Как измерить напряжение коллектор эмиттер насыщения

Как проверить биполярный транзистор с помощью цифрового мультиметра

Проверка полупроводниковых приборов – это наиважнейших этап диагностики неисправностей электронной аппаратуры. Некоторые дефектные твердотельные электронные компоненты выдают себя обгоревшим корпусом, потемнением и т.п. Если же подобных подсказок неисправностей просто нет, то самое время научиться определять неисправные диоды и транзисторы с помощью тестера. В рамках данной статьи мы рассмотрим, как производить тестирования простейших выпрямительных диодов, диодных сборок, а также биполярных транзисторов с помощью простейшего оборудования. Диоды и биполярные транзисторы можно проверить с помощью китайского мультиметра.

Как правильно настроить тестер или мультиметр?

Вне зависимости от того, какой у вас прибор, вы однозначно сможете проверить любой диод и транзистор. Главное – это наличие специального режима, который обозначен в виде пиктограммы диода. Данный режим предназначен для прозвонки, а также для тестирования полупроводниковых приборов. Щупы мультиметра должны быть подключены точно так же, как и в режиме измерения сопротивления: черный щуп – к порту COM, красный – к порту измерения сопротивления, напряжения и частоты. Если у вас устаревший аналоговый прибор со стрелочной индикацией результата измерений, то, вероятно, там такого режима может просто-напросто не оказаться. Для таких приборов можно использовать режим измерения сопротивления, установив ручку переключателя на самый высокий предел измерения.

Как проверить диод и диодные сборки, выполненные на их основе?

У диода, как известно, имеется 2 рабочих электрода – катод и анод. Рабочий диод пропускает ток только в прямом направлении, если подключить красный щуп прибора к аноду, а черный – к катоду. Обратное подключение проводов приводит к тому, что диод запирается, а его сопротивление возрастает практически до бесконечности. Подключая мультиметр в прямом включении, мы будем замечать, что прибор станет индицировать наличие определенного падения напряжения. Как правило, эта величина составляет несколько сотен милливольт. Обратное включение выражается в отсутствии какой-либо индикации прибора. Неисправностей у диода может быть всего две: 1 – обрыв, 2 – короткое замыкание. В первом случае прибор не будет показывать никакого падения напряжения и в прямом, и в обратном включении. Во втором случае – бесконечно малое прямое и обратное сопротивление. Если в приборе есть звуковая индикация, то прибор будет пищать и в прямом, и в обратном включении. Выпрямительные сборки из четырех диодов проверяются путем проверки каждого из четырех диодов выпрямительного моста.

Как проверить полупроводниковый транзистор биполярного типа?

Прежде чем начинать проверку, необходимо точно определить, какой именно вид транзистора вы сейчас проверяете. Помимо транзисторов биполярного типа существует великое множество иных типов транзисторов, проверять которые нужно совершенно другим образом. В рамках данной статьи будет рассмотрена проверка транзисторов биполярного типа. Биполярный транзистор можно представить в виде компоновки из 2 диодов. Эти диоды соединены в полумост с помощью одноименных электродов. На выходе из транзистора выходит 3 электрода, обозначенных условно как база, коллектор и эмиттер. В зависимости от полярности соединения диодов выделяют NPN и PNP транзисторы биполярного типа. Переход «база-эмиттер» — управляющий переход, а переход «коллектор-эмиттер» — управляемый переход. Транзистор устроен так, что малый токовый сигнал, который подается на переход «база-эмиттер», при грамотном соотношении резисторов в цепи коллекторного, базового и эмиттерного перехода, вызывает более высокий токовый сигнал на переходе «коллектор-эмиттер».

Как определить, где база, коллектор, эмиттер?

Прежде всего, отметим, что в любом аналоговом тестере или цифровом приборе отрицательный щуп – черный, а положительный – красный. Правильно устанавливать щупы, а также устанавливать режим прибора – это очень важные моменты. Если все правильно настроить и подсоединить, то определить распиновку биполярного транзистора будет проще простого.

