Для чего нужен транзистор в телевизоре

Транзисторы – это активные полупроводниковые приборы с несколькими электрическими переходами и тремя выводами, предназначенные для усиления сигнала и генерации колебаний. Транзисторы бывают разные, но можно выделить два основных класса: биполярные и полевые.

В биполярных транзисторах есть два p-n-перехода, через которые переносятся заряды двух полярностей – электроны (отрицательные) и дырки (положительные), поэтому их и называют «БИполярные». В полевых транзисторах физические процессы обусловлены движением зарядов одной полярности, их также называют «УНИполярными».

Это не все отличия транзисторов разных типов, поэтому давайте сначала поговорим о том, что такое биполярные транзисторы и как они работают.

Устройство и обозначение на схеме

Если вы читали статью о тиристорах, то помните, что их называют полууправляемыми ключами, потому что их можно открыть, но управлять моментом закрытия мы не можем (за исключением некоторых случаев). Транзистор же мы можем открывать и закрывать, когда это необходимо, поэтому их называют полностью управляемыми полупроводниковыми ключами.

Что надо знать о строчном транзисторе и почему нельзя верить тестеру

Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся областей полупроводника с разной проводимостью (p- и n-проводимости). Между областями с разной проводимостью образуются два p-n-перехода. По типу проводимости различают две структуры биполярных транзисторов:

1. С прямой проводимостью, обозначается как p-n-p.
2. С обратной проводимостью, обозначается как n-p-n .

Области называются эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). Между областями находятся p-n переходы — эмиттерный (1) и коллекторный (2).

Рисунок 1 — структура npn- и pnp-транзистора

Условное графическое обозначение биполярных транзисторов по ГОСТ 2.730-73 на схеме изображено на рисунке 2, но на схемах, изданных в разных странах, оно может несколько отличаться, например, обозначаться в окружности или могут немного отличаться стрелки. Но основной вид не изменяется — эмиттер всегда со стрелкой, коллектор без стрелки, база между ними.

Рисунок 2 — УГО биполярных транзисторов

Принцип работы

Предлагаю в этой статье не углубляться в теорию, структуру и физические процессы, протекающие в транзисторы. Ограничимся простой практической частью, если вы хотите узнать подробнее — напишите об этом в комментариях.

Итак, транзисторы позволяют управлять большими токами с помощью малых токов. У него есть три вывода — эмиттер, коллектор и база. База – это управляющий электрод, на неё подают управляющий ток, а эмиттер с коллектором включают в цепь, которой необходимо управлять. С помощью транзистора можно усиливать ток или напряжение, что используется как в силовых цепях, так и для согласования цепей с разными параметрами.

Но как усиливает транзистор? Сам по себе транзистор ничего усилить не может, все изменения токов и напряжений происходят с помощью дополнительного источника питания.

Это похоже на реле или контактор, где управляющее напряжение может быть подано через небольшую кнопку от одного источника питания или приходить от выхода контроллера, а силовые контакты будут включать многокиловаттную нагрузку, запитанную от другого источника питания. При этом силовая цепь и управления могут отличаться по напряжению в любую сторону.

У транзистора сила тока коллектора пропорционально зависит от силы тока базы. Величина, которая связывает ток коллектора и тока базы называют коэффициентом усиления по току и обозначается как H21Э или латинской буквой B, он равен отношению тока коллектора (Ik) к току базы (Iб):

Например, коэффициент усиления транзистора равен 100. То если приложить напряжение между коллектором и эмиттером, и подать ток на базу силой в 10 мА, то через коллектор будет протекать ток силой в 1А.

Представим другую ситуацию, мы знаем Н21э транзистора, он равен 40, и какой ток коллектора нам нужно получить, тогда нужно подать на базу ток:

Iб=Iк/H21Э=1/40=0.025 А = 25 мА.

И наоборот, при известном токе базы Iб = 100 мА и Н21э = 50, можно посчитать какой будет ток коллектора:

Токе, протекающем через транзистор состоит из трёх составляющих: ток базы (Iб), коллектора (Iк) и эмиттера (Iэ). Ток эмиттера складывается из тока базы и тока коллектора.

Рисунок 3 – токи в транзисторе

Для работы транзистора нужно выполнить 2 условия – приложить напряжение между коллектором и эмиттером (Uкэ) и обеспечить протекание тока базы, для этого прикладывают напряжение между базой и эмиттером (Uэб). Для иллюстрации в качестве примера ниже изображена схема включения транзистора с общим эмиттером.

