Биполярный транзистор — схема, характеристики, режим работы

Об изобретении биполярного транзистора было объявлено коллективом ученых, состоящим из У. Шокли, Д. Бардина и У. Браттейна, в декабре 1947 года. Важное открытие в области электронной физики революционным образом повлияло на развитие отрасли и отказ от громоздких ламповых деталей, бывших частью любого радиоприемника. Без создания этой компактной полупроводниковой детали, мир не смог бы пользоваться всем разнообразием компьютерной техники и мобильными устройствами.

Содержание

Понятие биполярного транзистора

В названии транзистора присутствует соединение двух английских слов, означающих «перенесение сопротивления», а на деле компонент радиоэлектроники предназначен для усиления слабых электрических сигналов.

Он состоит из полупроводников 2-х типов, обозначенных буквами Р и N. Сами по себе эти элементы, полученные при соединении кремния с мышьяком и индием, не выполняют никакой полезной работы. Только их соединение создает необходимый переход PN, способный осуществлять одностороннюю проводимость тока в электронной аппаратуре.

Детали с подобным односторонним принципом передачи напряжения называются диодами. Добавив к схеме диода еще один полупроводник, слева или справа, можно получить биполярный транзистор с прямой проводимостью – PNP, или обратной – NPN.

Биполярный транзистор

Основным назначением биполярных транзисторов является усиление электронных сигналов, при прохождении через полупроводники.

Насколько может быть большой разница между входным и выходным сигналами, можно судить по техническим характеристикам мощности деталей.

Характеристики

В транзисторных структурах, напоминающих 2 объединенных диода, существует различие в полярности источников энергии, которые обозначаются P-N-P или N-P-N.

Более востребованными в современной электронике являются транзисторы со структурой N-P-N, состоящие из перехода «эмиттер-база-коллектор».

Входную характеристику элемента показывает зависимость тока от напряжения в переходе с базы на эмиттер. При этом, коллектор должен оставаться при фиксированной величине напряжения.

В маломощных транзисторах коллектор накапливает ток в количестве от 0,5 миллиампер до нескольких десятков единиц. Если эти показания намного больше, то биполярный транзистор можно отнести к разряду мощных элементов системы.

Схема

В соединенном триодном транзисторном полупроводнике типа N-P-N используется принцип обратной проводимости. Он состоит из трех основных составляющих элементов:

источника электрического импульса, называемого эмиттером – N;
основы под наименованием базы, которая обозначена буквой Р;
накопительного коллектора, в котором происходит усиление сигнала – N.

В детали каждый из 3-х элементов имеет отдельные выводы, обозначенные разными цветами проволоки, что облегчает процесс правильного подключения детали к работающей схеме.

В технической документации для подключения биполярных транзисторов указано, что эмиттер обозначается черным цветом, коллектор красным, а база – оранжевым.

Принцип работы

В биполярном транзисторе со структурным строением N-P-N сила большого тока в коллекторе измеряется в миллиамперах, но при этом управляется малым током, поступающим с базы, который выражается в микроамперах. При этом мощный выходной сигнал представляет собой копию слабого входного импульса, но с увеличенной мощностью.

На графике процесс усиления тока представляет собой ровную линию, с одинаковым соотношением напряжений в коллекторе и базе.

Коэффициент мощности биполярного транзистора можно выяснить по формуле:

h21э = Iк/Iб

В зависимости от типовой характеристики транзисторных деталей, их коэффициенты усиления тока могут находиться в диапазоне от нескольких единиц, до значений, измеряемых сотнями.

Для измерения мощности транзистора в лабораторных или домашних условиях можно воспользоваться прибором мультиметром или вычислить ее с помощью показаний амперметра.

Режимы работы

Для решения конкретных задач в электронных схемах иногда появляется необходимость, при неизменной силе тока, усилить амплитуду напряжения или увеличить оба этих показателя одновременно.

Таким образом, для электроники важным является не увеличение мощности сигнала само по себе, а правильное усиление его, без потери первоначального вида.

Копия электрического импульса должна выйти из коллекторного накопителя пропорционально усиленной по амплитуде, чтобы сохранилась частота сигнала, и он не превратился во что-нибудь совершенно неузнаваемое.

Режимы работы зависят в основном, от изменения напряжения, поступающего на базу и влияющего на переход с нее на эмиттер. Из-за перемены в показаниях силы тока меняется соответственно сопротивление в связи эмиттера и коллектора.

Отсечка

Если на переходе база-эмиттер отсутствует напряжение смещения в количестве 0,6-0,7 Вольт – это означает закрытое состояние транзистора и возникновение большого сопротивления на участке эмиттер-коллектор.

Активный

При активном режиме показатель напряжения увеличивается больше показателей в 0,6-0,7 Вольт, но одновременно появляется возможность воздействия на сопротивление, с целью его регулирования.

Происходит пропорциональное усиление сигнала между переходом база-эмиттер и соединением коллектор-эмиттер.

Насыщение

При полностью открытом транзисторе возникает изменение режима смещения на участке база-эмиттер в сторону увеличения, а сопротивление, которое должно быть на переходе эмитер-коллектор становится нулевым.

При таком состоянии ослабленного диффузного энергетического поля, через открытый с обеих сторон транзистор могут двигаться токи насыщения, как коллектора, так и эмиттера.

Барьерный

Для создания хорошей развязки по высоким частотам в схемах иногда применяют систему каскада, с помощью включения задающего ток резистора.

При таком режиме, база коротко соединяется с коллектором с использованием небольшого резистора, а в эмиттерную цепь подключается еще один резисторный источник питания.

Такие схемы отличаются большим сопротивлением к рабочим перепадам температур и малой чувствительностью к физическим параметрам самих транзисторов.

Расчет биполярного транзистора

Полупроводниковый триодный элемент включается в электронные схемы многих приборов по одному из 3-х принципов: с общим эмиттером, базой или коллектором.

Технические параметры транзисторов находятся в прямой зависимости от способа подключения их к схеме.

Чаще всего применяется включение биполярного транзистора через общий эмиттер, что позволяет максимально увеличивать показания входного сигнала.

В буферных усилительных приборах используется вид подключения транзисторов по общему коллектору.

Для сверхчувствительных приборов, где необходимо усиление напряжения, без влияния на высокочастотные сигналы, используют схему с общей базой.

Главным преимуществом биполярных транзисторов является их миниатюрный размер, что позволяет электронной промышленности выпускать приборы со все меньшими габаритными размерами. Многие из мобильных радиотехнических устройств могут легко помещаться в небольшую сумочку или карман на одежде.