Во-первых, необходимо определить, где находится база. Вне зависимости от того, PNP или NPN структура у подопытного транзистора, можно сделать предположение, что базовый переход – первый электрод. Подключаем черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – поочередно – то ко второму, то к третьему электроду. Продолжайте искать базу, пока не найдете такое расположение, когда прибор начнет показывать наличие определенного падения напряжения, выраженного в милливольтах. Заметив индикацию падения напряжения на какой-то паре электродов, можно с уверенностью сказать, что найдена либо пара «база-эмиттер», либо пара «база-коллектор». Затем необходимо найти расположение и полярность оставшейся второй пары. По сути, вы должны найти пару диодов, общий электрод которых – база. База может иметь отрицательную полярность в случае PNP структуры, а также положительную полярность – с полярностью PNP. Проверить работоспособность транзистора можно уже на этом этапе, ведь у неисправного элемента будет закорочен или оборван один из переходов.

Во-вторых, когда вы уже определитесь с базовым электродом, остается необходимым определить то, где находится эмиттер, а где – коллектор. Либо с помощью режима проверки полупроводниковых приборов на цифровом приборе, либо с помощью режима измерения сопротивления на аналоговом приборе необходимо определить, на каком из переходов наибольшее падение напряжения и сопротивление. Подключаем измерение диодов «база-эмиттер» и база-коллектор» в прямом включении. Записываем значения и сравниваем. Как правило, разница не большая, но фактически у перехода с включенным эмиттерным электродом будет чуть-чуть большее сопротивление и падение напряжения. Напоследок отметим, что правильность определения электродов можно проверить, подсоединив транзистор в панельку измерения параметров биполярных транзисторов. Если прибор покажет параметр h21э близкий тому, что указан в даташите, то нахождение расположения электродов можно считать верным.

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β.

Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт.

Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): I_Б*β=I_K.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h_21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h_FE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (I_К=β*I_Б) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(I_К+I_Б)/I_Б=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Биполярный транзистор: что такое электронный ключ, регулятор тока и принципы их работы. Какие существуют схемы включения и методы проверки исправности полупроводниковых переходов

Идею написать статью про биполярный транзистор, что такое регулируемый блок питания на нем и принципы его эксплуатации мне подсказал один из читателей. Он попросил изложить материал простым языком, понятным даже начинающему электрику.

Поэтому постараюсь избегать сложных технических терминов и формул, а прибегну к поясняющим картинкам и схемам.

Биполярный транзистор: внешний вид, составные элементы, конструкция корпуса — кратко

Сразу стоит определиться, что биполярный транзистор (bipolar transistor) создан для работы в цепях постоянного тока, где и используется. Сократим его название до БТ.

На фотографии ниже показал насколько разнообразные формы он имеет. А ведь этот небольшой ассортимент мной высыпан из одной маленькой коробочки.

Транзисторный корпус может быть изготовлен из пластмассы или металла в виде параллелепипеда, цилиндра, таблетки различной величины. Общими элементами являются три контактных штыря, созданные для подключения к электрической схеме.

Эти выводы необходимо различать в технической документации, правильно подключать при монтаже. Поэтому их назвали:

1. Э (E) — эмиттер;
2. К (C) — коллектор;
3. Б (B) — база.

Буквы в скобках используются в международной документации.

Основной метод соединения БТ в электрических схемах — пайка, хотя допускаются и другие.

Габариты корпуса и контактных выводов зависят от мощности, которую способен коммутировать этот модуль. Чем выше проектная нагрузка, тем большие размеры вынуждены создавать производители для обеспечения надежной работы и отвода опасного тепла.

Общеизвестно, что полупроводниковые переходы не способны выдерживать высокий нагрев — они банально перегорают. Поэтому все мощные корпуса выполняются из металла и снабжаются теплоотводящими радиаторами.

