Биполярный транзистор

Устройство, назначение, принцип работы, как проверить

В этой статье мы с Вами ознакомимся с еще одним основным радиоэлементом- транзистором.
Вообще транзисторы, как и многие другие радиоэлементы, имеют множество разновидностей (мы про них поговорим более подробно в других статьях), здесь же мы рассмотрим «основу-основ»- биполярный транзистор.

Вынужден сразу оговориться что само выражение биполярный транзистор в обиходе обычно никогда не применяется- просто говорят транзистор и все.
Интересный и сейчас уже позабытый факт
Создание транзисторов позволило начать миниатюризацию аппаратуры- по сравнению с лампами, они и по размеру и по питанию гораздо меньше, и благодаря именно транзисторам на свет появились первые переносные радиоприемники.
На этих первых носимых радиоприемниках всегда красовалась надпись «транзисторный» или просто «транзистор». Население, конечно-же, совершенно не понимало о чем идет речь, но название прижилось надолго…
В результате вышло так, что словом транзистор, люди называли переносной радиоприемник…

Впрочем, мы немного отвлеклись… Давайте будем разбираться во всех подробностях что это за зверь такой- транзистор, как устроен, как работает и как его проверять. Итак, поехали…

Устройство транзистора

Транзистор- это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей- PNP или NPN

Для увеличения картинок- кликайте по ним

Каждая из этих областей имеет свой вывод и называются они БАЗА. КОЛЛЕКТОР, ЭМИТТЕР. (Дальше, для простоты, мы их будем обозначать Б, Э, К)

То есть если вспомнить другой, уже известный нам, радиоэлемент- Полупроводниковый диод, получается что транзистор по структуре- это два встречно включенных диода

На первый взгляд вся эта конструкция не может работать- получается что ток здесь может проходить только лишь из крайних областей в центральную и никуда дальше…
Будь это просто два диода, то в общем-то так оно и было-бы, однако здесь все намного хитрее- ведь все эти разнополярные полупроводниковые области конструктивно выполнены так, что они очень тесно взаимосвязаны и представляют собою единое целое…

Как работает транзистор

Чтобы понять как работает транзистор, давайте подключим его к источникам напряжения, как показано на рисунке.

Самое главное правило- напряжение источника Бат1 обязательно должно быть больше, чем Бат2

Переход БЭ у нас в данном случае будет включен как самый обыкновенный диод и в нем возникнет прямой ток.
Если-бы Коллекторный и Эмиттерный переходы были изолированы друг от друга, то на этом все-бы и закончилось, однако транзистор выполнен так, что N-зона в нем является общей для двух P-областей, и в ней возникает свойство диффузии.

Что такое диффузия? Простой пример- если в стакан чистой воды попадает одна капля чернил, то вся вода быстро окрашивается.

Если рассматривать это явление с молекулярной точки зрения- то в N-области появляется большое количество положительных частиц, которые поступают из Эмиттера, и они за (счет диффузии) быстро заполняют всю N-область транзистора (БАЗУ).
Так как на Коллекторе присутствует большой отрицательный заряд, то эти положительные частицы из Базовой области будут быстро «захватываться» Коллекторной зоной, открывая коллекторный переход и в нем возникнет ток.

В результате что у нас получается: чем мы больше будем увеличивать ток базы, тем больше в базовой области будет свободных положительных частиц. А чем больше положительных частиц в Базе, тем больше Коллекторный ток.
Таким образом мы получаем возможность при помощи малого базового тока управлять более мощным коллекторным током, следовательно главная особенность транзистора- это усиление.

От теории- к практике!

Чтобы понять как при помощи транзистора можно управлять токами и усиливать сигналы, давайте рассмотрим несколько практических примеров:

Возьмем 3-х Вольтовую электролампочку и подключим ее к батарейке на 1,5 Вольта. Напряжение на лампочке будет мало и она светиться практически не будет.