Рисунок 4 — схема включения транзистора с общим эмиттером

Чтобы понять, как используют транзистор на практике, рассмотрим простейшую схему включения транзистора для управления нагрузкой, изображённую на рисунке 5. У нас есть источник питания GB с постоянным напряжением на выходе, транзистор VT1, резистор R1, задающий ток базы, выключатель SA1 и лампочка накаливания EL1 в качестве нагрузки.

При замыкании ключа SA1 от источника GB1 через резистор R1 потечёт ток базы Iб и откроет транзистор VT1. Лампа EL1 загорится, и яркость её свечения зависит от тока коллектора. Изменяя сопротивление R1, мы увеличиваем или уменьшаем ток базы, соответственно увеличивается или уменьшается ток коллектора.

Рисунок 5 — схема управления нагрузкой с помощью транзистора

Как отмечалось выше, ток базы будет в H21э раз меньше тока коллектора, то есть если коэффициент усиления тока у транзистора равен 20, то ток базы будет в 20 раз меньше тока коллектора. Максимальный ток коллектора будет ограничен сопротивлением спирали лампы EL1.

Если резистор R1 заменить потенциометром – получим возможность регулировки яркости лампы, такая схема называется линейным регулятором, а режим, в котором будет работать транзистор, активным. Таким образом, с помощью транзистора можно усиливать ток, а в качестве управляющего может использоваться любой сигнал, например, от датчика, или звуковой сигнал.

Рассмотрим еще один практический пример, допустим, вам нужно, чтобы микроконтроллер включал или выключал нагрузку с напряжением 220В, но максимальный ток выхода 20 мА, напряжение логической единицы 5 вольт. Вы решаете использовать малогабаритное реле для монтажа на печатную плату с катушкой на 5 вольт типа SRD-05VDC-SL-С, но у него ток катушки 71.4 мА. Выход микроконтроллера просто сгорит, если подключить обмотку этого реле напрямую.

Значит, нужно усилить ток, будем использовать для этого использовать транзистор, включённый по схеме похожей на рассмотренную на рисунке 5. Для этого подойдёт npn-транзистор типа 2N2222A, с такими характеристиками:

• Напряжение коллектор-эмиттер — не более 40 В;
• Напряжение коллектор-база — не более 75 В;
• Напряжение эмиттер-база — не более 6 В;
• Ток коллектора не более 0.8 А.

Или любой другой подобный маломощный.

Тогда схема примет несколько другой вид (рисунок 6). Ток выхода микроконтроллера будет около 15 мА, что вписывается в допустимые значения, ток коллектора будет ограничен током катушки реле. Диод VD1 называют обратным, он нужен для подавления импульсов ЭДС самоиндукции при закрытии транзистора и отключении катушки, используется также маломощный, например, 1N4118.

Рисунок 6 — пример использования транзистора для усиления тока выхода микроконтроллера

Примерно и подключены реле к управляющему элементу (микроконтроллеру или аналоговым схемам) в различной автоматике, типа реле времени, освещённости или импульсных реле для управления освещением.

Принцип действия и схемы включения pnp-транзисторов аналогичны, отличается лишь полярность напряжения на всех выводах.

Основные схемы включения транзисторов и режимы работы

Различают 3 основных схемы включения транзисторов:

1. С общим эмиттером.
2. С общим коллектором.
3. С общей базой.

Наиболее распространены первые два варианта, при них входная цепь эмиттер-база, а выходная – коллектор-эмиттер, соответственно входной ток – это ток базы, а выходной – коллекторный или эмиттерный ток. Схема с общим коллектором используется для усиления тока, на выходе сигнал (напряжение и ток в нагрузке Urэ) совпадает по фазе с сигналом управления. В схеме с общим эмиттером усиливается напряжение, а выходной сигнал (Uкэ) в противофазе со входным — выходное напряжение перевёрнуто относительно выходного, когда на входе высокое напряжение, на выходе оно близко к нулю.

Рисунок 7 — основные схемы включения транзисторов

Таблица 1 — расчетные соотношения и типовые величины коэффициентов усиления и сопротивлений различных схем включения биполярных транзисторов

В зависимости от задачи транзистор может работать в разных режимах:

1. Режим насыщения. В этом режиме транзистор находится в проводящем состоянии, он полностью открыт, оба pn-перехода смещены в прямом направлении. Напряжение на транзисторе крайне низкое (доли – единицы вольт), и всё напряжение падает на нагрузке.
2. Режим отсечки. В этом случае транзистор закрыт, ток через него не протекает, и оба перехода смещены в обратном направлении. В таком режиме через транзистор протекают только очень низкие обратные токи эмиттера (Iэбо) и коллектора (Iкбо).
3. Активный режим. В этом случае транзистор проводит ток, но открыт не полностью и в какой-то степени ограничивает ток, при этом коллекторный переход смещён в обратном направлении, а эмиттерный в прямом.
4. Инверсный активный режим. Здесь коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный смещён в обратном. Этот режим используется реже остальных.

