Как работает транзистор в цепи питания

Обновлено: 21.11.2024

Светодиод — это устройство, показанное выше. Помимо красного, они также могут быть желтыми, зелеными и синими. Буквы LED означают светоизлучающий диод. В отношении диодов (включая светодиоды) важно помнить, что ток может течь только в одном направлении.

Чтобы светодиод работал, вам нужен источник питания и резистор. Если вы попытаетесь использовать светодиод без резистора, вы, вероятно, сожжете светодиод. Светодиод имеет очень малое сопротивление, поэтому через него будет проходить большое количество тока, если вы не ограничите ток с помощью резистора. Если вы попытаетесь использовать светодиод без источника питания, вы можете сильно разочароваться.

Итак, прежде всего, мы заставим наш светодиод загораться, настроив схему ниже.

Шаг 1.) Сначала вам нужно найти положительную ногу светодиода. Самый простой способ сделать это — найти более длинную ногу.

Шаг 2.) Как только вы узнаете, какая сторона положительная, поместите светодиод на макетную плату так, чтобы положительная ножка находилась в одном ряду, а отрицательная — в другой. (На рисунке ниже ряды вертикальные.)

Шаг 3.) Поместите одну ножку резистора на 220 Ом (не имеет значения, какая ножка) в том же ряду, что и отрицательная ножка светодиода. Затем поместите другую ногу резистора в пустой ряд.

Шаг 4.) Отсоедините адаптер питания от источника питания. Затем поместите заземляющий (черный провод) конец адаптера питания в боковой ряд с синей полосой рядом с ним. Затем поместите положительный (красный провод) конец адаптера питания в боковой ряд с красной полосой рядом с ним.

Шаг 5.) Используйте короткую перемычку (используйте красную, так как она будет подключена к положительному напряжению), чтобы перейти от положительного ряда питания (с красной полосой рядом с ним) к положительной ножке светодиода ( не в том же отверстии, а в том же ряду). Используйте другую короткую перемычку (используйте черную), чтобы перейти от заземляющего ряда к резистору (ножка, которая не подключена к светодиоду). При необходимости обратитесь к рисунку ниже.

Макетная плата должна выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Теперь подключите блок питания к стене, а затем подключите другой конец к адаптеру питания, и светодиод должен загореться. Ток течет от положительной ножки светодиода через светодиод к отрицательной ножке. Попробуйте перевернуть светодиод. Он не должен загораться. Ток не может течь от отрицательной ветви светодиода к положительной.

Часто думают, что резистор должен стоять первым на пути от плюса к минусу, чтобы ограничить ток, протекающий через светодиод. Но ток ограничивается резистором независимо от того, где находится резистор. Даже при первом включении питания ток будет ограничен определенной величиной, которую можно определить с помощью закона Ома.

Вездесущая польза закона Ома:
[Напряжение (вольты) = Ток (ампер) X Сопротивление (Ом)]

Закон Ома можно использовать с резисторами, чтобы найти ток, протекающий через цепь. Закон таков: I = V/R (где I = ток, V = напряжение на резисторе и R = сопротивление). Для приведенной выше схемы мы можем использовать только закон Ома для резистора, поэтому мы должны учитывать тот факт, что когда светодиод включен, на нем возникает падение напряжения в 1,9 (кстати: падение напряжения зависит от типа светодиода). Это означает, что если положительная ветвь подключена к 5 вольтам, отрицательная ветвь будет на 3,1 вольта (т. е. 5,0-1,9 = 3,1). Теперь, когда мы знаем напряжение на обеих сторонах резистора, мы можем использовать закон Ома для расчета тока. Ток равен (5,0-1,9) / 220 = 3,6 / 2000 = 0,0014 Ампер = 14 мА

Это ток, протекающий по пути от 5 В до GND. Это означает, что через светодиод и резистор (поскольку они соединены последовательно) проходит 14 мА. Если мы хотим изменить ток, протекающий через светодиод (таким образом, изменяя яркость), мы можем изменить резистор. Меньший резистор пропустит больший ток, а больший резистор пропустит меньший ток. Будьте осторожны при использовании меньших резисторов, потому что они будут сильно нагреваться. Кроме того, некоторые светодиоды будут разрушены, если вы будете использовать их сверх максимального номинального тока. поэтому не используйте резистор, который настолько мал, что вы будете генерировать чрезвычайно большой ток (примечание: наш светодиод имеет максимальный рабочий ток 20 мА).