В особо ответственных узлах для них дополнительно создается принудительный обдув струями воздуха. Этим приемом значительно повышается надежность работы системных блоков компьютеров, ноутбуков, сложной электронной техники.

Любой БТ состоит из трех полупроводниковых переходов p и n типа, как обычный диод. Только у диода их меньше: всего два. Он способен пропускать ток всего в одну сторону, а в противоположную — блокирует.

Bipolar transistor создается по одной из двух схем соединения полупроводниковых элементов:

1. p-n-p, называемую прямым включением;
2. n-p-n — обратным.

При обозначении на схемах их рисуют одинаково, но с небольшими отличиями вывода эмиттера:

1. прямое направление: стрелка нацелена на базу;
2. обратное — стрелка показывается выходом из базы наружу элемента.

Принципы работы биполярного транзистора — 2 варианта его использования в различных электронных устройствах

Обычно такие процессы принято объяснять движением носителей зарядов внутри полупроводников: дырок и электронов. При этом от приложенных источников ЭДС создаются токи, циркулирующие через выводы коллектора и эмиттера.

Они зависят от приложенных напряжений Uэб и Uкб, что показывают вольт-амперной характеристикой.

При низких значениях ЭДС переходы не могут пропустить через себя электрический ток. В таком случае говорят, что электронный ключ закрыт. Для его открытия необходимо подать управляющий сигнал. Им служит определенная величина напряжения, приложенная между базой и эмиттером.

Поясню практическое применение этой функции чуть подробнее.

Что такое электронный ключ на транзисторе и как он работает: 2 примера

На практике создано множество устройств, функционирующих на базе транзисторного ключа. Покажу две, которые легко повторить своими руками даже начинающему мастеру, осваивающему навыки владения паяльником.

Простейший датчик протечки воды — схема и описание для чайника

Устройство, помещающееся в спичечный коробок и автоматически оповещающее хозяина о появлении влаги на полу под раковинной или ванной, собирается из следующих пяти деталей:

1. датчик влажности — изолированная пластина из пластика с двумя токопроводящими контактными площадками (наклеенная металлическая фольга). Они отделены друг от друга воздушным пространством. Желательно положить на кусочек марли или ватку, хорошо впитывающую пролитую воду;
2. транзистор марки 2N5551 или его аналог;
3. светодиод VD1;
4. любой пьезоэлемент SP1 — звуковой преобразователь электрического сигнала, который можно взять из отслуживших свой срок электронных часов;
5. элемент питания на 3 вольта — подойдет литиевая батарейка типа «таблетка» для часов, калькуляторов и подобных гаджетов.

Этот электронный ключ в сухом состоянии закрыт, ибо выводы его транзисторного перехода база-коллектор разомкнуты. При протечке воды создается электрический контакт между площадками датчика влажности.

Поданного напряжения от источника питания на выводы «Б» и «К» VT вполне достаточно для изменения состояния закрытого перехода. Ключ открывается, а ток в эмиттерной цепи зажигает светодиод и включает звуковое оповещение.

Более детально работа этой схемы описана в отдельной статье. Аналогичным образом работает ключ в следующей разработке.

Схема управления насосом откачки воды для повторения своими руками

Считаем, что перед нами стоит задача поддерживать объем воды в баке между нижним допустимым горизонтом (L) и верхней меткой (H) за счет включения и отключения насоса. С этой целью помещаем в бак три электрода на указанной высоте.

Провода от них подводим к соответствующим входам электрической схемы управления. Она запитывается постоянным напряжением 12 вольт (блок питания или аккумулятор).

Если воды в баке нет, то электрическая связь между контактами COM, L и N отсутствует. Транзисторы VT1, VT2 закрыты. Но +12 вольт через диод VD1 проходит на базу VT3, открывая его и, соответственно, VT4.

Последний подает напряжение на исполнительное реле KL1, которое своими контактами включает насос. Он начинает заполнять бак водой. Светодиод HL1 своими свечением сообщает о работе насоса.

