Как работают транзисторы — простое объяснение

Транзистор — полезный и практичный компонент, который можно использовать для создания множества интересных проектов. В этом практическом руководстве вы узнаете, как работают транзисторы, и сможете использовать их в своих будущих схемах.

На самом деле это довольно просто, если вы изучите основы. Мы сосредоточимся на двух наиболее распространенных транзисторах: биполярных и MOSFET.

Транзистор может работать в 2 режимах:

1. ключевой режим
2. режиме усиления

В ключевом режиме транзистор работает как электронный переключатель. Он может включать и выключать ток. Проще всего представить себе транзистор как реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо.

В режиме усиления транзистор может быть включен частично и это режим работы полезен при усилении слабого сигнала.

Как работают биполярные транзисторы

Начнем с классического биполярного NPN транзистора. У него три вывода:

• База (b — base)
• Коллектор (c — collector)
• Эмиттер (e — emitter)

Когда транзистор включен, то через него может течь ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет. В приведенном ниже примере транзистор выключен. Это означает, что через него не может протекать ток, поэтому светодиод не светиться.

Чтобы включить транзистор, вам необходимо подать напряжение около 0,7 В на базу относительно эмиттера. Если бы у вас была батарея 0,7 В вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером и транзистор бы включился. Поскольку у большинства из нас нет батареи с напряжением 0,7 В, то как мы можем включить транзистор?

Легко! Переход транзистора база-эмиттер работает как диод. Диод имеет прямое напряжение, которое он «берет» из имеющегося напряжения питания. Если вы последовательно подключите резистор, то остальная часть напряжения упадет на резисторе. Таким образом, вы автоматически получите около 0,7 В, добавив всего один резистор.

Это тот же принцип используется для ограничения тока через светодиод, чтобы он не сгорел.

Если вы еще добавите кнопку, то вы можете управлять транзистором и, следовательно, светодиодом, включая и выключая его с помощью кнопки:

Выбор номиналов компонентов схемы

Чтобы выбрать необходимые номиналы компонентов, вам нужно знать еще один важный параметр транзистора — коэффициент усиления.

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор включается, так что больший ток может течь от коллектора к эмиттеру.

Между величинами этих двух токов существует связь. Это называется усилением транзистора. Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904 коэффициент усиления составляет в среднем около 100. Это означает, что если вы подадите ток 0,1 мА на переход база-эмиттер, то по направлению коллектор-эмиттер вы получите ток 10 мА (в 100 раз больше).

Какое должно быть сопротивление резистора R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если у нас в качестве источника питания батарея 9 В и мы знаем что падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В, то на резисторе останется 8,3 В. Чтобы найти сопротивление резистора вы можете использовать закон Ома:

То есть вам необходимо использовать резистор сопротивлением 83 кОм. Это не стандартное значение, поэтому из стандартного номинального ряда возьмем самое близкое значение равное 82 кОм.

Резистор R2 предназначен для ограничения тока, проходящего через светодиод. Сопротивление 1 кОм будет достаточным.

Как подобрать транзистор

NPN-транзистор является наиболее распространенным типом биполярных транзисторов. Но есть еще один тип биполярного транзистора — PNP-транзистор, который работает точно также как и NPN-транзистор, только все токи идут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно учитывать, какой ток транзистор может пропустить через себя без повреждения. Это называется током коллектора (Ic ).

Как работает MOSFET транзистор

MOSFET транзистор (полевой транзистор) — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три вывода:

• Затвор (G — gate )
• Исток (S — source )
• Сток (D — drain )

N-канальный MOSFET работает также как и биполярный NPN-транзистор, но с одним важным отличием:

• В биполярном NPN транзисторе ток, протекающий через переход база-эмиттер определяет силу тока, текущего через переход коллектор-эмиттер.
• В MOSFET транзисторе напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток будет течь от стока к истоку.

Вот почему для MOSFET транзистора вам не нужен резистор, включенный последовательно с затвором, как в случае с NPN-транзистором. Вместо этого вам понадобится резистор, подключенный между затвором и минусом питания, чтобы надежно отключить транзистор, когда кнопка не нажата:

Поскольку напряжение на затворе определяет, сколько тока может протекать от стока к истоку, вы можете подумать о добавлении резистора последовательно с кнопкой. Таким образом, у вас получиться делитель напряжения, с помощью которого вы можете выставить точное напряжение на затворе.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. Полевые транзисторы с P-каналом работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

На выбор доступны тысячи различных полевых транзисторов. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, то вы можете применить BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от области применения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

 

Транзистор как усилитель

Транзистор также может работать в качестве усилителя слабых сигналов, то есть он может находиться в любом положении между «полностью включено» и «полностью выключено».

Это означает, что слабый сигнал может управлять транзистором и создать более сильную копию этого сигнала на переходе коллектор-эмиттер (или сток-исток). Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Вот простой усилитель для управления динамиком сигналом прямоугольной формы: