:

чуть меньше пол-Ампера! Дальнейшее увеличение напряжения может привести ... к полному выходу транзистора из строя. Итак, вспомним начало статьи:

Каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_КЭ х U_КЭ

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Более подробно про них можно прочитать здесь.

Если глянуть в даташит, то можно узнать, что максимальный допустимый ток коллектора транзистора КТ815Б составляет 1,5 А. Но как же теперь быть? Наша аппаратура ведь не может работать с такими маленькими допусками напряжения? А что если вдруг случись, напряжение на базе скаканет на 0,3 В? Транзистору сразу ведь придет жопа... Поэтому, чтобы такого не случилось, в базу транзистора ставят токоограничительный резистор. Резистора на 500 Ом вполне хватит, чтобы транзистор был "открытым" от 1 В и до 40 В (ну это в данном опыте). Все, конечно же, зависит от токоограничительного резистора и самого транзистора.

В основном токоограничительный резистор высчитывают по формулам или на практике.

Итак, сколько у нас потребляет транзистор в открытом состоянии?

P = IxU

0,7 В х 20 х 10^-3 А = 14 мВт.

А коммутирует нагрузку мощностью 13,5 х 115 х 10^-3 = 1,55 Вт

То есть 14 милиВатт управляют 1,55 Ваттами.  Это получилось почти в 110 раз больше.  В этом одна из фишек транзистора ;-)

Итак, когда на базе транзистора напряжение меньше, чем падение напряжения на P-N переходе (для кремниевых транзисторов оно 0,5-0,7 В)  или напряжения нету вообще, следовательно, транзистор заперт и находится в так называемом режиме отсечки.  Когда в базу подано напряжение больше падения напряжения на P-N переходе (переход база-эмиттер), транзистор открывается. Но открывается он по-особому...

Продолжение------->

<-------Предыдущая статья

Читайте также