Блог

И вновь мы продолжаем изучать с вами полупроводники. Пришло время узнать о транзисторах, без которых электротехнический мир выглядел бы иначе.

В этой статье обсудим основные параметры транзисторов и посмотрим, как эти элементы используются, например, в сочетании с платой Arduino.

Многие ищут в Интернете информацию о том, как работает транзистор на практике. И если вы пришли на наш сайт именно за этим, то, мы надеемся, что эта статья ответит на многие ваши вопросы.

Что такое транзистор?

Резистор ограничивает ток, конденсатор накапливает заряд, а светодиод светится. Это понятно. Но что делает транзистор? Транзистор, очень популярный элемент, но описать его работу вкратце, непросто. Одно можно сказать наверняка: транзисторы произвели революцию в современной электронике.

Транзисторы повсюду, а интегральные схемы состоят из миллионов крошечных транзисторов!

Про работу транзистора можно сказать так, транзистор контролирует поток тока или усиливает его. Если сказать по-другому, то, транзистор является электронным переключателем. Благодаря ему мы можем безопасно (с низким током) включить поток с более высоким током.

Представьте себе электронное устройство, такое как Arduino , которое можно программировать, и с которым можно создавать чрезвычайно интересные проекты. Однако эта плата не может контролировать поток сильного тока. Вы можете, конечно, подключить к цепи светодиод, который будет потреблять небольшой ток, и все будет работать, но если вы подключите, например, мотор, то он будет потреблять такой большой ток, что вся система или плата просто сгорит.

Чтобы этого не произошло, мы должны будем поставить в схему транзистор. Благодаря такому решению, наша ардуиновская плата «скажет» транзистору «включиться» и принять большой ток, необходимый для питания мощного устройства, например, мотора. Таким образом, наша плата не повредится.

Основная информация о транзисторах

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые обычно имеют три вывода. Корпуса различаются в зависимости от параметров и назначения компонентов. Самые популярные из них, которые вы найдете в любом комплекте с Arduino, это тип TO92. Как можно видеть на картинке, они очень маленькие:

BC556 транзистор	BC546 транзистор

Кстати, один и тот же транзистор может выпускаться в разных корпусах. Обратите на это внимание!

Транзисторы характеризуются множеством параметров, но на корпусах транзисторов они не написаны. Производители используют маркировку в виде букв и цифр (например, BC546 и BC556), а подробные сведения нужно смотреть в каталогах производителя. Информацию легко найти — достаточно ввести символ элемента в поисковике любого браузера.

Пример фрагмента такого документа для одного из наших транзисторов:

Выдержка из документации	Выдержка из документации

Детальное обсуждение конструкции или строения транзисторов выходит далеко за рамки данной статьи. Эти знания вам не нужны, даже для применения их на практике. Отнеситесь к этой информации как к интересным фактам, к которым вы сможете вернуться, когда познакомитесь с транзисторами на практике.

Биполярные транзисторы состоят из трех полупроводниковых слоев, к каждому из которых прикреплен один вывод. Эти слои накладываются друг на друга, образуя систему из двух так называемых разъемов (диодов). Обозначения NPN и PNP нужны для определения точки контакта полупроводников.

В биполярных транзисторах все три контакта имеют свои названия:

• эмиттер (обозначается на схемах буквой E),
• база (обозначается буквой B),
• коллектор (обозначается буквой K).

Если мы приложим небольшое напряжение к базе (по отношению к эмиттеру), электроны от эмиттера начнут двигаться к нему. Однако область базы очень тонкая, поэтому большая часть электронов попутно уйдет в область коллектора.

Если бы этот механизм был идеальным, база не могла бы захватывать электроны и через нее не протекал бы ток. К сожалению, часть электронов попадает в область базы, откуда их нужно забирать. Это вызывает небольшой нежелательный ток, протекающий через основание. Однако полезным является ток коллектора, который достигает подавляющего большинства электронов от эмиттера.

Исходя из этого уже можно сделать вывод, что транзистор является управляемым элементом: изменяя базовый ток, то есть количество разряженных электронов, мы регулируем ток коллектора. Отношение этих двух токов и есть коэффициент усиления по току, обозначаемый греческой буквой β (бета) — эта величина не имеет единицы измерения:

β = ток коллектора / ток базы ,
записывается как: β = I C / I B

В ходе экспериментов мы рассчитаем это значение усиления, и тогда, вам будет проще все это понять и запомнить.