В момент достижения водой уровня L происходит открытие VT1, но оно не влияет на состояние VT3. Напряжение на его базе поддерживается резистором R8.

Когда вода достигает верхнего уровня H, то срабатывает ключ VT2, чем дополнительно снижает напряжение на базе VT3 и, соответственно, VT4. Это приводит к отключению реле и насоса. Светодиод гаснет.

Насос будет обесточен до достижения нижнего уровня воды в баке. Дальше описанный алгоритм работы повторяется по циклу.

Регулятор тока на биполярном транзисторе: как работает схема управления

Принцип действия регулятора мне удобнее объяснять следующей картинкой его открытого состояния.

Принципиально она ничем не отличается от той, которая расположена выше и демонстрирует работу биполярного транзистора. Но здесь нагляднее и понятнее показаны процессы, протекающие по закону Ома.

Напомню, что закрытый транзистор не пропускает через себя электрический ток. Но его открытое состояние создается сразу двумя рабочими контурами:

1. эмиттер-база, где циркулирует ток управления I1;
2. эмиттер-коллектор с подключенной силовой схемой и током в ней I2.

А делается это все за счет изменения величины напряжения между базой и змиттером при одной и той же разности потенциалов, приложенной к внешней схеме выводов коллектора и эмиттера.

Попробовал изобразить следующей картинкой принцип регулирования коллекторного тока в БТ.

Надеюсь понятно, что при низком напряжении U1 он маленький, при среднем — средний, а при повышенном — увеличенный.

Таким образом: коллекторный ток регулируется приложенным напряжением к базе при одном и том же напряжении между эмиттером и коллектором.

По этому принципу работают многочисленные блоки питания. Приведу пример одного из простых, конструкцию которого можно легко собрать своими руками.

Детали обозначены сразу на схеме. Трансформатор можно взять из старого лампового телевизора или другой техники. Не сложно его рассчитать и намотать самостоятельно. В любом случае он должен отвечать нагрузке, которая будет через него проходить.

Защиту от коротких замыканий и перегрузов выполняем простыми плавкими вставками. Диодный мостик подбираем по нагрузке. В большинстве случаев можно обойтись старыми диодами Д226.

Нас в этой конструкции интересует прежде всего принцип регулирования, осуществляемый выходным БТ КТ815. Он происходит за счет изменения положения движка потенциометра R6, который управляет потенциалом на базе транзистора КТ315 (VT1).

С выхода КТ315 потенциал подается на базу VT2. А он уже определяет выходные параметры в силовой цепи 0-12 вольт.

5 технических нюансов работы биполярных транзисторов, которые важно учитывать при проектировании и эксплуатации электронных ключей или регуляторов

Особенность №1

Электрические характеристики БТ описываются сложными формулами. Ими очень неудобно пользоваться на практике. Поэтому электронщики работают с графиками, выражающими связи между входными и выходными параметрами.

Их разделяют на два вида:

1. статические, определяющие возможности полупроводниковых переходов по токам и напряжениям на входе и выходе при отсутствии нагрузки (режим холостого хода);
2. выходные — зависимость тока через коллектор от приложенного выходного напряжения при конкретном токе через базу.

Каждому БТ присущи свои индивидуальные характеристики. Однако сейчас подобных полупроводников выпущено так много, что практически любому из них не сложно подобрать аналогичную замену даже от другого производителя.

Для работы транзисторов может быть использован один из следующих режимов:

• активный (нормальный или инверсный);
• насыщения;
• отсечки;
• барьерный.

Особенность №2

Любой БТ, созданный с корпусом p-n-p или n-p-n работает практически по одним и тем же алгоритмам, которые отличаются только направлением протекания положительного тока через полупроводниковые переходы.

Поэтому для прямых и обратных транзисторов создаются индивидуальные схемы управления и подключения нагрузки к выходным цепям.

