Электроника:Полупроводники/Биполярные транзисторы/Транзистор с биполярным переходом (ТБП) как переключатель

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Транзистор с биполярным переходом (ТБП) как переключатель[1]

Транзисторы с биполярным переходом (также известные как ТБП или просто биполярные транзисторы) могут использоваться в качестве усилителя, фильтра, выпрямителя, генератора или даже переключателя, пример которого мы сейчас и рассмотрим. Транзистор будет работать как усилитель или другая линейная схема, если смещён в линейную область. Транзистор можно использовать в качестве переключателя, если он смещён в область насыщения и отсечки. Это позволяет (или наоборот, запрещает) току течь в других частях цепи.

Поскольку коллекторный ток транзистора пропорционально ограничен базовым током, устройство можно использовать как некий переключатель, управляемый током. Относительно небольшой поток электронов в базе транзистора контролирует гораздо больший поток электронов в коллекторе.

Пример использования ТБП в качестве переключателя

Допустим, у нас есть лампа, которую нужно включать/выключать с помощью переключателя. Такая схема была бы чрезвычайно простой, как на рисунке 1.а ниже.

Для иллюстрации давайте вставим транзистор вместо переключателя, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов, проходящим через лампу. Как вы помните, управляемый ток в транзисторе проходит между коллектором и эмиттером.

Поскольку мы хотим контролировать ток, проходящий через лампу, нужно расположить коллектор и эмиттер нашего транзистора там, где до того были оба контакта переключателя. Мы также должны убедиться, что ток лампы движется против направления стрелки эмиттера на схеме, чтобы гарантировать, что смещение перехода транзистора будет правильным, как на рисунке 1.б ниже.

Рис. 1. (а) механический переключатель, (б) транзисторный NPN переключатель, (в) транзисторный PNP переключатель.
Рис. 1. (а) механический переключатель, (б) транзисторный NPN переключатель, (в) транзисторный PNP переключатель.

Также можно было взять PNP транзистор. Его применение показано на рисунке 1.в выше.

Разницы между NPN и PNP, на самом деле, нет. Что важно, так это правильное соответствие между направлением управляемого тока и правильным смещением (включением) перехода (речь о потоке электронов, идущего против символа стрелки на обозначении транзистора).

На приведённом выше рисунке 1 база любого ТБП не подключена к какому-либо источнику напряжения, и потому ток не течёт через базу. Вообще говоря, такой транзистор не включится. Пожалуй, проще всего было бы подключить механический переключатель между базовым и коллекторным проводами транзистора:

Рис. 2. Транзистор: (а) отсечка, лампа выключена; (б) насыщенный, лампа включена.
Рис. 2. Транзистор: (а) отсечка, лампа выключена; (б) насыщенный, лампа включена.

Отсечённый/насыщенный транзистор

Если переключатель разомкнут, как показано на рисунке 2.а, базовый провод транзистора останется «плавающим» (ни к чему не подключён), и ток через него не проходит. В этом состоянии транзистор называется отсеченным (или закрытым или отключённым).

Если переключатель замкнут, как на рисунке 2.б, ток проходит от базы к эмиттеру транзистора через переключатель. Этот базовый ток позволит протекать гораздо большему току от коллектора к эмиттеру, таким образом зажигая лампу. В этом состоянии максимального тока цепи транзистор считается насыщенным (открытым или включённым).

Само собой, именно при таком использовании транзистора для управления лампой может кому-то показаться бессмысленным. Зачем использовать связку «транзистор + переключатель» если вроде бы можно обойтись только переключателем?

Зачем использовать транзистор для управления током?

Здесь два момента. Ну, во-первых, при таком использовании контакты механического переключателя взаимодействуют только с небольшим базовым током, который необходим для включения транзистора; сам транзистор обрабатывает бо́льшую часть тока для лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель рассчитан на низкий номинальный ток: таким образом, небольшой переключатель может использоваться для управления относительно сильноточной нагрузкой.

Но что ещё более важно, поведение транзистора, управляющего током, позволяет нам вместо механического переключателя использовать что-то совершенно иное для включения/выключения лампы. Рассмотрим рисунок 3 ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1 В, позволяющее преодолеть напряжение 0,7 В база/эмиттер транзистора, что вызывает ток в базе, который, в свою очередь, управляет лампой.

Рис. 3. Солнечная батарея служит датчиком освещённости.
Рис. 3. Солнечная батарея служит датчиком освещённости.

Или мы могли бы использовать термопару (а то и несколько последовательно соединенных термопар), дабы обеспечить необходимый базовый ток для включения транзистора:

Рис. 4. Одна термопара обеспечивает менее 40 мВ. Последовательность термопар может дать напряжение, превышающее 0,7 В для транзисторного VБЭ, что вызовет протекание ток базы и, как следствие, тока от коллектора к лампе.
Рис. 4. Одна термопара обеспечивает менее 40 мВ. Последовательность термопар может дать напряжение, превышающее 0,7 В для транзисторного VБЭ, что вызовет протекание ток базы и, как следствие, тока от коллектора к лампе.

Даже и микрофон с достаточным выходом напряжения и тока (с помощью усилителя) может открыть транзистор, при условии, что на его выходе происходит выпрямление с переменного тока на постоянный, благодаря чем P-N-переход эмиттер/база в транзисторе всегда будет прямо включённым:

Рис. 5. Усиленный микрофонный сигнал выпрямляется до постоянного тока для смещения базы транзистора, обеспечивая течение большего ток коллектора.
Рис. 5. Усиленный микрофонный сигнал выпрямляется до постоянного тока для смещения базы транзистора, обеспечивая течение большего ток коллектора.

В общем, надеюсь, теперь основная суть вам понятна. Для насыщения транзистора можно использовать любой достаточный источник постоянного тока, и этот источник тока может составлять лишь незначительную часть от тока, необходимого для питания лампы.

Видим, что транзистор работает не только как переключатель, но и как усилитель: используется относительно маломощный сигнал для управления относительно большим количеством мощности. Обратите внимание, что фактическая мощность для зажигания лампы исходит от батареи, расположенной в правой части схемы. Это отнюдь не означает, что слабенький ток от солнечного элемента, термопары или микрофона волшебным образом превращается в большее количество энергии. Скорее, эти небольшие источники энергии просто контролируют мощность более крупной батареи, зажигающей лампу.

Итог

  • Транзисторы могут использоваться в качестве переключающих элементов для управления мощностью постоянного тока нагрузки. Коммутируемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
  • Когда транзистор пропускает через себя нулевой ток, говорят, что он находится в состоянии отсечки (транзистор полностью непроводящий).
  • Когда через транзистор проходит максимальный ток, говорят, что он находится в состоянии насыщения (транзистор полностью проводящий).

См.также

Внешние ссылки