Транзистором називається напівпровідниковий прилад, який може посилювати, перетворювати і генерувати електричні сигнали. Перший працездатний біполярний транзистор був винайдений в 1947 році. Матеріалом для його виготовлення служив германій. А вже в 1956 році на світ з'явився кремнієвий транзистор.

В біполярному транзисторі використовуються два типи носіїв заряду - електрони і дірки, через що такі транзистори і називаються біполярними. Крім біполярних існують уніполярні (польові) транзистори, у яких використовується лише один тип носіїв - електрони або дірки. У цій статті будуть розглянуті біполярні транзистори .

Довгий час транзистори в основному були германієвими, і мали структуру pnp, що пояснювалося можливостями технологій того часу. Але параметри германієвих транзисторів були нестабільні, їх найбільшим недоліком слід вважати низьку робочу температуру, - не більше 60..70 градусів Цельсія. При більш високих температурах транзистори ставали некерованими, а потім і зовсім виходили з ладу.

Згодом кремнієві транзистори почали витісняти германієвих побратимів. В даний час в основному вони, кремнієві, і застосовуються, і в цьому немає нічого дивного. Адже кремнієві транзистори і діоди (практично всі типи) зберігають працездатність до 150 ... 170 градусів. Кремнієві транзистори також є «начинкою» усіх інтегральних мікросхем.

Транзистори по праву вважаються одним з великих відкриттів людства. Прийшовши на зміну електронним лампам, вони не просто замінили їх, а зробили переворот в електроніці, здивували і вразили світ. Якби не було транзисторів, то багато сучасні прилади і пристрої, такі звичні і близькі, просто не з'явилися на світло: уявіть собі, наприклад, мобільний телефон на електронних лампах! Детальніше про історію транзисторів дивіться тут .

Більшість кремнієвих транзисторів мають структуру npn, що також пояснюється технологією виробництва, хоча існують і кремнієві транзистори типу pnp, але їх дещо менше, ніж структури npn. Такі транзистори використовуються в складі комплементарних пар (транзистори різної провідності з однаковими електричними параметрами). Наприклад, КТ315 і КТ361, КТ815 і КТ814, а в вихідних каскадах транзисторних УМЗЧ КТ819 і КТ818. В імпортних підсилювачах дуже часто застосовується потужна комплементарная пара 2SA1943 і 2SC5200.

Часто транзистори структури pnp називають транзисторами прямий провідності, а структури npn зворотного. У літературі таку назву чомусь майже не зустрічається, а ось в колі радіоінженерів і радіоаматорів використовується повсюдно, всім відразу зрозуміло, про що йде мова. На малюнку 1 показано схематичне пристрій транзисторів і їх умовні графічні позначення.

Малюнок 1.

Крім відмінності за типом провідності і матеріалу, біполярні транзистори класифікуються за потужністю і робочій частоті. Якщо потужність розсіювання на транзисторі не перевищує 0,3 Вт, такий транзистор вважається малопотужним. При потужності 0,3 ... 3 Вт транзистор називають транзистором середньої потужності, а при потужності понад 3 Вт потужність вважається великою. Сучасні транзистори в стані розсіювати потужність в кілька десятків і навіть сотень ват.

Транзистори підсилюють електричні сигнали не однаково добре: зі збільшенням частоти посилення транзисторного каскаду падає, і на певній частоті припиняється зовсім. Тому для роботи в широкому діапазоні частот транзистори випускаються з різними частотними властивостями.

За робочій частоті транзистори діляться на низькочастотні, - робоча частота не більше 3 МГц, середньочастотні - 3 ... 30 МГц, високочастотні - понад 30 МГц. Якщо ж робоча частота перевищує 300 МГц, то це вже надвисокочастотні транзистори.

Взагалі, в серйозних товстих довідниках наводиться понад 100 різних параметрів транзисторів, що також говорить про величезний числі моделей. А кількість сучасних транзисторів таке, що в повному обсязі їх вже неможливо помістити ні в один довідник. І модельний ряд постійно збільшується, дозволяючи вирішувати практично всі завдання, поставлені розробниками.

Існує безліч транзисторних схем (досить згадати кількість хоча б побутової апаратури) для посилення і перетворення електричних сигналів, але, при всій різноманітності, схеми ці складаються з окремих каскадів, основою яких служать транзистори. Для досягнення необхідного посилення сигналу, доводиться використовувати кілька каскадів посилення, включених послідовно. Щоб зрозуміти, як працюють підсилювальні каскади, треба більш детально познайомитися зі схемами включення транзисторів.