В качестве примера приведу еще одну схему простого зарядного устройства, собранную на транзисторном модуле с p-n-p переходами. Можете ее сравнить с предыдущим вариантом. Увидите практически одинаковую конструкцию, но с обратным направлением тока.

Здесь деталей еще меньше, а регулирование выходных величин осуществляется за счет изменения значения напряжения, подаваемого на вход электронного модуля. Используется обыкновенный потенциометр.

Особенность №3

При открытом состоянии входной полупроводниковый переход в режим отсечки БТ имеет небольшое падение напряжения. В частном случае он составляет порядка 0,7 вольта. Чтобы зафиксировать ваше внимание на этом вопросе специально нарисовал картинку — считается, что так лучше работает человеческая память.

Другими словами: потенциал на базе на 0,7 вольта меньше, чем на эмиттере. Для кремниевых изделий он всегда составляет 0,6-0,7 В.

Особенность №4

Ток коллектора БТ определяется как ток базы, умноженный на определенно большое число постоянной величины.

Это свойство используется для классификации транзисторов по коэффициенту передачи тока при коротком замыкании на выходе.

С этой целью введен коэффициент h21. Его суть демонстрирует следующая картинка.

Если выдержать показанные номиналы у приведенной схемы проверки (10 вольт у источника ЭДС и 100 килоом у сопротивления), то показания амперметра в миллиамперах просто умножаем на число 10. Получим значение коэффициента h21.

Подобные алгоритмы заложены в цифровые мультиметры и аналоговые тестеры, которые позволяют измерять коэффициент h21 при проверках БТ.

Особенность №5

При открытом состоянии потенциал внутреннего полупроводникового перехода БТ коллектора выше, чем у эмиттера. В моем частном случае он составляет 0,3 вольта.

Здесь открытый транзистор работает как обычный ключ, но он не идеален. На его внутренней схеме присутствует падение напряжения в 0,3 вольта. Однако в большинстве случаев это не критично.

Допустим, что в коллекторной цепи появилось дополнительное сопротивление. Изменение тока через этот резистор повлечет падение напряжения на нем.

Однако более высокий потенциал коллектора совместно с увеличенным током через базу могут стабилизировать выходные характеристики. В этом случае силовые токи сохраняют свое значение.

Как проверить биполярный транзистор: 2 доступные методики

Для подборки транзисторов с одинаковыми коэффициентами h21 существуют специальные пробники. Сейчас ими снабжаются обычные цифровые мультиметры. Во времена моей молодости они монтировались только на дорогих аналоговых тестерах.

Существует две методики оценки исправности транзисторов:

1. с помощью мультиметра или тестера по замеру сопротивлений между всеми выводами (самый распространенный и доступный способ);
2. посредством вычисления коэффициента h21 встроенным пробником.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром или тестером: подробная инструкция с фотографиями

Если вернуться к конструкции полупроводниковых переходов, то можно сразу заметить, что наш транзистор вполне допустимо представить двумя диодами, подключенными одноименными полюсами (p или n) со своими выводами. Общая точка у них будет работать базой.

Теперь вспомним как проверяется диод: через него пропускают электрический ток в оба направления, а по его прохождению оценивают внутреннее сопротивление перехода. Если оно укладывается в норматив, то полупроводник исправен. Иная картина — брак.

Этот же принцип заложен в проверку БТ. Просто через каждую пару контактов надо пропустить ток в обе стороны, а по его изменению судить об исправности проверяемого элемента.

Для проверки нам потребуется:

1. уточнить возможности своего мультиметра или тестера;
2. воспользоваться справочными данными, приведенной чуть ниже;
3. выполнить измерения.

Что надо учитывать в своем измерительном приборе

Мой старенький тестер Ц4324 имеет обозначения на своей шкале, на которые необходимо обратить внимание.

Мы будем работать на шкале kΩ. Рядом с гнездом для подключения измерительного провода стоит значок —kΩ., указывающий на потенциал минуса этого контактного гнезда. Плюс находится на противоположной левой стороне.

