Ідею написати статтю про біполярний транзистор, що таке регульований блок живлення на ньому та принципи його експлуатації мені підказав один із читачів. Він попросив викласти матеріал простою мовою, зрозумілою навіть електрику-початківцю.

Тому постараюся уникати складних технічних термінів і формул, а вдаюся до картинок і схемам, що пояснюють.

Біполярний транзистор: зовнішній вигляд, складові елементи, конструкція корпусу – коротко

Відразу варто визначитися, що біполярний транзистор (bipolar transistor) створений для роботи в ланцюгах постійного струму, де використовується. Скоротимо його назву до БТ.

На фотографії нижче показав, наскільки різноманітні форми він має. Але цей невеликий асортимент мною висипаний з однієї маленької коробочки.

Транзисторний корпус може бути виготовлений із пластмаси або металу у вигляді паралелепіпеда, циліндра, таблетки різної величини. Загальними елементами є три контактні штирі, призначені для підключення до електричної схеми.

Ці висновки необхідно розрізняти у технічній документації, правильно підключати під час монтажу. Тому їх назвали:

1. Е(E) – емітер;
2. До (C) – колектор;
3. Б (B) – база.

Літери у дужках використовуються у міжнародній документації.

Основний метод з’єднання БТ в електричних схемах – пайка, хоча допускаються інші.

Габарити корпусу та контактних висновків залежать від потужності, яку здатний комутувати цей модуль. Чим вище проектне навантаження, тим більші розміри змушені створювати виробники для забезпечення надійної роботи та відведення небезпечного тепла.

Загальновідомо, що напівпровідникові переходи неспроможні витримувати високий нагрів — вони банально перегорають. Тому всі потужні корпуси виконуються з металу і забезпечують тепловідвідні радіатори.

У особливо відповідальних вузлах їм додатково створюється примусове обдування струменями повітря. Цим прийомом значно підвищується надійність роботи системних блоків комп’ютерів, ноутбуків, складної електронної техніки.

Будь-який БТ складається із трьох напівпровідникових переходів p і n типу, як звичайний діод. Тільки у діода їх менше: лише два. Він здатний пропускати струм лише в один бік, а в протилежний блокує.

Bipolar transistor створюється за однією з двох схем з’єднання напівпровідникових елементів:

1. pnp, звану прямим включенням;
2. npn – зворотним.

При позначенні на схемах їх малюють однаково, але з невеликими відмінностями виведення емітера:

1. прямий напрямок: стрілка націлена на базу;
2. зворотне – стрілка показується виходом із бази назовні елемента.

Покажчик стрілки емітера показує позитивний напрямок струму через напівпровідниковий перехід.

Принципи роботи біполярного транзистора – 2 варіанти його використання в різних електронних пристроях

Зазвичай такі процеси прийнято пояснювати рухом носіїв зарядів усередині напівпровідників: дірок та електронів. При цьому від прикладених джерел ЕРС створюються струми, що циркулюють через висновки колектора та емітера.

Вони залежать від прикладеної напруги Uеб і Uкб, що показують вольт-амперною характеристикою.

За низьких значень ЕРС переходи не можуть пропустити через себе електричний струм. У такому разі кажуть, що електронний ключ зачинено. Для його відкриття необхідно подати сигнал, що управляє. Їм служить певна величина напруги, прикладена між базою та емітером.

Перше призначення біполярного транзистора: це робота як електронний ключ , коли він без команди блокує протікання через себе електричного струму, а при її надходженні – пропускає навантаження.

Поясню практичне застосування цієї функції трохи докладніше.

Що таке електронний ключ на транзисторі і як він працює: 2 приклади

Насправді створено безліч пристроїв, функціонуючих з урахуванням транзисторного ключа. Покажу дві, які легко повторити своїми руками навіть майстру-початківцю, який освоює навички володіння паяльником.

Найпростіший датчик протікання води – схема та опис для чайника

Пристрій, що поміщається в сірникову коробку і автоматично повідомляє господаря про появу вологи на підлозі під раковинною або ванною, збирається з наступних п’яти деталей:

1. датчик вологості – ізольована пластина із пластику з двома струмопровідними контактними майданчиками (наклеєна металева фольга). Вони відокремлені одна від одної повітряним простором. Бажано покласти на шматочок марлі або ватку, що добре вбирає пролиту воду;
2. транзистор марки 2N5551 або його аналог;
3. світлодіод VD1;
4. будь-який п’єзоелемент SP1 — звуковий перетворювач електричного сигналу, який можна взяти з електронного годинника, що відслужив свій термін;
5. елемент живлення на 3 вольти – підійде літієва батарейка типу «таблетка» для годинників, калькуляторів та подібних гаджетів.

Цей електронний ключ у сухому стані закритий, оскільки висновки його транзисторного переходу база-колектор розімкнені. Під час протікання води створюється електричний контакт між майданчиками датчика вологості.

Поданої напруги від джерела живлення на висновки “Б” і “К” VT цілком достатньо для зміни стану закритого переходу. Ключ відкривається, а струм в емітерному ланцюзі запалює світлодіод і включає звукове сповіщення.

Більш детально роботу цієї схеми описано в окремій статті . Аналогічно працює ключ у наступній розробці.

Схема керування насосом відкачування води для повторення своїми руками

Вважаємо, що перед нами стоїть завдання підтримувати об’єм води в баку між нижнім допустимим горизонтом (L) та верхньою міткою (H) за рахунок увімкнення та відключення насоса. З цією метою поміщаємо в бак три електроди на вказаній висоті.

Провід від них підводимо до відповідних входів електричної схеми керування. Вона потребує постійної напруги 12 вольт (блок живлення або акумулятор).

Якщо води в баку немає, то електричний зв’язок між контактами COM, L та N відсутній. Транзистори VT1, VT2 закриті. Але +12 вольт через діод VD1 проходить на базу VT3, відкриваючи його та, відповідно, VT4.

Останній подає напругу на реле KL1, яке своїми контактами включає насос. Він починає заповнювати бак водою. Світлодіод HL1 своїм світлом повідомляє про роботу насоса.

У момент досягнення водою рівня L відбувається відкриття VT1 але воно не впливає на стан VT3. Напруга з його основі підтримується резистором R8.

Коли вода досягає верхнього рівня H, спрацьовує ключ VT2, чим додатково знижує напругу на базі VT3 і, відповідно, VT4. Це призводить до вимкнення реле та насоса. Світлодіод гасне.

Насос буде знеструмлений до досягнення нижнього рівня води у баку. Далі описаний алгоритм роботи повторюється за циклом.

Обидві схеми показують роботу транзисторного ключа. Він управляється за командою, що надходить від контактних датчиків. У результаті відбувається включення чи відключення виконавчого органу . Виконання інших функцій не передбачено.

Регулятор струму на біполярному транзисторі: як працює схема керування

Принцип дії регулятора мені зручніше пояснювати наступним малюнком його відкритого стану.

Принципово вона нічим не відрізняється від тієї, яка розташована вище та демонструє роботу біполярного транзистора. Але тут наочніше і зрозуміліше показані процеси, які протікають за законом Ома.

Нагадаю, що закритий транзистор не пропускає через себе електричний струм. Але його відкритий стан створюється відразу двома робочими контурами:

1. емітер-база, де циркулює струм управління I1;
2. емітер-колектор з підключеною силовою схемою та струмом у ній I2.

Тут діє важлива закономірність: невеликий струм, що протікає через базу, керує великим навантаженням, підключеним до ланцюга емітер-колектор.

А робиться це все за рахунок зміни величини напруги між базою та змітером при одній і тій самій різниці потенціалів, прикладеної до зовнішньої схеми висновків колектора та емітера.

Спробував зобразити наступним малюнком принцип регулювання колекторного струму БТ.

Сподіваюся зрозуміло, що при низькій напрузі U1 він маленький, при середній – середній, а при підвищеній – збільшений.

Таким чином: колекторний струм регулюється прикладеною напругою до бази при тому самому напрузі між емітером і колектором.