Типы биполярных транзисторов

Есть два типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Как уже упоминалось — это информация нам должна говорить о том, какой проводимости данный транзистор: прямой или обратной.

Объясняем на практике и очень упрощенно для новичков:

• Тип NPN начнет проводить ток при подаче на базу положительного напряжения по отношению к эмиттеру, т.е. при стандартном подключении к базе, мы дадим высокий потенциал (плюс от АКБ),
• Тип PNP начнет проводить ток, когда мы подадим на базу отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, т.е. при стандартном подключении к базе мы даем низкий потенциал (земля, минус от батареи).

Запомните! Использование транзисторов PNP, активизируют поток тока низкого потенциала.

Все это станет ясно после завершения практического упражнения. Прежде чем мы перейдем к упражнению, стоит упомянуть, что каждый тип транзистора имеет свой символ на схемах. В транзисторах NPN стрелка на эмиттере указывает за пределы системы, в то время как в PNP, стрелка указывает внутрь символа. Эта стрелка показывает направление, в котором ток течет между эмиттером и базой.

Проверка NPN-транзисторов на практике

Итак, теория позади. Пришло время проверить, как это работает на практике. О транзисторах можно очень много и долго рассказывать, но мы обсудим только их основные принципы работы. Мы начнем со схемы, которая будет использовать транзистор в качестве ключа, управляющего освещением светодиода. Таким образом, контролируя ток базы, мы сможем включать и выключать диод, подключенный к транзистору.

Для сборки схемы потребуются следующие комплектующие:

• Транзистор BC546B,
• Резисторы 1 кОм и 10 кОм,
• Светодиод,
• Аккумулятор 9 В с проводами,
• Макетная плата,
• Мультиметр.

Схема подключения представлена ​​ниже. На точки, обозначенные как амперметры и вольтметры, можете пока не обращать внимание. Вам просто нужно собрать схему таким образом, чтобы можно было щупами мультиметра прикоснуться к этим четырем отмеченным местам.

Описание выводов транзистора следует проверять в его документации. Вы также можете использовать наши схемы, вам просто нужно помнить, что всегда лучше проверять описание контактов в примечании к каталогу на наличие новых элементов (не всегда все контакты расположены в одном порядке):

Эта схема может быть собрана на макетной плате, например, следующим образом:

На практике это может выглядеть следующим образом. В результате этого подключения загорается светодиод, в этом нет ничего необычного, правда? Однако давайте проверим, что именно происходит в цепи.

После подключения АКБ загорается светодиод. Ток течет через базу (ограничивается резистором 10 кОм), что позволяет току протекать через коллектор последовательно с включенным диодом. Резистор (1 кОм) ограничивает ток, протекающий через этот диод, чтобы светодиод не сгорел. Если кабель от положительной шины питания к базе отсоединен, светодиод гаснет.

Если схема работает, на ней можно сделать несколько измерений. Сначала измеряем напряжения, показанные на диаграмме. Речь идет о напряжении между базой и эмиттером (так называемая база-эмиттер) и между коллектором и эмиттером (т.е. коллектор-эмиттер).

Измерение напряжения база-эмиттер	Измерение напряжения коллектор-эмиттер

Теперь пришло время для более интересного измерения, то есть измерения силы тока. Не забудьте переместить ручку мультиметра в правильное положение и проверить базовый ток (подключив мультиметр последовательно с резистором 10 кОм ), и ток коллектора (подключив мультиметр последовательно с резистором 1 кОм). Т.к. мы ожидаем небольших значений, значит устанавливаем диапазон 20 мА.

Измерение базового тока	Измерение тока коллектора

Стоит собрать результаты измерений в таблицу:

Интерпретация измерений: напряжение коллектор-эмиттер невелико, порядка нескольких десятков милливольт. Это означает, что транзистор вошел в состояние насыщения. Такое происходит, когда через коллектор протекает ток меньший, чем можно было бы судить по коэффициенту β . Давайте проверим, так ли это: согласно документации на этот транзистор, коэффициент находится в диапазоне от 200 до 450. Об этом свидетельствует буква B в конце маркировки, которая также есть на нашем транзисторе. Фрагмент документации:

Давайте проведем простой расчет: мы знаем ток базы, мы знаем коэффициент усиления по току. Так какой ток должен протекать через коллектор, чтобы он стал ненасыщенным? Преобразуем формулу β = I c / I B к следующему виду: I c = β * I B , затем подставляем в нее крайние значения коэффициента, т.е. 200 и 450. И вычисляем диапазон ожидаемого тока коллектора:

• минимум: I c1 = β * I B = 200 * 0,86 мА = 172 мА
• максимум: I c2 = β * I B = 450 * 0,86 мА = 387 мА

Между тем, через коллектор протекает всего 7 мА. Это потому, что он ограничен резистором 1 кОм. Если бы его не было, через коллектор мог бы протекать гораздо больший ток, но это привело бы к разрушению светодиода, транзистора и (возможно) к повреждению батареи.