Теперь возьмем туже самую лампочку и подключим ее к источнику в 4,5 Вольта, но не напрямую, а через транзистор

Отрицательный заряд на Базе откроет коллекторный переход и через лампочку пойдет ток уже из источника в 4,5 Вольта, следовательно светить она будет уже ярче.
Из данного эксперимента выходит что при помощи мы при помощи транзистора смогли слабеньким 1,5-вольтовым источником управлять относительно мощной нагрузкой в виде лампочки, работающей от более мощного источника в 4,5 Вольта.
Обратите внимание- у нас в базой цепи появился дополнительный элемент- ограничительный резистор. Он необходим здесь для того, чтобы создать нагрузку в переходе БЭ- ведь в ней возникает прямой ток, а его ведь тоже нужно куда-то «пристроить»…

Экспериментируем дальше: что будет если на базе изменить полярность источника тока? Давайте попробуем подключить Базу нашего транзистора напрямую к «плюсу» источника.

В этом случае базовый переход у нас закроется, коллекторный переход также будет закрыт и лампочка светить не будет.

Следующий эксперимент: что будет если создать возможность изменять базовый ток в прямом включении? Добавим в базовую цепь еще один элемент- переменный резистор, включенный по схеме потенциометра

В данном случае мы можем управлять количеством отрицательных зарядов в базовой зоне, регулируя тем самым ток коллектора.

А теперь самое интересное- как транзистор усиливает сигналы?
Проведем самый простой эксперимент- включим в базовую цепь микрофон, а нагрузкой транзистора будет служить динамик.

По своей сути- микрофон это тот же самый переменный резистор в базовой цепи, только он свое сопротивление меняет в зависимости от поступающего на него звукового сигнала. За счет изменения сопротивления микрофона, в базовом переходе будет изменяться ток, а следовательно будет меняться и ток коллектора. Таким образом получится что сигнал в коллекторе будет повторять форму сигнала в базовой цепи, но уже с более мощной амплитудой.

Два очень важных примечания

Первое: схема применения микрофона на вышеупомянутой картинке очень упрощенна- чтобы эта схема заработала в реальности, на базу все-же необходимо подать какое-то небольшое отрицательное напряжение, взяв его, к примеру, с того-же источника. Это напряжение необходимо для того чтобы немного приоткрыть транзистор на малый токах, и называется оно напряжение смещения.
Второе: на указанном промере рассмотрен транзистор структуры PNP. Если речь идет NPN транзисторах- то необходимо будет поменять полярность источника тока

Таким образом из всего вышесказанного и проэкспериментированного, мы можем сделать несколько очень важных выводов:

1. Транзистор будет работать лишь при условии когда потенциал источника напряжения в коллекторе выше чем потенциал источника в эмиттере.
2. Открывается транзистор той полярностью напряжения, какую область имеет Базовая зона- то есть PNP транзисторы открываются «минусом», а PNP транзисторы открываются «плюсом». Причем для того чтобы открыть транзистор, вовсе не обязательно иметь дополнительный источник- можно использовать и основной, просто для этого необходимо ограничить его до определенного уровня.
3. Основной ток в работающем транзисторе проходит через коллектор, следовательно именно к нему и предъявляются особые требования и он определяет основные параметры транзистора- напряжение, которое может пройти через коллекторный переход, и максимальный ток, который он способен выдержать.

Как обозначаются транзисторы на схемах

На схемах транзисторы обозначаются следующим образом:

 

Полярность (точнее структура) транзистора обозначается направлением стрелки Эмиттерного вывода.