Эти сведения помогут нам определиться с направлением тока, который будет протекать через полупроводниковые переходы.

В роли вольтметра постоянного тока у него «плюс» находится на этой же правой клемме. Зная это, проверяю полярность мультиметра, переключив его в режим измерения Ω или прозвонки, а тестер — вольт.

На показанном фото тестер замерил напряжение мультиметра, а последний — сопротивление вольтметра. Но нас сейчас интересует другая информация:

1. плюсовой вывод мультиметра находится на его красном щупе;
2. минусовой — черный.

Справочные данные — кратко

Сразу замечу, что приведенные здесь параметры ориентировочные. Однако они позволяют оценивать работоспособность полупроводниковых переходов.

Исправный БТ в цепи база-коллектор и база-эмиттер в одну сторону (зависит от прямой или обратной проводимости) обладает сопротивлением на пределах омов, например, 50-1200.

В противоположном направлении ток не пропускается. Прибор покажет бесконечность: ∞ (у меня отображается как 0.L, на отдельных мультиметрах — знак 1).

При измерениях учитываем:

1. плюсовой щуп ставится на вывод, соответствующий входу тока, а минусовой — выходу;
2. значок ∞ обозначает, что на указанном пределе измерения мультиметр не смог определить сопротивление: оно больше (вполне возможен обрыв цепи);
3. полученный результат около 0 Ом при замерах током через базу означает пробой перехода;
4. величина сопротивления между коллектором и эмиттером оценивается значком ∞.

Как выполнить измерения

Работать можно тестером или мультиметром. Разницы практически особой нет. Я буду все показывать на примере своего карманного Mestek MT-102. Просто на стареньком Ц4324 мне сложнее все объяснять, а вам — разбираться.

Если у вас другой прибор и имеются затруднения с его освоением, то у меня есть статья, где обобщены и подробно изложены принципы замеров любыми цифровыми мультиметрами. Можете заходить и пользоваться.

Я знаю, что у мощных транзисторов в металлических корпусах коллектор всегда соединен с металлом корпуса.

Перевел мультиметр в режим прозвонки (можно омметра), один конец закрепил крокодилом на корпусе, а вторым щупом нашел соответствующий вывод. Замер показывает ноль.

Чтобы вам было удобнее отслеживать мои действия по фотографиям обозначил вывода чисто случайным образом:

1. на один штырек надел короткий отрезок кембрика;
2. на второй — длинный;
3. третий оставил голым (коллектор).

Я проверял силовой транзистор П213А с толстыми контактами. На них просто удобно садить крокодилы, делать фотографии. Работа с маленьким изделиями и тонкими ножками выполняется аналогично. Только щупы придется оголить и не допускать создания излишних контактов.

Маркировка П213А четко обозначена на корпусе. Она позволяет заглянуть в справочник, определить по картинке в нем вывода, узнать технические характеристики, включая проводимость: прямую или обратную.

На практике часто это не выполняется: маркировка не читаема, изделие «no name». Вот этой сложной методики я и буду придерживаться, как приходится поступать чаще всего.

Выбираю один из контактов (не помеченный кембриком) и ставлю на него щуп, например, красный. На второй произвольный (длинный кембрик) подключаю черный конец. Записываю показание —196 Ом.

Переношу черный конец на вывод с коротким кембриком. Вижу очень большое сопротивление.

Меняю концы местами: на голый вывод сажу черный щуп, а на длинный — красный. Вижу высокое сопротивление.

Переношу красный конец на вывод с коротким кембриком. Замеряю 72 Ома.

Осталось два замера. Красный щуп оставляю на прежнем месте, а черный подключаю на вывод с длинным кембриком. Результат — 198 Ом.

Меняю концы местами. Голый вывод не задействован. Наблюдаю очень большое сопротивление.

Теперь остается проанализировать полученные результаты.