Далее мы хотим иметь возможность включать и выключать светодиод без изменения схемы. Для этого мы научимся использовать еще один электронный компонент — транзистор.

Транзисторы являются основными компонентами всей современной электроники. Это всего лишь простые переключатели, которые мы можем использовать, чтобы включать и выключать вещи. Несмотря на свою простоту, они являются наиболее важным электрическим компонентом. Например, транзисторы — почти единственные компоненты, используемые для построения процессора Pentium. В одном чипе Pentium 4 около 55 миллионов транзисторов (именно поэтому эти чипы чертовски сильно нагреваются). Те, что в Pentium, меньше, чем те, которые мы будем использовать, но работают одинаково.

Транзисторы (2N2222), которые мы будем использовать в наших проектах, выглядят так:

Транзистор имеет три ножки: коллектор (C), базу (B) и эмиттер (E). Иногда их маркируют на плоской стороне транзистора. Транзисторы обычно имеют одну круглую сторону и одну плоскую сторону. Если плоская сторона обращена к вам, ножка эмиттера находится слева, ножка базы находится посередине, а ножка коллектора находится справа (примечание: некоторые специальные транзисторы имеют другую конфигурацию контактов, чем в корпусе TO-92, описанном выше). ).

Символ транзистора

Следующий символ используется на чертежах (схемах) для обозначения NPN-транзистора

Базовая схема

База (B) — это переключатель включения/выключения транзистора. Если ток течет к базе, будет путь от коллектора (C) к эмиттеру (E), по которому может течь ток (переключатель включен). Если ток не течет к базе, то нет тока может течь от Коллектора к Излучателю. (Переключатель выключен.)

Ниже показана базовая схема, которую мы будем использовать для всех наших транзисторов.

Чтобы построить эту схему, нам нужно всего лишь добавить транзистор и еще один резистор к схеме, которую мы построили выше для светодиода. Прежде чем вносить какие-либо изменения в макетную плату, отключите блок питания от адаптера питания. Чтобы поместить транзистор в макетную плату, слегка отделите ножки и поместите его на макетную плату так, чтобы каждая ножка находилась в другом ряду. Ножка коллектора должна находиться в том же ряду, что и ножка резистора, соединенного с землей (с черной перемычкой). Затем переместите перемычку, идущую от земли к резистору 220 Ом, к эмиттеру транзистора.

Затем поместите одну ножку резистора 100 кОм в ряд с базой транзистора, а другую ножку в пустой ряд, и ваша макетная плата должна выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Теперь поместите один конец желтой перемычки в положительный ряд (рядом с красной линией), а другой конец в ряд с ножкой резистора 100 кОм (конец, не подключенный к базе). Снова подключите источник питания, и транзистор включится, а светодиод загорится. Теперь переместите один конец желтой перемычки с положительного ряда на заземляющий ряд (рядом с синей линией). Как только вы удалите желтую перемычку с положительного источника питания, ток к базе перестанет течь. Это заставляет транзистор выключаться, и ток не может течь через светодиод. Как мы увидим позже, через резистор 100 кОм протекает очень небольшой ток. Это очень важно, потому что это означает, что мы можем управлять большим током в одной части цепи (током, протекающим через светодиод) только с небольшим током на входе.

Вернуться к закону Ома

Мы хотим использовать закон Ома, чтобы найти ток на пути от входа к базе транзистора и ток, протекающий через светодиод. Для этого нам нужно использовать два основных факта о конкретных транзисторах, которые мы используем:

1.) Если транзистор открыт, то напряжение базы на 0,7 вольт выше напряжения эмиттера.

2.) Если транзистор открыт, напряжение коллектора на 1,6 вольт выше напряжения эмиттера.

Поэтому, когда резистор 100k подключен к 5VDC, схема будет выглядеть так:

Таким образом, ток, протекающий через резистор 100 кОм, равен (5 - 0,7) / 100 000 = 0,000043 А = 0,043 мА.

Ток, протекающий через резистор 220 Ом, равен (3,1–1,6)/220 = 0,0068 А = 6,8 мА.