Сам по собі транзистор посилити нічого не зможе. Його підсилювальні властивості полягають в тому, що малі зміни вхідного сигналу (струму або напруги) призводять до значних змін напруги або струму на виході каскаду за рахунок витрачання енергії від зовнішнього джерела. Саме це властивість широко використовується в аналогових схемах, - підсилювачі, телебачення, радіо, зв'язок і т.д.

Для спрощення викладу тут будуть розглядатися схеми на транзисторах структури npn. Все що буде сказано про ці транзисторах, в рівній мірі відноситься і до транзисторів pnp. Досить тільки поміняти полярність джерел живлення, електролітичних конденсаторів і діодів , Якщо такі є, щоб отримати працюючу схему.

Схеми включення транзисторів

Всього таких схем застосовується три: схема з загальним емітером (ОЕ), схема із загальним колектором (ОК) і схема із загальною базою (ПРО). Всі ці схеми показані на малюнку 2.

Малюнок 2.

Але перш, ніж перейти до розгляду цих схем, слід познайомитися з тим, як працює транзистор в ключовому режимі. Це знайомство повинно спростити розуміння роботи транзистора в режимі посилення. У відомому сенсі ключову схему можна розглядати як різновид схеми з ОЕ.

Робота транзистора в ключовому режимі

Перш, ніж вивчати роботу транзистора в режимі посилення сигналу, варто згадати, що транзистори часто використовуються в ключовому режимі.

Такий режим роботи транзистора розглядався вже давно. У серпневому номері журналу «Радіо" 1959 року було опубліковано статтю Г. Лаврова «Напівпровідниковий тріод в режимі ключа». Автор статті пропонував регулювати частоту обертання колекторного двигуна зміною тривалості імпульсів в обмотці управління (ОУ). Тепер подібний спосіб регулювання називається ШІМ і застосовується досить часто. Схема з журналу того часу показана на малюнку 3.

Малюнок 3.

Але ключовий режим використовується не тільки в системах ШІМ. Часто транзистор просто щось вмикає і вимикає.

У цьому випадку в якості навантаження можна використовувати реле: подали вхідний сигнал - реле включилося, немає - сигналу реле вимкнулося. Замість реле в ключовому режимі часто використовуються лампочки. Зазвичай це робиться для індикації: лампочка або світить, або погашена. Схема такого ключового каскаду показана на малюнку 4. Ключові каскади також застосовуються для роботи зі світлодіодами або з оптронами.

Малюнок 4.

На малюнку каскад управляється звичайним контактом, хоча замість нього може бути цифрова мікросхема або мікроконтролер . Лампочка автомобільна, така застосовується для підсвічування приладової дошки в «Жигулях». Слід звернути увагу на той факт, що для управління використовується напруга 5В, а коммутируемое коллекторное напруга 12В.

Нічого дивного в цьому немає, оскільки напруги в даній схемі ніякої ролі не грають, значення мають лише струми. Тому лампочка може бути хоч на 220В, якщо транзистор призначений для роботи на таких напружених. Напруга колекторного джерела також має відповідати робочій напрузі навантаження. За допомогою подібних каскадів виконується підключення навантаження до цифрових мікросхем або мікроконтролерів.

У цій схемі струм бази управляє струмом колектора, який, за рахунок енергії джерела живлення, більше в кілька десятків, а то і сотень разів (залежить від колекторної навантаження), ніж струм бази. Неважко помітити, що відбувається посилення по току. При роботі транзистора в ключовому режимі зазвичай для розрахунку каскаду користуються величиною, званої в довідниках «коефіцієнт посилення по току в режимі великого сигналу», - в довідниках позначається буквою β. Це є ставлення струму колектора, який визначається навантаженням, до мінімально можливого струму бази. У вигляді математичної формули це виглядає ось так: β = Ік / Іб.

Для більшості сучасних транзисторів коефіцієнт β досить великий, як правило, від 50 і вище, тому при розрахунку ключового каскаду його можна прийняти рівним всього 10. Навіть, якщо струм бази і вийде більше розрахункового, то транзистор від цього сильніше не відчиняться, на те він і ключовий режим.

Щоб запалити лампочку, показану на малюнку 3, Іб = Ік / β = 100мА / 10 = 10мА, це як мінімум. При керуючому напрузі 5В на базовому резисторі Rб за вирахуванням падіння напруги на ділянці Б-Е залишиться 5В - 0,6 = 4,4В. Опір базового резистора вийде: 4,4В / 10мА = 440 Ом. З стандартного ряду вибирається резистор з опором 430 Ом. Напруга 0,6 В цю напругу на переході Б-Е, і при розрахунках про нього не слід забувати!