За цим принципом працюють численні блоки живлення. Наведу приклад одного з простих конструкцію якого можна легко зібрати своїми руками.

Деталі позначені одразу на схемі. Трансформатор можна взяти зі старого лампового телевізора чи іншої техніки. Не складно його розрахувати та намотати самостійно. У будь-якому випадку він повинен відповідати навантаженню, яке через нього проходитиме.

Захист від коротких замикань та перевантажень виконуємо простими плавкими вставками. Діодний місток підбираємо за навантаженням. Найчастіше можна обійтися старими діодами Д226.

Нас у цій конструкції цікавить насамперед принцип регулювання, який здійснюється вихідним БТ КТ815. Він відбувається за рахунок зміни положення двигуна потенціометра R6, який управляє потенціалом на базі транзистора КТ315 (VT1).

З виходу КТ315 потенціал подається на базу VT2. А він уже визначає вихідні параметри в силовому ланцюзі 0-12 вольт.

5 технічних нюансів роботи біполярних транзисторів, які важливо враховувати під час проектування та експлуатації електронних ключів або регуляторів

Особливість №1

Електричні властивості БТ описуються складними формулами. Ними дуже незручно користуватися практично. Тому електронники працюють із графіками, що виражають зв’язки між вхідними та вихідними параметрами.

Їх поділяють на два види:

1. статичні, що визначають можливості напівпровідникових переходів по струмах і напругах на вході та виході за відсутності навантаження (режим холостого ходу);
2. вихідні – залежність струму через колектор від прикладеної вихідної напруги при конкретному струмі через базу.

Кожному БТ притаманні індивідуальні характеристики. Однак зараз подібних напівпровідників випущено так багато, що практично будь-якому з них не складно підібрати аналогічну заміну навіть іншого виробника.

Для роботи транзисторів може бути використаний один із наступних режимів:

• активний (нормальний чи інверсний);
• насичення;
• відсічення;
• бар’єрний.

Особливість №2

Будь-який БТ, створений з корпусом pnp або npn працює практично за одними й тими самими алгоритмами, які відрізняються лише напрямком протікання позитивного струму через напівпровідникові переходи.

Тому для прямих та зворотних транзисторів створюються індивідуальні схеми управління та підключення навантаження до вихідних ланцюгів.

Як приклад наведу ще одну схему простого зарядного пристрою, зібрану на транзисторному модулі з переходами pnp. Можете порівняти її з попереднім варіантом. Побачите практично однакову конструкцію, але із зворотним напрямком струму.

Тут деталей ще менше, а регулювання вихідних величин здійснюється за рахунок зміни значення напруги, що подається на вхід електронного модуля. Використовується звичайний потенціометр.

Особливість №3

При відкритому стані вхідний напівпровідниковий перехід у режим відсікання БТ має невелике падіння напруги. У окремому випадку він становить близько 0,7 вольта. Щоб зафіксувати вашу увагу на цьому питанні, спеціально намалював картинку — вважається, що так краще працює людська пам’ять.

Інакше кажучи: потенціал з урахуванням 0,7 вольта менше, ніж емітері. Для кремнієвих виробів він завжди становить 0,6-0,7 Ст.

Особливість №4

Струм колектора БТ визначається як струм бази, помножений на безумовно велику кількість постійної величини.

Ця властивість використовується для класифікації транзисторів коефіцієнта передачі струму при короткому замиканні на виході.

З цією метою запроваджено коефіцієнт h 21 . Його суть демонструє наступне зображення.

Якщо витримати показані номінали у наведеної схеми перевірки (10 вольт у джерела ЕРС і 100 кілоом у опору), то показання амперметра в міліамперах просто множимо на число 10. Отримаємо значення коефіцієнта h21.

Подібні алгоритми закладені в цифрові мультиметри та аналогові тестери, які дозволяють вимірювати коефіцієнт h21 під час перевірки БТ.

Особливість №5

При відкритому стані потенціал внутрішнього напівпровідникового переходу БТ колектора вищий, ніж емітер. У моєму окремому випадку він становить 0,3 вольта.