Если мы хотим, чтобы через светодиод протекал больший ток, мы можем использовать меньший резистор (вместо 220), и мы получим больший ток через светодиод, не изменяя величину тока, поступающего из входной линии в базу 100 кОм. резистор. Это означает, что мы можем управлять вещами, потребляющими много энергии (например, электродвигателями), с помощью дешевых транзисторных схем малой мощности. Вскоре вы научитесь использовать компьютер для управления событиями в реальном мире. Несмотря на то, что выходы стандартного компьютера на базе Windows не могут обеспечить ток, достаточный для включения и выключения света и двигателей, компьютер может включать и выключать транзисторы (поскольку для этого требуется очень небольшой ток), а транзисторы могут управлять большим током для фары и моторы. Эта концепция называется усилением и представляет собой фундаментальную концепцию компьютерного интерфейса для экспериментов в реальном мире.

Транзистор — это простой компонент, который можно использовать для создания множества забавных проектов. В этом практическом руководстве вы узнаете, как работают транзисторы, и сможете использовать их в своей следующей схеме.

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

Транзистор работает как электронный переключатель. Он может включать и выключать ток. Простой способ подумать об этом — посмотреть на транзистор как на реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо.

Но транзистор также можно частично открыть, что полезно для создания усилителей.

Как работают транзисторы (BJT)

Начнем с классического NPN-транзистора. Это транзистор с биполярным переходом (BJT) и имеет три ножки:

База (б)
Коллекционер (в)
Эмиттер (e)

Если вы включите его, через него может протекать ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет.

В приведенном ниже примере схемы транзистор выключен. Это означает, что через него не может течь ток, поэтому светоизлучающий диод (LED) также выключен.

Чтобы включить транзистор, необходимо напряжение около 0,7 В между базой и эмиттером.

Если бы у вас была батарея на 0,7 В, вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером, и транзистор включился бы.

Поскольку у большинства из нас нет батареи на 0,7 В, как включить транзистор?

Легко! Часть база-эмиттер транзистора работает как диод. У диода есть прямое напряжение, которое он «выхватывает» из доступного напряжения. Если вы добавите резистор последовательно, остальная часть напряжения упадет на резисторе.

Таким образом, вы автоматически получите около 0,7 В, добавив резистор.

Это тот же принцип, который вы используете для ограничения тока через светодиод, чтобы убедиться, что он не взорвется.

Если вы также добавите кнопку, вы сможете управлять транзистором и, таким образом, светодиодом, включая и выключая кнопку:

Выбор значений компонентов

Чтобы выбрать номиналы компонентов, вам нужно знать еще кое-что о том, как работают транзисторы:

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

Существует связь между размерами двух потоков. Это называется усилением транзистора.

Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904, это может быть около 100.

Это означает, что если от базы к эмиттеру течет 0,1 мА, от коллектора к эмиттеру может течь 10 мА (в 100 раз больше).

Какой номинал резистора вам нужен для R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если напряжение батареи составляет 9 В, а между базой и эмиттером транзистора возникает напряжение 0,7 В, то на резисторе остается 8,3 В.

Вы можете использовать закон Ома, чтобы найти сопротивление резистора:

Треугольник закона Ома

= \frac = 83000 \Omega" width="298" height="32" />

Итак, вам нужен резистор на 83 кОм. Это не стандартное значение, но 82 кОм, и это достаточно близко.

R2 предназначен для ограничения тока светодиода. Вы можете выбрать значение, которое вы бы выбрали, если бы вы подключили светодиод и резистор напрямую к батарее 9 В, без транзистора. Например, 1 кОм должно работать нормально.

Посмотрите видеообъяснение транзистора, которое я снял несколько лет назад (простите за устаревшее качество):

Как выбрать транзистор

Транзистор NPN является наиболее распространенным из транзисторов с биполярным переходом (BJT). Но есть еще один, называемый PNP-транзистором, который работает так же, только все токи идут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно помнить, какой ток он может выдержать. Это называется током коллектора (I_C).

БЕСПЛАТНЫЙ бонус: загрузите «Основные электронные компоненты» [PDF] — мини-книгу с примерами, которые научат вас работать с основными электронными компонентами.