Для того, щоб база транзистора при розмиканні керуючого контакту не залишилася «висіти в повітрі», перехід Б-Е зазвичай шунтируется резистором Rбе, який надійно закриває транзистор. Про це резистори не слід забувати, хоча в деяких схемах його чомусь немає, що може привести до помилкового спрацьовування каскаду від перешкод. Власне, все про цей резистор знали, але чомусь забули, і зайвий раз наступили на «граблі».

Номінал цього резистора повинен бути таким, щоб при розмиканні контакту напруга на базі не виявилося б менше 0,6, інакше каскад буде некерованим, як ніби ділянку Б-Е просто замкнули накоротко. Практично резистор Rбе ставлять номіналом приблизно в десять разів більше, ніж Rб. Але навіть якщо номінал Rб складе 10КОм, схема буде працювати досить надійно: потенціали бази і емітера дорівнюватимуть, що призведе до закривання транзистора.

Такий ключовий каскад, якщо він справний, може включити лампочку в повний накал, або вимкнути зовсім. У цьому випадку транзистор може бути повністю відкритий (стан насичення) або повністю закритий (стан відсічення). Тут же, сам собою, напрошується висновок, що між цими «граничними» станами існує таке, коли лампочка світить вполнакала. У цьому випадку транзистор наполовину відкритий або наполовину закритий? Це як в завданні про наповнення склянки: оптиміст бачить склянку, наполовину налитий, в той час, як песиміст вважає його наполовину порожнім. Такий режим роботи транзистора називається підсилювальним або лінійним.

Робота транзистора в режимі посилення сигналу

Практично вся сучасна електронна апаратура складається з мікросхем, в яких «заховані» транзистори. Досить просто підібрати режим роботи операційного підсилювача, щоб отримати необхідний коефіцієнт посилення або смугу пропускання. Але, незважаючи на це, досить часто застосовуються каскади на дискретних ( «розсипних») транзисторах, і тому розуміння роботи підсилювального каскаду просто необхідно.

Найпоширенішим включенням транзистора в порівнянні з ОК і ПРО є схема із загальним емітером (ОЕ). Причина такої поширеності, перш за все, високий коефіцієнт посилення по напрузі і по струму. Найбільш високий коефіцієнт посилення каскаду ОЕ забезпечується коли на колекторної навантаженні падає половина напруги джерела живлення Eпіт / 2. Відповідно, друга половина падає на ділянці К-Е транзистора. Це досягається налаштуванням каскаду, про що буде розказано трохи нижче. Такий режим посилення називається класом А.

При включенні транзистора з ОЕ вихідний сигнал на колекторі перебуває в протифазі з вхідним. Як недоліки можна відзначити те, що вхідний опір ОЕ невелика (не більше декількох сотень Ом), а вихідний в межах десятків КОм.

Якщо в ключовому режимі транзистор характеризується коефіцієнтом посилення по току в режимі великого сигналу β, то в режимі посилення використовується «коефіцієнт посилення по току в режимі малого сигналу», що позначається, в довідниках h21е. Таке позначення прийшло з уявлення транзистора у вигляді чотириполюсника. Буква «е» говорить про те, що вимірювання проводилися при включенні транзистора із загальним емітером.

Коефіцієнт h21е, як правило, трохи більше, ніж β, хоча при розрахунках в першому наближенні можна користуватися і їм. Все одно розкид параметрів β і h21е настільки великий навіть для одного типу транзистора, що розрахунки виходять лише приблизними. Після таких розрахунків, як правило, потрібно налаштування схеми.

Коефіцієнт посилення транзистора залежить від товщини бази, тому змінити його не можна. Звідси і великий розкид коефіцієнта посилення у транзисторів взятих навіть з однієї коробки (читай однієї партії). Для малопотужних транзисторів цей коефіцієнт коливається в межах 100 ... 1000, а у потужних 5 ... 200. Чим тонше база, тим вище коефіцієнт.

Найпростіша схема включення транзистора ОЕ показана на малюнку 5. Це просто невеличкий шматочок з малюнка 2, показаного в другій частині статті. Така схема називається схемою з фіксованим струмом бази.

Малюнок 5.

Схема виключно проста. Вхідний сигнал подається в базу транзистора через розділовий конденсатор C1, і, будучи посиленим, знімається з колектора транзистора через конденсатор C2. Призначення конденсаторів, - захистити вхідні кола від постійної складової вхідного сигналу (досить згадати вугільний або електретний мікрофон) і забезпечити необхідну смугу пропускання каскаду.