Если в процессе работы транзистор резко переход из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то транзистор работает в ключевом режиме. Он используется в импульсных схемах источников питания, усилителей класса D, цифровой электронике. Активный режим используется в линейных регуляторах, усилителях класса А и других подобных схемах. Для сравнения потери в виде нагрева транзистора в ключевом режиме – минимальны, а в активном максимальны.

Заключение

23 декабря 1947 года прошла презентация нового изобретения – транзистора, этот день считается датой его рождения. Изобрели транзистор американские ученные У. Шокли, Д. Бардин и У. Браттейн, работавшие в то время в лаборатории Bell Labs. Спустя 9 лет, в 1956 году, изобретатели были удостоены Нобелевской премии.

слева направо: Джон Бардин, Уильям Шокли, Уолтер Браттейн. Фото из сервися Яндекс.Картинки

Сначала транзистор называли полупроводниковым триодом, по аналогии с электронной лампой. Привычное нам название было придумано коллегой изобретателей Джоном Пирсом, и составлено из двух слов — transfer – передача и resistor – сопротивление, из его принципа действия – ток в базе изменяет сопротивление между коллектором и эмиттером.

Источник: dzen.ru

Как работает транзистор и где используется?

Радиоэлектронный элемент из полупроводникового материала с помощью входного сигнала создает, усиливает, изменяет импульсы в интегральных микросхемах и системах для хранения, обработки и передачи информации. Транзистор — это сопротивление, функции которого регулируются напряжением между эмиттером и базой или истоком и затвором в зависимости от типа модуля.

Виды транзисторов

Преобразователи широко применяются в производстве цифровых и аналоговых микросхем для обнуления статического потребительского тока и получения улучшенной линейности. Типы транзисторов различаются тем, что одни управляются изменением напряжения, вторые регулируются отклонением тока.

Полевые модули работают при повышенном сопротивлении постоянного тока, трансформация на высокой частоте не увеличивает энергетические затраты. Если говорить, что такое транзистор простыми словами, то это модуль с высокой границей усиления. Эта характеристика у полевых видов больше, чем у биполярных типов. У первых нет рассасывания носителей заряда , что ускоряет работу.

Полевые полупроводники применяются чаще из-за преимуществ перед биполярными видами:

• мощного сопротивления на входе при постоянном токе и высокой частоте, это уменьшает потери энергии на управление;
• отсутствия накопления неосновных электронов, из-за чего ускоряется работа транзистора;
• переноса подвижных частиц;
• стабильности при отклонениях температуры;
• небольших шумов из-за отсутствия инжекции;
• потребления малой мощности при работе.

Виды транзисторов и их свойства определяют назначение. Нагревание преобразователя биполярного типа увеличивает ток по пути от коллектора к эмиттеру. У них коэффициент сопротивления отрицательный, а подвижные носители текут к собирающему устройству от эмиттера. Тонкая база отделена p-n-переходами, а ток возникает только при накоплении подвижных частиц и их инжекции в базу. Некоторые носители заряда захватываются соседним p-n-переходом и ускоряются, так рассчитаны параметры транзисторов.

Полевые транзисторы имеют еще один вид преимущества, о котором нужно упомянуть для чайников. Их соединяют параллельно без выравнивания сопротивления. Резисторы для этой цели не применяются, так как показатель растет автоматически при изменении нагрузки. Для получения высокого значения коммутационного тока набирается комплекс модулей, что используется в инверторах или других устройствах.

Нельзя соединять параллельно биполярный транзистор, определение функциональных параметров ведет к тому, что выявляется тепловой пробой необратимого характера. Эти свойства связаны с техническими качествами простых p-n каналов. Модули соединяются параллельно с применением резисторов для выравнивания тока в эмиттерных цепях. В зависимости от функциональных черт и индивидуальной специфики в классификации транзисторов выделяют биполярные и полевые виды.

Источник: odinelectric.ru

Транзистор: виды, применение и принципы работы

Что такое транзистор? Наверняка каждый человек хотя бы раз в жизни слышал это слово. Однако далеко не каждый знаком с его значением, а тем более с устройством и назначением транзистора. Это понятие подробно изучают студенты технических ВУЗов. При этом довольно часто технические знания пригождаются в жизни людям, не имеющим ничего общего с инженерной деятельностью.

В этой статье мы рассмотрим в каких областях они применяются.

Принцип работы прибора

Транзистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического сигнала. Благодаря особому строению кристаллических решёток и полупроводниковым свойствам, этот прибор способен увеличивать амплитуду протекающего тока.

Полупроводники — вещества, которые способны проводить ток, а также препятствовать его прохождению. Самыми яркими их представителями являются кремний и германий. Существует два вида полупроводников:

1. Электронные.
2. Дырочные.

В полупроводниках электрический ток возникает из-за недостатка или переизбытка свободных электронов. Например, кристаллическая решётка атома состоит из трёх электронов. Однако если ввести в это вещество атом, состоящий из четырёх электронов, один будет лишним. Он является свободным электроном.

Соответственно, чем больше таких электронов, тем ближе это вещество по своим свойствам к металлу. А значит, и проводимость тока больше. Такие полупроводники называются электронными.

Теперь поговорим о дырочных. Для их создания в вещество вводятся атомы другого вещества, кристаллическая решётка которого содержит больше атомов. Соответственно, в нашем полупроводнике становится меньше электронов. Образуются вакантные места для электронов. Валентные связи будут разрушаться, так как электроны будут стремиться занять эти вакантные места.

Далее, мы будем называть их дырками.

Электроны постоянно стремятся занять дырку и, начиная движение, образуют новую дырку. Таким поведением обладают абсолютно все электроны. В полупроводнике происходит их движение, а значит, начинает проводиться ток. Такие полупроводники называются дырочными.

Таким образом, вводя недостаток или избыток электронов в кремний или германий, мы способствуем их движению. Получается ток. Транзисторы состоят из соединений этих полупроводников по определённому принципу. С их помощью можно управлять протекающими токами и другими параметрами электрических сигналов.

Виды транзисторов

Существует несколько видов транзисторов. Их около четырёх. Однако основные из них это:

Остальные виды собираются из полевых и биполярных. Рассмотрим более подробно каждый вид.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

1. Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
2. Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
3. Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• Со встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

1. Входное сопротивление.
2. Амплитуда напряжения, которое необходимо подать на затвор.
3. Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Биполярные

Слово «биполярные» означает две полярности. То есть, такие приборы имеют две полярности, благодаря особенностям своего строения. Особенность их строения заключается в том, что они состоят из трёх полупроводниковых областей. Типы проводимости бывают следующими:

1. Электронная, далее n.
2. Дырочная, далее p.

Соответственно, можно сделать вывод, что существует два вида биполярных транзисторов:

Разница между ними заключается в том, что для корректной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. К каждой из трёх полупроводниковых областей подключено по одному выводу. Всего их три:

1. База — центральный слой. Он является самым тонким. На выводе базы находится управляющий ток с небольшой амплитудой.
2. Коллектор — один из крайних слоёв. Он является самым широким. На него подаётся ток с большой амплитудой.
3. Эмиттер — вывод, на который подаётся ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

1. С общим эмиттером — входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с коллектора.
2. С общим коллектором — входной сигнал подаётся на базу, а снимается с эмиттера.
3. С общей базой — входной сигнал подаётся на эмиттер, а снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, образующимся в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и амплитуда подаваемого напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

1. Усилительные схемы.
2. Генераторы сигналов.
3. Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства. Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы.

Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.

Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Литература по электронике

Наука, которая изучает транзисторы и другие приборы, называется электроника. Целый ее раздел посвящён полупроводниковым приборам. Если вам интересно получить больше информации о работе транзисторов, можно почитать следующие книги по этой тематике:

1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
2. Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
3. Силовая электроника для любителей и профессионалов — Б. Ю. Семенов .

В этих книгах описываются различные средства программируемой электроники. Конечно же, в основе всех программируемых схем, лежат транзисторы. Благодаря этим книгам вы не только получите новые знания о транзисторах, но и навыки, которые, возможно, принесут вам доход.

Теперь вы знаете, как работают транзисторы, и где они применяются в жизни. Если вам интересна эта тема, продолжайте её изучать, ведь прогресс не стоит на месте, и все технические устройства постоянно совершенствуются. В этом деле очень важно идти в ногу со временем. Успехов вам!

Источник: tokar.guru