Как работает MOSFET-транзистор

МОП-транзистор — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три контакта:

Символ MOSFET (N-канал)

МОП-транзистор работает аналогично биполярному транзистору, но с одним важным отличием:

В транзисторе BJT ток от базы к эмиттеру определяет, какой ток может течь от коллектора к эмиттеру.

В MOSFET-транзисторе напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток может течь от стока к истоку.

Пример: как включить полевой МОП-транзистор

Ниже приведен пример схемы включения МОП-транзистора.

Чтобы включить MOSFET-транзистор, необходимо напряжение между затвором и истоком, превышающее пороговое напряжение транзистора. Например, BS170 имеет пороговое напряжение затвор-исток 2,1 В. (Вы найдете эту информацию в техническом описании).

Пороговое напряжение МОП-транзистора на самом деле является напряжением, при котором он отключается. Таким образом, чтобы правильно включить транзистор, вам нужно напряжение немного выше этого.

Насколько выше зависит от того, какой ток вы хотите получить (и вы найдете эту информацию в техническом описании). Если вы превысите пороговое значение на пару вольт, этого обычно более чем достаточно для слаботочных задач, таких как включение светодиода.

Обратите внимание, что даже если вы используете достаточно высокое напряжение, чтобы протекать ток 1 А, это не означает, что вы получите 1 А. Это просто означает, что вы могли бы получить поток 1A, если бы захотели. Но фактический ток определяется тем, что вы к нему подключаете.

Таким образом, вы можете увеличивать напряжение до тех пор, пока не превысите максимально допустимое напряжение затвор-исток (которое для BS170 составляет 20 В).

В приведенном выше примере ворота подключаются к 9 В, когда вы нажимаете кнопку. Это включает транзистор.

Выбор значений компонентов

Значение R1 не имеет решающего значения, но около 10 кОм должно работать нормально. Его цель — отключить МОП-транзистор (подробнее об этом ниже).

R2 устанавливает яркость светодиода. 1 кОм подойдет для большинства светодиодов.

Q1 может быть практически любым n-канальным МОП-транзистором, например, BS170.

Как выключить МОП-транзистор?

Одна важная вещь, которую нужно знать о полевых МОП-транзисторах, это то, что они также действуют как конденсатор. То есть часть ворота-истока. Когда вы подаете напряжение между затвором и истоком, это напряжение остается там до тех пор, пока оно не разрядится.

Без резистора (R1) в приведенном выше примере транзистор не выключился бы. Резистор обеспечивает разрядку конденсатора затвор-исток, после чего транзистор снова отключается.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный МОП-транзистор. P-канальные МОП-транзисторы работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным, чтобы включить его.

На выбор предлагаются тысячи различных полевых МОП-транзисторов. Но если вы хотите построить приведенный выше пример схемы и хотите получить конкретную рекомендацию, BS170 и IRF510 — это две общие схемы.

При выборе полевого МОП-транзистора следует помнить о двух вещах:

Пороговое напряжение затвор-исток. Вам нужно напряжение выше, чем это, чтобы включить транзистор.
Непрерывный ток утечки. Это максимальный ток, который может протекать через ваш транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от того, что вы делаете. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните о двух параметрах выше, и у вас будет хорошая отправная точка.

Ток затвора МОП-транзистора

Если вы хотите управлять полевым МОП-транзистором, например, с Arduino или Raspberry Pi, вам нужно помнить еще об одном; ток, протекающий через затвор при включении транзистора.

Как кратко упоминалось выше, затвор-исток полевого МОП-транзистора действует как конденсатор.

Это означает, что после зарядки через него больше не протекает ток. Таким образом, когда MOSFET включен, через затвор не протекает ток.

Но когда MOSFET включается, возникает ток, как при зарядке конденсатора. В течение небольшой доли секунды может протекать большой ток.

Чтобы защитить Arduino (или то, что вы используете) от слишком большого тока, вам нужно добавить резистор затвора MOSFET:

Часто для этого достаточно значения 1000 Ом. Используйте закон Ома для проверки вашего конкретного случая.

Зачем вам нужен транзистор?

Часто мне задают вопрос: зачем нужен транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к аккумулятору?

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

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и т. д. с помощью Raspberry Pi/Arduino/микроконтроллера. Выходные контакты этих плат обычно могут обеспечивать только несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять уличным освещением внутреннего дворика на 110 В, вы не сможете сделать это напрямую с помощью контакта.