Тут відкритий транзистор працює як звичайний ключ, але він ідеальний. На його внутрішній схемі є падіння напруги в 0,3 вольта. Проте здебільшого це критично.

Припустимо, що в колекторному ланцюзі з’явився додатковий опір. Зміна струму через цей резистор спричинить падіння напруги на ньому.

Однак більш високий потенціал колектора разом із збільшеним струмом через базу можуть стабілізувати вихідні характеристики. В цьому випадку силові струми зберігають своє значення.

Як перевірити біполярний транзистор: 2 доступні методики

Для вибірки транзисторів з однаковими коефіцієнтами h21 існують спеціальні пробники. Нині ними постачаються звичайні цифрові мультиметри. За моєї молодості вони монтувалися тільки на дорогих аналогових тестерах.

Існує дві методики оцінки справності транзисторів:

1. за допомогою мультиметра або тестера за виміром опорів між усіма висновками (найпоширеніший і доступний спосіб);
2. за допомогою обчислення коефіцієнта h21 вбудованим пробником.

Як перевірити біполярний транзистор мультиметром або тестером: докладна інструкція з фотографіями

Якщо повернутися до конструкції напівпровідникових переходів, можна відразу помітити, що наш транзистор цілком допустимо уявити двома діодами, підключеними однойменними полюсами (p або n) зі своїми висновками. Загальна точка у них працюватиме базою.

Тепер згадаємо як перевіряється діод: через нього пропускають електричний струм в обидва напрями, а за його проходженням оцінюють внутрішній опір переходу. Якщо воно укладається в норматив, напівпровідник справний. Інша картина – шлюб.

Цей же принцип закладено на перевірку БТ. Просто через кожну пару контактів треба пропустити струм в обидві сторони, а за його зміною судити про справність елемента, що перевіряється.

Для перевірки нам знадобиться:

1. уточнити можливості свого мультиметра чи тестера;
2. скористатися довідковими даними, наведеними нижче;
3. виконати виміри.

Що треба враховувати у своєму вимірювальному приладі

Мій старенький тестер Ц4324 має позначки на своїй шкалі, на які потрібно звернути увагу.

Ми будемо працювати на шкалі kΩ. Поруч із гніздом для підключення вимірювального дроту стоїть значок -kΩ., що вказує на потенціал мінусу цього контактного гнізда. Плюс знаходиться на протилежному лівому боці.

Ці відомості допоможуть нам визначитися з напрямком струму, який протікатиме через напівпровідникові переходи.

У ролі вольтметра постійного струму у нього “плюс” знаходиться на цій же правій клемі. Знаючи це, перевіряю полярність мультиметра, переключивши його в режим вимірювання Ω або дзвінки, а тестер – вольт.

На показаному фото тестер заміряв напругу мультиметра, а останній опір вольтметра. Але нас зараз цікавить інша інформація:

1. плюсовий висновок мультиметра знаходиться на його червоному щупі ;
2. мінусової – чорний.

Довідкові дані – коротко

Відразу зауважу, що наведені тут параметри орієнтовні. Однак вони дозволяють оцінювати працездатність напівпровідникових переходів.

Справний БТ в ланцюгу база-колектор і база-емітер в один бік (залежить від прямої або зворотної провідності) має опір на межах омів, наприклад, 50-1200.

У протилежному напрямку струм не пропускається. Прилад покаже нескінченність: ∞ (яка відображається як 0.L, на окремих мультиметрах — знак 1).

При вимірах враховуємо:

1. плюсовий щуп ставиться висновок, відповідний входу струму, а мінусової — виходу;
2. значок ∞ означає, що на вказаній межі вимірювання мультиметр не зміг визначити опір: він більший (цілком можливий обрив ланцюга);
3. отриманий результат близько 0 Ом при вимірювання струмом через базу означає пробій переходу;
4. величина опору між колектором та емітером оцінюється значком ∞.

Як виконати вимірювання

Працювати можна тестером чи мультиметром. Різниці практично особливої ​​немає. Я все показуватиму на прикладі свого кишенькового Mestek MT-102 . Просто на старенькому Ц4324 мені складніше все пояснювати, а вам розбиратися.

