Фото макета для исследования свойств транзистора, автор - Аня Михайлова

Транзисторы - усилительные элементы. Они позволяют с помощью слабого управляющего сигнала контролировать бОльшие токи. Например, транзистор может управлять током через наушники используя в качестве входного сигнала микровольтовые колебания с антенны - так получается радиоприемник.

Мы в основном будем применять биполярные транзисторы, которые в качестве входного сигнала используют слабый ток. То есть их функция - Ток управляемый током (запомним это под аббревиатурой ТУТ). В конце мы упомянем и другие типы.

На рисунке (слева сверху) приведено схематическое изображение биполярного транзистора. Его основные выводы - эмиттер и коллектор. Они включаются в разрыв цепи, которой мы собираемся управлять - т.е. так чтобы регулируемый нами ток шел через коллектор-эмиттерный переход (толстая синяя стрелка).

В свободном состоянии транзистор закрыт и никакой ток через него не течет, т.е. Iк = 0. Однако стоит подать через база-эмиттерный переход слабенький токовый сигнал, в 100 или 1000 раз слабее (он обозначен тонкой стрелкой) как транзистор приоткроется и начнет пропускать ток от коллектора к эмиттеру. Величина, насколько открывается транзистор, примерно пропорциональна силе управляющего тока.

Еще одно свойство, необходимое для расчетов схем с транзисторами - падение напряжения на управляющем, база-эмиттерном переходе, постоянно и невелико. Фактически этот переход имеет свойства обычного диода, поэтому мы считаем что падение напряжения на нем примерно 0.7В независимо от величины управляющего тока.

Таким образом мы можем нарисовать "функциональное устройство" транзистора - см. рисунок слева снизу:

• база-эмиттерный переход это просто диод
• колектор-эмиттерный переход, это некая заслонка (которую как в трубе можно поворачивать пропуская больше или меньше тока);
• ток через база-эмиттерный диод вызывает приоткрывание коллектор-эмиттерной заслонки.

Итак, управляемый ток Iк пропорционален управляющему Iб. Коэффициент этой пропорциональности называется коэффициентом усиления транзистора и обозначается буквой "бета", либо h_fe, либо h₂₁. Запишем же основные соотношения:

Iк = beta * Iб
Uбэ = 0.7 В

Кроме этих формул важными параметрами транзистора являются

• максимальный коллекторный ток (больше которого транзистор может сгореть) - для наших транзисторов обычно 100 мА;
• максимальное напряжение (в закрытом состоянии) между коллектором и эмиттером (выше него транзистор пробьётся) - обычно 30-60 Вольт;
• максимальная рабочая частота (выше нее транзистор не успевает переключаться, т.е. на сверхвысокочастотные сигналы просто не реагирует) - обычно до 100 МГц.

Рассмотрим картинку справа на рисунке выше. Здесь показано как транзистор (согласно нашему описанию) включается в схеме:

• у нас есть основная цепь, состоящая из светодиода с токоограничивающим резистором (небольшого сопротивления 1 килоОм);
• эту цепь мы разрываем и вставляем в нее транзистор, как бы выключателем (светодиод, значит, не горит);
• однако мы с помощью резистора с большим сопротивлением (470 килоОм) подадим сла-а-абенький ток с плюса питания на базу;
• этого будет достаточно чтобы открыть транзистор - светодиод загорится.

Как рассчитать такую схему?

Допустим, напряжение питания 5 В. Сначала определим управляющий, база-эмиттерный ток. Мы видимо что между плюсом и минусом включен резистор R1 и собственно переход транзистора. На база-эмиттерном переходе пропадает только 0.7 В, значит все остальное падает на резисторе:

Iб  =  Ir1  =  Ur1 / R1  =  (Uпит - Uбэ) / R1  =  (5 - 0.7)  / 470  =  0.009 мА

Мы помним, что при делении Вольт на килоОмы получаются миллиАмперы. Итак, управляющий ток всего около 1 сотой миллиампера, даже меньше (9 микроАмпер). Пусть коэффициент усиления beta = 150. Найдем, насколько открывается транзистор:

Iк  =  beta * Iб  =  150 * 0.009  =  1.4 мА

Тока в полтора миллиампера вполне достаточен чтобы засветить светодиод.

Важно помнить - расчитанный нами ток - это лишь максимальный ток который транзистор "согласен" пропустить. Если внешняя цепь сделана так, что этот ток не достигается (например сопротивление R2 окажется велико, скажем, 10 кОм) то результирующий ток будет меньше. Транзистор как бы приоткрывает путь для тока, но не создает его на пустом месте :)

С разобранной нами схемой можно провести некоторые эксперименты:

1. Если последовательно с R1 подключить второй светодиод - он не будет светиться, ведь ток через него будет меньше 10 микроАмпер (при затемнении все же можно увидеть слабое свечение). Но транзистор по прежнему будет открыт и первый светодиод будет гореть. Если же теперь этот второй, не светящийся светодиод выдернуть - первый погаснет.

2. Если убрать или отключить от плюса R1 - светодиод погаснет. Но достаточно прикоснуться к нему или к базе транзистора пальцем - как светодиод опять загорится. Что происходит? Наше тело работает как антенна с конденсатором для всех незримо летающих радиоволн. Они создают небольшие быстро меняющиеся разности потенциалов между разными участками тела. Такой появляющийся и исчезающий потенциал (на уровне нескольких микроВольт) при прикосновении к базе будет создавать через нее слабый ток (тоже появляющийся и исчезающий с частотой в сотни килогерц и выше). Когда этот ток есть - транзистор будет открываться. Фактически, это демонстрация радиоприема или детектирования электромагнитных волн.

3. Если вместо R1 включить фотодиод (в обратном направлении) то он будет пропускать небольшой ток при освещении. Таким образом мы сможем включать светодиод светя на него фонариком, лампой или солнцем. Конечно, для управления освещением нам нужен обратный эффект - мы хотим чтобы светодиод включался когда темно... Ну это еще впереди!

Светодиоды показывают что в базовой и коллекторной цепи текут разные по величине токи, автор - Аня Михайлова

Биполярные транзисторы PNP-типа обладают всеми теми же свойствами, но обратной полярностью. На их изображении стрелка внутри транзистора указывает в середину а не к краю. Чтобы собрать схему на PNP-транзисторе, нам потребуется изменить полярность подключения питания, а также перевернуть все остальные полярные элементы (светодиоды например). PNP-транзисторы используются в основном тогда, когда схема требует двух транзисторов разной полярности. Обычно же мы предпочитаем NPN которые более распространены - из-за того что по некоторым таинственным причинам они примерно в 2 раза быстрее срабатывают.

Полевые транзисторы - это транзисторы в которых ток управляется не током, а напряжением. Одно из удобств - они почти не потребляют тока, то есть у них высокое входное сопротивление. Поэтому они широко распространены в составе микросхем (чипов). Однако в качестве дискретных компонент мы не будем их обычно использовать (поскольку ими несколько труднее управлять - и кроме того их схематическое изображение более сложно).