Транзистор здесь работает как переключатель: включив базовый ток низкой интенсивности, мы можем включить поток более высокого тока через коллектор. В свою очередь, после отключения тока базы, почти сразу пропадает и коллекторный ток.

Когда ток течет через коллектор, транзистор считается открытым. Тогда напряжение на его основе примерно на 0,7 В выше, чем на эмиттере. В свою очередь, чтобы закрыть транзистор (то есть предотвратить протекание тока коллектора), напряжение база-эмиттер должно быть уменьшено (желательно до нуля).

Использование транзисторов NPN и PNP

Пришло время объяснить практические различия между транзисторами NPN и PNP. Независимо от типа транзистора, который мы используем для пропускания большого тока (эмиттер-коллектор), нам нужно «замкнуть» схему база-эмиттер, чтобы он работал.

• В транзисторах NPN, эмиттер соединен с землей системы (GND), поэтому база должна быть подключена (через токоограничивающий резистор) к плюсу батареи (VCC).
• Однако в случае PNP, эмиттер подключен к VCC, поэтому база должна быть подключена (через резистор) к земле системы (GND).

В таких системах, ток, протекающий через базу, чаще всего ограничивают резистором 10 кОм!

Другими словами, протекание сильного тока можно «активировать» через резистор:

• масса системы (GND) в случае PNP,
• положительная подача (VCC) в случае NPN.

На практике, схемы, управляющие светодиодом через транзистор, могут выглядеть так, как на картинке ниже. Светодиод является здесь лишь примером, используемым для легкой демонстрации. Обычно вместо светодиодов подключаются элементы, потребляющие большой ток (например, двигатели или реле).

Обязательно запомните эти схемы. Лучше всего сейчас собрать обе схемы и протестировать их! Главное — запомнить разницу между вышеперечисленными транзисторами. Один из них позволяет току протекать по «положительной силовой шине», а другой, по «отрицательной силовой шине».

Практическое применение транзисторов

Ниже приведена схема, на которой микроконтроллер управляет зуммером (звуковым датчиком), потребляющим около 50 мА . Чаще всего с одного выхода на плате Arduino можно получить до 20 мА , поэтому прямое подключение зуммера может повредить плату. Использование транзистора, который действует как переключатель, позволяет безопасно управлять зуммером.

В этой схеме, через вывод микроконтроллера протекает только небольшой ток, порядка 0,8 мА, а питание зуммера осуществляется от транзистора. Состояние High на выходе платы Arduino включает звук.

Чтобы не вдаваться в детали расчета, можно предположить, что использование резистора 10 кОм позволяет, в таких случаях, управлять нагрузками, потребляющими не более 60 мА, а резистор 1 кОм подойдет в ситуациях, когда нагрузка потребляет до 500 мА, но тогда вам нужно будет использовать другой транзистор, например BC337 , который способен управлять таким током.

Подключение нагрузки к эмиттеру

Многие новички задаются вопросом, что будет, если мы подключим к эмиттеру «нагрузку», или к коллектору. Схема также будет работать, но здесь мы входим в довольно запутанную тему различных схем транзисторов (общий коллектор, общий эмиттер, общая база).

Будет намного лучше, если нагрузка все же будет подключена к коллектору, а не к эмиттеру.

Практические проекты с транзисторами

Конечно, у транзисторов гораздо больше применений. И в следующих статьях, мы попробуем реализовать интересные проекты, которые помогут вам лучше понять работу транзисторов. Одним из примеров будет конструкция вышеупомянутой системы мигания, только с двумя светодиодами, которая может, например, имитировать работу полицейской мигалки на крыше машины.

Вывод

Мы кратко обсудили, что такое транзисторы, как они устроены, и как работают. Мы также доказали, что транзистор можно использовать в качестве переключателя с управляемым состоянием на выходе микроконтроллера. Вы обязательно поймете всю ценность этого элемента, когда начнете программировать собственные проекты на Arduino, что мы настоятельно рекомендуем.

С Уважением, МониторБанк