Вместо этого вы можете сделать это через ретранслятор. Но даже реле обычно требуется больший ток, чем может обеспечить контакт. Итак, вам понадобится транзистор для управления реле:

Подключите левую сторону резистора к выходному контакту (например, от Arduino), чтобы управлять реле

Транзисторы также полезны для более простых схем датчиков, таких как схема датчика освещенности, схема датчика прикосновения или схема Н-моста.

Мы используем транзисторы почти во всех схемах. Это действительно самый важный компонент в электронике.

Транзистор как усилитель

Транзистор также обеспечивает работу усилителей. Вместо двух состояний (ВКЛ./ВЫКЛ.) он также может быть где-то между «полностью включен» и «полностью выключен».

Это означает, что слабый сигнал почти без энергии может управлять транзистором, создавая гораздо более сильную копию этого сигнала в части коллектор-эмиттер (или сток-исток) транзистора. Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Ниже показан простой усилитель для динамика. Чем выше входное напряжение, тем выше ток от базы к эмиттеру и тем выше ток через динамик.

Изменение входного напряжения приводит к изменению тока в динамике, что создает звук.

Усилитель с общим эмиттером

Обычно вы добавляете еще пару резисторов для смещения транзистора. В противном случае вы получите много искажений. Но это для другой статьи.

Вопросы?

Теперь вы понимаете, как работают транзисторы? Или вы все еще путаетесь? Дайте мне знать в комментариях ниже.

Узнайте больше о транзисторах – одном из самых важных устройств, когда-либо изобретенных. В этой статье мы подробно узнаем, как они работают.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Что такое транзистор

Транзисторы бывают разных форм и размеров. Есть два типа сети, биполярная и полевая. В этой статье мы сосредоточимся в основном на биполярной версии. Транзисторы — это небольшие электронные компоненты, выполняющие две основные функции. Он может действовать как переключатель для цепей управления, а также усиливать сигналы.

Небольшие маломощные транзисторы заключены в полимерный корпус для защиты внутренних частей. Но более мощные транзисторы будут иметь частично металлический корпус, который используется для отвода выделяемого тепла, поскольку со временем это приведет к повреждению компонентов. Обычно мы находим эти транзисторы в металлическом корпусе прикрепленными к радиатору, который помогает отводить нежелательное тепло.

Например, внутри этого настольного блока питания постоянного тока есть несколько полевых МОП-транзисторов, прикрепленных к большим радиаторам. Без радиатора компоненты быстро достигают 45 градусов Цельсия (или 113 °F) при силе тока всего 1,2 ампера. Они станут намного горячее по мере увеличения тока. Но для электронных схем с небольшими токами мы можем просто использовать транзисторы в полимерном корпусе, которые не требуют радиатора.

На корпусе транзистора мы находим текст, который сообщает нам номер детали, который мы можем использовать, чтобы найти спецификацию производителя. Каждый транзистор рассчитан на определенное напряжение и ток, поэтому важно проверять эти листы.

Теперь с транзистором у нас есть 3 вывода, помеченные E, B и C. Это означает эмиттер, базу и коллектор. Как правило, в этих транзисторах с полимерным корпусом с плоским краем левый контакт является эмиттером, средний — базой, а правая сторона — коллектором. Однако не все транзисторы используют эту конфигурацию, поэтому сверяйтесь с техническими данными производителя.

Почему мы используем транзисторы?

Мы знаем, что если подключить лампочку к батарее, она загорится. Мы можем установить выключатель в цепь и управлять светом, прерывая подачу питания. Но для этого требуется, чтобы человек вручную управлял переключателем. Итак, как мы можем автоматизировать это? Для этого используем транзистор.Этот транзистор блокирует поток тока, поэтому свет не горит. Но если мы подадим небольшое напряжение на базовый контакт в середине, это заставит транзистор начать пропускать ток в основной цепи, поэтому свет загорится. Затем мы можем поместить переключатель на управляющий штифт, чтобы управлять им удаленно, или мы можем поместить на него датчик, чтобы автоматизировать управление.