Якщо у вас інший прилад і є труднощі з його освоєнням, то я маю статтю, де узагальнено і докладно викладено принципи вимірів будь-якими цифровими мультиметрами. Можете заходити та користуватися.

Я знаю, що у потужних транзисторів у металевих корпусах колектор завжди з’єднаний із металом корпусу.

Перевів мультиметр у режим продзвінка (можна омметра), один кінець закріпив крокодилом на корпусі, а другим щупом знайшов відповідний висновок. Замір показує нуль.

Щоб вам було зручніше відслідковувати мої дії за фотографіями, позначив висновки суто випадковим чином:

1. на один штирь надів короткий відрізок кембрика;
2. на другий – довгий;
3. третій залишив голим (колектор).

Я перевіряв силовий транзистор П213А із товстими контактами. На них просто зручно садити крокодили, робити фотографії. Робота з маленькими виробами та тонкими ніжками виконується аналогічно. Тільки щупи доведеться оголити і не допускати створення зайвих контактів.

Маркування П213А чітко позначено на корпусі. Вона дозволяє заглянути в довідник, визначити за картинкою в ньому виводу, дізнатися про технічні характеристики, включаючи провідність: пряму або зворотну.

Насправді часто це виконується: маркування не читається, виріб «no name». Ось цієї складної методики я і дотримуватимуся, як доводиться робити найчастіше.

Вибираю один із контактів (не помічений кембриком) і ставлю на нього щуп, наприклад, червоний. На другий довільний (довгий кембрик) підключаю чорний кінець. Записую показання -196 Ом.

Переношу чорний кінець на висновок із коротким кембриком. Бачу дуже великий опір.

Змінюю кінці місцями: на голий висновок саджу чорний щуп, а на довгий — червоний. Бачу високий опір.

Переношу червоний кінець на висновок із коротким кембриком. Заміряю 72 Ома.

Залишилося два виміри. Червоний щуп залишаю на колишньому місці, а чорний підключаю на висновок із довгим кембриком. Результат – 198 Ом.

Змінюю кінці місцями. Голий висновок не задіяний. Спостерігаю дуже великий опір.

Наразі залишається проаналізувати отримані результати.

Ми знаємо, що виведення бази є спільним для обох складових діодів. На нього повинні продзвонюватися з величиною омів обидва переходи. Це виміри №:

• 1 (плюс або червоний щуп на голому виведенні, мінус – на довгому кембрику);
• 4 (мінус на голому виведенні, плюс – на короткому кембрику);
• 5 (мінус на довгому плюс на короткому).

Зауважую, що загальний висновок для двох вимірів (1 та 5) із трьох позначений довгим кембриком. На нього з обох боків проходить струм. Значить, це база.

Два інші висновки: емітер та колектор. Треба їх якось розрізнити. Методика тут така: опір колектор-база завжди менше, ніж емітер-база. (Коллекторний струм неминуче найбільший). Порівнюємо 196 Ом у першому випадку та 198 у п’ятому.

Виходить, що колектор у нас нічим не помічений, що і підтвердила фотографія його продзвонювання на корпус. Висновок, що залишився, з коротким кембриком — емітер.

Звертаємо увагу на напрямок струмів на базу. Вони йдуть зовні всередину переходів (прямий напрямок: структура pnp). У зворотний бік струми не проходять: напівпровідники цілі.

Тепер важливе зауваження: малопотужні транзистори мають дуже високий опір між емітером та колектором при вимірювання струмом в обидві сторони.

Як виміряти коефіцієнт h21 у біполярного транзистора

Дуже давно я робив невелику коробочку з батарейкою, амперметром, набором опорів, перемикачем та клемами для підключення напівпровідників. Після невеликих маніпуляцій на цьому пристрої вимірювані струми колекторного ланцюга та бази перераховувалися за формулою. Так визначався коефіцієнт h21.

Нині такі дії вважаються мазохізмом. Більшість сучасних мультиметрів, навіть бюджетного класу, є вбудована функція при цьому виміру.