Резистор R2 є колекторної навантаженням каскаду, а R1 подає постійний зсув в базу. За допомогою цього резистора намагаються зробити так, щоб напруга на колекторі було б Eпіт / 2. Такий стан називають робочою точкою транзистора, в цьому випадку коефіцієнт підсилення каскаду максимальний.

Приблизно опір резистора R1 можна визначити за простою формулою R1 ≈ R2 * h21е / 1,5 ... 1,8. Коефіцієнт 1,5 ... 1,8 підставляється в залежності від напруги живлення: при низькій напрузі (не більше 9В) значення коефіцієнта не більше 1,5, а починаючи з 50В, наближається до 1,8 ... 2,0. Але, дійсно, формула настільки приблизна, що резистор R1 найчастіше доводиться підбирати, інакше необхідна величина Eпіт / 2 на колекторі отримана не буде.

Колекторний резистор R2 задається як умову задачі, оскільки від його величини залежить колекторний струм і посилення каскаду в цілому: чим більше опір резистора R2, тим вище посилення. Але з цим резистором треба бути обережним, колекторний струм повинен бути менше гранично допустимого для даного типу транзистора.

Схема дуже проста, але ця простота надає їй і негативні властивості, і за цю простоту доводиться розплачуватися. По - перше посилення каскаду залежить від конкретного екземпляра транзистора: замінив транзистор при ремонті, - підбирай заново зміщення, виводь на робочу точку.

По-друге, від температури навколишнього середовища, - з підвищенням температури зростає зворотний струм колектора Iко, що призводить до збільшення струму колектора. І де ж тоді половина напруги живлення на колекторі Eпіт / 2, та сама робоча точка? В результаті транзистор гріється ще сильніше, після чого виходить з ладу. Щоб позбутися від цієї залежності, або, по крайней мере, звести її до мінімуму, в транзисторний каскад вводять додаткові елементи негативного зворотного зв'язку - ООС.

На малюнку 6 показана схема з фіксованою напругою зміщення.

Малюнок 6.

Здавалося б, що дільник напруги R б-к, Rб-е забезпечить необхідну початковий зсув каскаду, але насправді такого каскаду притаманні всі недоліки схеми з фіксованим струмом. Таким чином, наведена схема є всього лише різновидом схеми з фіксованим струмом, показаної на малюнку 5.

Схеми з термостабилизацией

Дещо краще йде справа в разі застосування схем, показаних на малюнку 7.

Малюнок 7.

У схемі з колекторної стабілізацією резистор зміщення R1 підключений не до джерела живлення, а до колектора транзистора. В цьому випадку, якщо при збільшенні температури відбувається збільшення зворотного струму, транзистор відкривається сильніше, напруга на колекторі зменшується. Це зменшення призводить до зменшення напруги зсуву, що подається на базу через R1. Транзистор починає закриватися, колекторний струм зменшується до прийнятної величини, положення робочої точки відновлюється.

Цілком очевидно, что така міра стабілізації виробляти до Деяк зниженя Посилення каскаду, но Це не біда. Відсутня Посилення, як правило, додаються нарощування кількості каскадів. Зате подібна ООС дозволяє значно розширити діапазон робочих температур каскаду.

Кілька складніше схемотехніка каскаду з емітерний стабілізацією. Підсилювальні властивості подібних каскадів залишаються незмінними в ще більш широкому діапазоні температур, ніж у схеми з колекторної стабілізацією. І ще одна незаперечна перевага, - при заміні транзистора не доводиться заново підбирати режими роботи каскаду.

Емітерний резистор R4, забезпечуючи температурну стабілізацію, також знижує посилення каскаду. Це для постійного струму. Для того, щоб виключити вплив резистора R4 на посилення змінного струму, резистор R4 шунтований конденсатором Cе, який для змінного струму являє незначний опір. Його величина визначається діапазоном частот підсилювача. Якщо ці частоти лежать в звуковому діапазоні, то ємність конденсатора може бути від одиниць до десятків і навіть сотень микрофарад. Для радіочастот це вже соті або тисячні частки, але в деяких випадках схема прекрасно працює і без цього конденсатора.

Для того, щоб краще зрозуміти, як працює емітерна стабілізація, треба розглянути схему включення транзистора із загальним колектором ОК.

Схема із загальним колектором (ОК) Показана на малюнку 8. Ця схема є шматочком малюнка 2, з другої частини статті, де показані всі три схеми включення транзисторів.

Малюнок 8.