Обычно нам нужно подать не менее 0,6–0,7 В на базовый контакт, чтобы транзистор включился. Например, эта простая транзисторная схема имеет красный светодиод с источником питания 9 вольт по основной цепи. Базовый контакт подключен к источнику питания постоянного тока. Принципиальная схема выглядит следующим образом.

Когда напряжение питания на выводе базы составляет 0,5 Вольт, транзистор выключен, поэтому светодиод также не горит. При напряжении 0,6 В транзистор открыт, но не полностью, светодиод тусклый, потому что транзистор еще не пропускает полный ток через основную цепь. Тогда при 0,7 вольта светодиод ярче, потому что транзистор пропускает почти полный ток, а при 0,8 вольта светодиод горит на полную яркость, транзистор полностью открыт.

Итак, мы используем небольшое напряжение и ток для управления большими напряжением и током.

Мы видели, что небольшое изменение напряжения на выводе основания вызывает большое изменение в основной цепи. Следовательно, если мы вводим сигнал на базовый вывод, транзистор действует как усилитель. Мы могли бы подключить микрофон, который изменяет сигнал напряжения на базовом контакте, и это усилит динамик в основной цепи, чтобы сформировать очень простой усилитель.

Обычно в контакте базы протекает очень небольшой ток, возможно, всего 1 миллиампер или даже меньше. Коллектор имеет гораздо больший ток, например 100 миллиампер. Соотношение между этими двумя значениями известно как текущий коэффициент усиления и обозначается символом бета (β). Мы можем найти соотношение в таблице данных производителя.

В этом примере ток коллектора составляет 100 миллиампер, а ток базы — 1 миллиампер, поэтому отношение равно 100, деленное на 1, что дает нам 100. Мы можем изменить эту формулу, чтобы также найти токи.

Транзисторы NPN и PNP

У нас есть два основных типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Два транзистора выглядят почти одинаково, поэтому нам нужно проверить номер детали, чтобы определить, какой из них какой.

С транзистором NPN у нас есть основная цепь и цепь управления. Оба подключены к плюсу аккумулятора. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем выключатель на цепи управления. Мы видим, что ток течет по обоим проводам к транзистору. Мы можем удалить основную цепь, и светодиод цепи управления все равно будет включаться при нажатии переключателя, поскольку ток возвращается к батарее через транзистор.

В этом упрощенном примере, когда переключатель нажат, на базовый контакт поступает ток 5 мА. Через штырь коллектора проходит 20 мА, а через эмиттер — 25 мА. Таким образом, ток объединяется в транзисторе.

С транзистором PNP у нас снова есть основная цепь и цепь управления. Но теперь эмиттер подключен к плюсу батареи. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем выключатель на цепи управления. С этим типом мы можем видеть, что часть тока вытекает из вывода базы и возвращается к батарее, остальная часть тока проходит через транзистор и основной светодиод и обратно к батарее. Если мы удалим основную цепь, светодиод цепи управления все равно будет гореть.

В этом примере, когда переключатель нажат, 25 миллиампер поступает в эмиттер, 20 миллиампер выходит из коллектора и 5 миллиампер выходит из базы. Таким образом, ток в транзисторе делится.

Транзисторы показаны на электрических чертежах с такими символами. Стрелка размещена на выводе излучателя. Стрелка указывает направление обычного тока, чтобы мы знали, как подключить их к нашим цепям.

Как работает транзистор

Чтобы понять, как работает транзистор, мы хотим, чтобы вы сначала представили воду, текущую по трубе. Он свободно течет по трубе, пока мы не перекроем его диском. Теперь, если мы присоединим меньшую трубу к основной и поместим в эту маленькую трубу поворотный затвор, мы сможем перемещать диск с помощью шкива.Чем дальше открываются распашные ворота; тем больше воды может протекать в магистральной трубе. Распашные ворота немного тяжеловаты, поэтому небольшого количества воды будет недостаточно, чтобы их открыть. Для открывания ворот требуется определенное количество воды. Чем больше воды течет в этой маленькой трубе, тем дальше открывается клапан и позволяет большему количеству воды течь в основную трубу. По сути, так работает NPN-транзистор.

Возможно, вы уже знаете, что при проектировании электронных схем мы используем обычный ток. Таким образом, в этой схеме NPN-транзистора мы предполагаем, что ток течет от положительных батарей к выводам коллектора и базы, а затем выходит из вывода эмиттера. Мы всегда используем это направление для разработки наших схем.