Користувачеві достатньо виставити перемикач приладу в положення hFE, а в контактне гніздо підключити випробуваний БТ з урахуванням провідності та зазначених висновків.

Прилад автоматично відпрацює, покаже обчислений коефіцієнт h21.

І ось що найцікавіше: навіть у такому простому вимірі новачки припускаються помилок, бо:

1. плутають місцями вивідні контакти чи провідність;
2. створюють нещільне прилягання висновків у гніздах мультиметра.

Друге відбувається частіше. Справа в тому, що всі БТ випускаються з різними товщинами контактних ніжок. Треба просто підібрати діаметр тяганини під отвір гнізда, щоб вона щільно входила до нього.

Нарізати кілька відрізків, підбираючи зручну довжину. Потім вони просто напоюються на ніжки для проведення виміру, як показано на фото вище.

Поширені запитання

Чим відрізняються дві основні схеми роботи біполярного транзистора?

Біполярний транзистор може працювати в режимі ключа або підсилювача. У першому випадку він діє як електронне реле — або пропускає струм, або блокує його, реагуючи на команду. Такий режим використовують у простих сигналізаціях, датчиках, блоках керування. У другому варіанті транзистор виступає як регулятор струму, пропорційно змінюючи його залежно від сигналу на базі. У побуті це дозволяє керувати яскравістю світла або обертами вентилятора. Наприклад, транзистор у схемі керування насосом забезпечує вмикання і вимикання при досягненні певного рівня води. Як і у випадку з вимикачами освітлення, що регулюють подачу струму — принцип той самий. Якщо вас цікавить практичне застосування таких схем в оселі, рекомендуємо ознайомитися з порадами щодо електромонтажних послуг у Львові.

Як розпізнати pnp і npn транзистори в схемі?

Розпізнати тип транзистора — pnp або npn — дуже важливо, особливо коли ви самостійно монтуєте схему або ремонтуєте пристрій. Основна різниця між цими типами полягає у напрямку струму і положенні стрілки на позначенні емітера. У pnp-транзистора стрілка дивиться на базу — струм тече від емітера до колектора. У npn — навпаки, стрілка виходить із бази. Це впливає на логіку керування та розташування елементів у схемі. Якщо переплутати тип, схема не працюватиме або перегріється. Тому перед заміною або розробкою монтажу переконайтесь у типі БТ. А для складніших завдань, як наприклад, встановлення розеток із вбудованим вимикачем, краще залучити професійного електрика зі Львова.

Як працює транзистор як електронний ключ?

Транзистор як електронний ключ поводиться подібно до класичного вимикача, тільки без механічного втручання. Його основна функція — забезпечити або заблокувати подачу струму на навантаження. Коли на базу подається керуючий сигнал (зазвичай у вигляді напруги), відкривається шлях між колектором і емітером, і струм протікає через схему. У зворотному випадку — транзистор залишається закритим, і струм не проходить. Такі електронні ключі широко використовуються в системах оповіщення, датчиках протікання, а також у розумних будинках. Простота реалізації та надійність зробили їх незамінними навіть у побутових приладах. Якщо ж ви хочете реалізувати подібну схему керування на практиці, зверніть увагу на установку щитового обладнання, адже правильне розміщення та підключення відіграє ключову роль у стабільності всієї системи.

У чому перевага використання транзистора як регулятора струму?

Коли транзистор працює в режимі регулятора, він дозволяє плавно змінювати силу струму в ланцюзі, залежно від напруги, прикладеної до бази. Це дозволяє створити більш точну систему керування, ніж звичайні перемикачі або резистори. Наприклад, у схемі регулятора напруги транзистор реагує на слабкий сигнал і змінює силу потоку у головному колі, вмикаючи або вимикаючи силові елементи. Таким чином, за допомогою одного маленького сигналу можна керувати роботою потужного приладу. Таку функцію активно використовують у блоках живлення, драйверах двигунів та регуляторах яскравості освітлення. Якщо ви хочете дізнатися більше про підключення регуляторів освітлення на базі транзисторів, перегляньте розділ про встановлення світильників та люстр — там ви знайдете багато прикладів із практики.