Мы знаем, что вывод базы является общим для обоих составных диодов. На него должны прозваниваться с величиной омов оба перехода. Это замеры №:

• 1 (плюс или красный щуп на голом выводе, минус — на длинном кембрике);
• 4 (минус на голом выводе, плюс — на коротком кембрике);
• 5 (минус на длинном, плюс на коротком).

Замечаю, что общий вывод для двух замеров (1 и 5) из трех помечен длинным кембриком. На него с двух сторон проходит ток. Значит это база.

Два остальных вывода: эмиттер и коллектор. Надо их как-то различить. Методика здесь следующая: сопротивление коллектор-база всегда меньше, чем эмиттер-база. (Коллекторный ток неизбежно самый большой). Сравниваем 196 Ом в первом случае и 198 в пятом.

Получаем, что коллектор у нас ничем не помечен, что и подтвердила фотография его прозвонки на корпус. Оставшийся вывод с коротким кембриком — эмиттер.

Обращаем внимание на направление токов на базу. Они идут снаружи вовнутрь переходов (направление прямое: структура p-n-p). В обратную сторону токи не проходят: полупроводники целые.

У мощных же моделей БТ между этими выводами в одну сторону (зависит от проводимости) замеряются какие-то Омы, что мы и имеем на картинке №4.

А теперь показываю характеристики проверяемого П213А, взятые из интернет-магазина. Они помогут вам оценить результаты моей проверки.

Учтите, что эта методика позволяет определять исправность транзисторов прямо на монтажной плате без их выпаивания. Просто бывают случаи, когда полупроводниковые переходы зашунтированы низкоомными резисторами.

Они будут прозваниваться в обе стороны с низким сопротивлением. Тогда БТ придется демонтировать. Но обычно их не выпаивают: зачем лишние телодвижения.

Как замерить коэффициент h21 у биполярного транзистора

Очень давно я делал небольшую коробочку с батарейкой, амперметром, набором сопротивлений, переключателем и клеммами для подключения полупроводников. После небольших манипуляций на этом устройстве замеренные токи коллекторной цепи и базы пересчитывались по формуле. Так определялся коэффициент h21.

Сейчас такие действия считаются мазохизмом. У большинства современных мультиметров, даже бюджетного класса, имеется встроенная функция для этого замера.

Пользователю достаточно выставить переключатель прибора в положение hFE, а в контактное гнездо подключить испытуемый БТ с учетом проводимости и обозначенных выводов.

Прибор автоматически отработает, покажет вычисленный им коэффициент h21.

И вот что самое интересное: даже в таком простом замере новички допускают ошибки, ибо:

1. путают местами выводные контакты или проводимость;
2. создают неплотное прилегание выводов в гнездах мультиметра.

Второе происходит чаще. Дело в том, все БТ выпускаются с разными толщинами контактных ножек. Надо просто подобрать диаметр проволочки под отверстие гнезда, чтобы она плотно входила в него.

Нарезать из нее несколько отрезков, подбирая удобную длину. Затем они просто напаиваются на ножки для проведения замера, как показано на фото выше.

Предлагаю посмотреть коротенькое видео, посвященное описанию работы с биполярными транзисторами.

Вот в принципе и все, что я хотел рассказать про биполярный транзистор, что такое его полупроводниковые переходы, как они работают и проверяются. Если у вас еще остались какие-то вопросы, то задавайте их в комментариях.

Измерение статических параметров транзисторов

Рассмотрим метод измерения статического коэффициента передачи тока базы транзистора р_ст. Для этого транзистор включают по схеме с общим эмиттером и задают требуемое напряжение на коллектор. Далее увеличивают ток базы до тех пор, пока ток коллектора не достигнет заданного значения. Затем измеряют ток базы и вычисляют р_ст по формуле

где /_к — ток коллектора; I_Kq — начальное значение тока коллектора; /_б — ток базы.