Как выглядят транзисторы

Транзисторы могут выглядеть по разному- это зависит и от параметров транзисторов, и от их назначения.
Так, к примеру, выглядит очень распространенный советский маломощный NPN транзистор КТ315

А вот так уже более мощный (опять-же советский) NPN транзистор КТ815

Очень мощные транзисторы, как правило, выполняются в мощном корпусе (часто металлическом) и имеют возможность крепления к дополнительному теплоотводу. Вот, к примеру, мощный транзистор КТ827, применяемый во многих усилителях

Среди «импортных» вариантов более распространены корпуса типа TO-92 (пример-маломощный NPN транзистор 2SC1815)

Корпус TO-220 (пример- NPN транзистор средней мощности BUT11)

Корпус TO-3 (пример- мощный высоковольтный транзистор 2SD2499)

Существуют так-же и миниатюрные транзисторы (так называемые SMD), которые выглядят вот так:

Этот корпус имеет маркировку SOT-23

Маркировка транзисторов

С маркировкой транзисторов в мире творится небольшая путаница…
Дело в том что в разных странах существуют разные ГОСТы на маркировку транзисторов- так, к примеру в СССР все транзисторы имели название, начинающееся с букв КТ или ГТ (в зависимости от материала: К- кремниевый, Г- германиевый), далее шли цифры (3 или 4), назначение которых можно было узнать только лишь из справочников.

Ничуть не проще дела обстоят и с Европейскими производителями- так, к примеру транзисторы BC547 и BC557  производства Philips: и названия похожи, и выглядят одинаково, однако имеют разную проводимость.

Самый, пожалуй, удобный стандарт маркировки транзисторов- это Японский.
Тут все относительно понятно:
Сначала всегда идет цифра «2». Она обозначает что прибор имеет два PN-перехода.
Далее идет буква, обозначающая структуру:
A или B— означает что транзистор структуры PNP
C или D означает что транзистор структуры NPN

Причем эта-же буква означает и мощность транзистора. Для наглядности- пара примеров:
* 2SC1815— маломощный NPN
* 2SD1554— мощный NPN
* 2SA1015— маломощный PNP
* 2SB649— мощный PNP

Основные параметры транзисторов

К основным параметрам транзисторов можно отнести следующее:

1. Максимальный ток коллектора. В справочной документации обозначается Iк. Это максимальный ток, который может выдержать коллекторный переход в открытом состоянии.
2. Максимальное напряжение. В справочной документации обозначается Uк. Это максимальное напряжение, которое может выдержать коллектор в открытом состоянии.
3. Максимальная рассеиваемая мощность. В справочной документации обозначается Pк.
4. Коэффициент усиления. В справочной документации обозначается h21э. Способность усиливать сигналы при включении по схеме с общим эмиттером.

Как проверить транзистор

Самый простой способ проверить транзистор- при помощи мультиметра. Для этого просто достаточно вспомнить структуру транзистора (об этом было в начале статьи).
Транзистор имеет два PN-перехода, которые, по сути, представляют собою два полупроводниковых диода. Следовательно можно проверить каждый из этих переходов: переходы БЭ и БК будут проверяться как два самых простых диода (ток будет проходить лишь в одну сторону), а переход КЭ ток пропускать не будет (смотрим картинку)

Правда такой способ проверки транзистора, хоть и прост, но не во всех случаях эффективен- порою (хотя и редко) при сборке схем или ремонте различных устройств требуется уделять внимание и другим параметрам транзистора- например коэффициенту усиления, и для этого потребуются уже специализированные приборы…
Впрочем это не так уж и страшно- практически все современные мультиметры снабжены данной функцией:

Под занавес…

В данной статье мы с Вами рассмотрели во всех подробностях (и в максимально упрощенном виде) что такое транзистор и для чего он нужен, однако наш рассказ на этом не заканчивается- здесь шла речь только лишь о самом простом варианте транзисторов (так называемых биполярных), в реальности этот удивительный и очень полезный полупроводниковый прибор имеет массу различных разновидностей, но об этом рассказ пойдет уже в других статьях:
Полевые транзисторы— это разновидность транзисторов имеет совершенно другую структуру и проверяется совсем иначе
Разновидности транзисторов- многие биполярные транзисторы могут иметь узкоспециализированные функции