Однако на самом деле это не так. На самом деле электроны текут от минуса к плюсу батареи. Это было доказано Джозефом Томпсоном, который провел несколько экспериментов, чтобы открыть электрон, а также доказать, что они движутся в противоположном направлении. Итак, в действительности электроны текут от отрицательного к эмиттеру, а затем из коллектора и выводов базы. Мы называем это потоком электронов.

Помните, что мы всегда разрабатываем схемы, используя метод традиционных токов. Но ученые и инженеры знают, что на самом деле работает поток электронов.

Кстати, мы также подробно рассмотрели, как работает батарея, в нашей предыдущей статье, проверьте это ЗДЕСЬ.

Хорошо, мы знаем, что электричество — это поток электронов по проводу. Медная проволока является проводником, а резина - изолятором. Электроны могут легко проходить через медь, но не могут проходить через резиновый изолятор.

Если мы посмотрим на базовую модель атома для металлического проводника, у нас будет ядро в центре, окруженное рядом орбитальных оболочек, которые удерживают электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрон должен иметь определенное количество энергии, чтобы попасть в каждую оболочку. Электроны, расположенные дальше всего от ядра, обладают наибольшей энергией. Самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей валентной оболочке. Электроны удерживаются на месте ядром, но есть и другая оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон может достичь этого, то он может вырваться из атома и перейти к другим атомам. У атома металла, такого как медь, валентная оболочка и зона проводимости перекрываются, поэтому электронам очень легко двигаться.

С изолятором уплотняется самая внешняя оболочка. Там очень мало места, чтобы электрон мог присоединиться. Ядро крепко держит электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Следовательно, электричество не может проходить через этот материал.

Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний является примером полупроводника. В этом материале в валентной оболочке слишком много электронов, чтобы он мог быть проводником, поэтому он действует как изолятор. Но, поскольку зона проводимости находится довольно близко, если мы обеспечим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок в зону проводимости и стать свободными. Следовательно, этот материал может выступать как в качестве изолятора, так и в качестве проводника.

В чистом кремнии почти нет свободных электронов, поэтому инженеры добавляют в кремний небольшое количество другого материала, который изменяет его электрические свойства. Мы называем это легированием P-типа и N-типа. Мы объединяем эти материалы, чтобы сформировать соединение P-N. Мы можем объединить их вместе, чтобы сформировать транзистор NPN или PNP.

Внутри транзистора у нас есть вывод коллектора и вывод эмиттера. Между ними в транзисторе NPN у нас есть два слоя материала N-типа и один слой P-типа. Базовый провод подключен к слою P-типа. В транзисторе PNP это настроено наоборот. Все это заключено в смолу для защиты внутренних материалов.

Давайте представим, что кремний еще не был легирован, поэтому внутри находится только чистый кремний. Каждый атом кремния окружен 4 другими атомами кремния. Каждому атому нужно 8 электронов в его валентной оболочке. Но атомы кремния имеют только 4 электрона в своей валентной оболочке. Таким образом, они тайно делят электрон со своим соседним атомом, чтобы получить желаемую восьмерку. Это известно как ковалентная связь. Когда мы добавим материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. Атомы фосфора имеют 5 электронов на валентной оболочке. Итак, поскольку атомы кремния делят электроны, чтобы получить желаемые 8, им не нужен этот дополнительный, что означает, что теперь в материале есть дополнительные электроны, и они могут свободно перемещаться.

При легировании P-типа мы добавляем такой материал, как алюминий или алюминий-минимум, этот атом имеет только 3 электрона в своей валентной оболочке. Следовательно, он не может предоставить своим четырем соседям общий электрон, поэтому одному из них придется обойтись без него. Это означает, что образовалась дыра, в которой может находиться электрон.

Теперь у нас есть два легированных куска кремния, один со слишком большим количеством электронов, а другой с недостаточным количеством электронов. Два материала соединяются, образуя PN-соединение, на этом стыке мы получаем то, что известно как область истощения. В этой области часть избыточных электронов со стороны n-типа переместится, чтобы занять дырку на стороне p-типа. Эта миграция сформирует барьер с скоплением электронов и дырок на противоположных сторонах.