Навантаженням каскаду є емітерний резистор R2, вхідний сигнал подається через конденсатор C1, а вихідний знімається через конденсатор C2. Ось тут можна запитати, чому ж ця схема називається ОК? Адже, якщо згадати схему ОЕ, то там явно видно, що емітер з'єднаний із загальним проводом схеми, щодо якого подається вхідний і знімається вихідний сигнал.

У схемі ж ОК колектор просто з'єднаний з джерелом живлення, і на перший погляд здається, що до вхідного і вихідного сигналу відношення не має. Але насправді джерело ЕРС (батарея харчування) має дуже маленьке внутрішній опір, для сигналу це практично одна точка, один і той же контакт.

Більш докладно роботу схеми ОК можна розглянути на малюнку 9.

Малюнок 9.

Відомо, що для кремнієвих транзисторів напруга переходу б-е знаходиться в межах 0,5 ... 0,7 В, тому можна прийняти його в середньому 0,6, якщо не задаватися метою проводити розрахунки з точністю до десятих часток відсотка. Тому, як видно на малюнку 9, вихідна напруга завжди буде менше вхідного на величину Uб-е, а саме на ті самі 0,6. На відміну від схеми ОЕ ця схема не інвертує вхідний сигнал, вона просто повторює його, та ще й знижує на 0,6. Таку схему ще називають емітерний повторювачем. Навіщо ж така схема потрібна, в чому її користь?

Схема ОК підсилює сигнал по струму в h21е раз, що говорить про те, що вхідний опір схеми в h21е разів більше, ніж опір в ланцюзі емітера. Іншими словами можна не побоюючись спалити транзистор подавати безпосередньо на базу (без обмежувального резистора) напруга. Просто взяти висновок бази і з'єднати його з шиною харчування + U.

Високий вхідний опір дозволяє підключати джерело вхідного сигналу з високим опором (комплексне опір), наприклад, п'єзоелектричний звукознімач. Якщо такий звукознімач підключити до каскаду за схемою ОЕ, то низький вхідний опір цього каскаду просто «посадить» сигнал звукознімача, - «радіо грати не буде».

Відмінною особливістю схеми ОК є те, що її колекторний струм Ік залежить тільки від опору навантаження і напруги джерела вхідного сигналу. При цьому параметри транзистора тут взагалі ніякої ролі не грають. Про такі схеми говорять, що вони охоплені стовідсоткової зворотним зв'язком по напрузі.

Як показано на малюнку 9 ток в емітерний навантаженні (він же струм емітера) Iн = Ік + Іб. Беручи до уваги, що струм бази Іб мізерно малий у порівнянні з струмом колектора Ік, можна вважати, що струм навантаження дорівнює току колектора Iн = Ік. Струм в навантаженні буде (Uвх - Uбе) / Rн. При цьому будемо вважати, що Uбе відомий і завжди дорівнює 0,6.

Звідси випливає, що струм колектора Ік = (Uвх - Uбе) / Rн залежить лише від вхідної напруги і опору навантаження. Опір навантаження можна змінювати в широких межах, правда, при цьому особливо старатися не треба. Адже якщо замість Rн поставити цвях - сотку, то ніякої транзистор не витримає!

Схема ОК дозволяє досить легко виміряти статичний коефіцієнт передачі струму h21е. Як це зробити, показано на малюнку 10.

Малюнок 10.

Спочатку слід виміряти струм навантаження, як показано на малюнку 10а. При цьому базу транзистора нікуди підключати не треба, як показано на малюнку. Після цього вимірюється струм бази відповідно до малюнком 10б. Вимірювання повинні в обох випадках здійснюється в одних величинах: або в амперах, або в міліампер. Напруга джерела живлення і навантаження повинні залишатися незмінними при обох вимірах. Щоб дізнатися статичний коефіцієнт передачі струму досить струм навантаження розділити на ток бази: h21е ≈ Iн / Іб.

Слід зазначити, що при збільшенні струму навантаження h21е дещо зменшується, а при збільшенні напруги живлення збільшується. Емітерний повторювачі часто будуються за схемою двотактної із застосуванням комплементарних пар транзисторів, що дозволяє збільшити вихідну потужність пристрою. Такий емітерний повторювач показаний на малюнку 11.

Малюнок 11.

Малюнок 12.

Включення транзисторів по схемі із загальною базою ПРО

Така схема дає лише посилення по напрузі, але володіє кращими частотними властивостями в порівнянні зі схемою ОЕ: ті ж транзистори можуть працювати на більш високих частотах. Основне застосування схеми ПРО це антенні підсилювачі діапазонів ДМВ. Схема антенного підсилювача показана на малюнку 12.