Использование постоянного тока при таких измерениях, связанных с выделением значительной мощности, приводит к определенным трудностям. Их можно предотвратить, если измерить статические параметры транзистора при работе его в импульсном режиме.

Схема для измерения статического коэффициента р_ст мощных транзисторов в импульсном режиме показана на рис. 16.3. Напряжение на коллекторе U задается от источника постоянного напряжения. На рис. 16.3, а генератор коротких импульсов (ГИ) имеет регулируемую амплитуду. В паузе между импульсами транзистор заперт, измерение производится за время длительности импульса. Амплитуда импульсов базового тока /_б увеличивается до тех пор, пока импульсный ток коллектора /_к не достигнет заданного значения. Ток коллектора контролируется импульсным вольтметром (ИВ), измеряющим напряжение на токосъемном резисторе R_K. Отсчетный прибор непосредственно проградуирован в значениях тока. На рис. 16.3, а параметр U₂ показывает напряжение базы в импульсе.

Для определения р_ст используется второй импульсный вольтметр, который при помощи переключателя П в положении 7 вна-

Рис. 16.3. Схемы для измерения статического коэффициента р_ст в им пульсном режиме:

а — с токосъемным резистором; б — без токосъемного резистора

чале подключается к токосъемному резистору Я_к для проведения калибровки. Затем переключатель П ставится в положение 2 (измерение). При этом отсчетный прибор измеряет напряжение, которое будет пропорционально току базы,

где к — постоянный коэффициент.

Это выражение показывает, что выходной прибор может быть проградуирован непосредственно в значениях р_ст.

Длительность импульса /_и должна в несколько раз превышать длительность переходного процесса включения транзистора. Это условие можно записать в виде следующего неравенства:

Однако длительность импульса генератора коротких импульсов должна быть много меньше тепловой постоянной времени транзистора, чтобы разогрев транзистора выделяющейся мощностью не искажал результатов измерений. Обычно длительность импульса при измерениях мощных транзисторов должна удовлетворять условию:

Схема для измерения статического коэффициента маломощных транзисторов показана на рис. 16.3, 6. На схеме ток эмиттера задается от генератора тока.

Преимуществом схемы рис. 16.3, является постоянство режима при смене транзистора. Кроме того, в коллекторной цепи отсутствует токосъемный резистор, что облегчает поддержание постоянного напряжения на коллекторе. Импульсный вольтметр при перемещении переключателя П в положение 2 (измерение) измеряет напряжение на токосъемном резисторе в базовой цепи R₆. Таким образом, отклонение стрелки вольтметра будет пропорционально току базы в импульсе.

Для непосредственного измерения коэффициента передачи тока транзистора переключатель П перед измерением ставят в положение 1 (калибровка) и регулировкой коэффициента усиления импульсного вольтметра стрелку отсчетного прибора устанавливают на полное отклонение. В результате реализуется зависимость

где к — постоянный коэффициент; R₂ — сопротивление.

На рис. 16.3, б Е_К показывает напряжение в коллекторе; С — конденсатор.

Из выражения (16.1) следует, что измерительный прибор можно градуировать в значениях (р_ст+1).

С помощью такой схемы достигается высокая точность измерения параметров транзистора (суммарная погрешность не превышает 5 %).

Измерение параметров транзисторов в режиме насыщения (напряжение коллектор — эмиттер U_K нас и напряжение база — эмиттер U_6mc) можно провести с помощью схемы, показанной на рис. 16.4. Здесь сопротивления Л, и R₂ выбирают достаточно большими, чтобы при смене транзисторов режим измерения токов /_б и /_к оставался неизменным.

Величины указанных сопротивлений выбираются из следующих условий:

Рис. 16.4. Схема для измерения напряжений насыщения и_кшс и U_{6 hk}

где и_{бнастах} — максимальное напряжение база — эмиттер; /_6min — минимальное значение тока базы; U_KMacmax — максимальное напряжение коллектор — эмиттер; /_Kmin — минимальное значение тока коллектора.