Электроны заряжены отрицательно, поэтому дырки считаются положительно заряженными. Таким образом, это накопление вызывает слегка отрицательно заряженную область и слегка положительно заряженную область. Это создает электрическое поле и предотвращает движение большего количества электронов. Разность потенциалов в этой области обычно составляет около 0,7 В.

Когда мы подсоединяем источник напряжения к двум концам, а плюс к материалу P-типа, это создает прямое смещение, и электроны начинают течь. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут совершить прыжок.

Когда мы реверсируем источник питания, так что положительный контакт соединяется с материалом N-типа, электроны, удерживаемые в барьере, будут притягиваться к положительному выводу, а дырки будут притягиваться к отрицательному выводу. Это вызвало обратное смещение.

В транзисторе NPN у нас есть два слоя материала N-типа, поэтому у нас есть два перехода и, следовательно, два барьера. Таким образом, через него обычно не может течь ток.

Материал эмиттера N-типа сильно легирован, поэтому здесь много избыточных электронов. Базовый P-тип слегка легирован, поэтому здесь есть несколько отверстий. Коллектор N-типа умеренно легирован, поэтому здесь есть несколько избыточных электронов.

Если мы подключим батарею к базе и эмиттеру, а плюс соединим со слоем P-типа, это создаст прямое смещение. Прямое смещение вызывает разрушение барьера, пока напряжение составляет не менее 0,7 вольт. Таким образом, барьер уменьшается, и электроны устремляются, чтобы заполнить пространство внутри материала P-типа. Некоторые из этих электронов займут дырку и будут притягиваться к положительному полюсу батареи. Слой P-типа тонкий и был намеренно слегка легирован, так что вероятность попадания электронов в дырку мала. Остальные останутся свободно перемещаться по материалу. Следовательно, только небольшой ток будет протекать через базовый штифт, оставляя избыток электронов теперь в материале P-типа.

Если мы затем подключим другую батарею между эмиттером и коллектором, с плюсом, подключенным к коллектору. Отрицательно заряженные электроны внутри коллектора будут притягиваться к положительной клемме, что вызывает обратное смещение. Если вы помните, при обратном смещении электроны и дырки барьера притягиваются обратно.

Итак, электроны на стороне P-типа барьера притягиваются к стороне N-типа, а дырки на стороне N-типа притягиваются обратно к P-типу. В материале P-типа уже имеется избыточное количество электронов, поэтому они будут двигаться, чтобы занять эти отверстия, и некоторые из них будут притягиваться, потому что напряжение этой батареи больше, поэтому притяжение намного выше. По мере того как эти электроны притягиваются, они текут в батарею, поэтому через переход обратного смещения возникает ток.

Более высокое напряжение на выводе основания полностью открывает транзистор, что означает больший ток и большее количество электронов, перемещающихся в слой P-типа, и, следовательно, больше электронов притягивается через обратное смещение. Мы также видим, что на стороне эмиттера транзистора течет больше электронов, чем на стороне коллектора.

Как работает транзистор?

Конструкция транзистора позволяет ему работать как усилитель или переключатель. Это достигается за счет использования небольшого количества электроэнергии для управления воротами при гораздо большей подаче электроэнергии, что очень похоже на поворот клапана для управления подачей воды.

Транзисторы состоят из трех частей: базы, коллектора и эмиттера. База представляет собой устройство управления воротами для более крупного электроснабжения. Коллектор — это более крупный источник электроэнергии, а эмиттер — выход для этого источника. Посылая различные уровни тока от базы, можно регулировать величину тока, протекающего через затвор от коллектора.Таким образом, очень малая величина тока может использоваться для управления большой величиной тока, как в усилителе. Тот же процесс используется для создания двоичного кода для цифровых процессоров, но в этом случае для открытия затвора коллектора требуется пороговое напряжение в пять вольт. Таким образом, транзистор используется как переключатель с двоичной функцией: пять вольт «включено», менее пяти вольт «выключено».

Полупроводящие материалы делают транзистор возможным. Большинство людей знакомы с электропроводящими и непроводящими материалами. Металлы обычно считаются проводящими. Такие материалы, как дерево, пластик, стекло и керамика, являются непроводящими или изоляционными материалами. В конце 1940-х годов группа ученых, работающих в Bell Labs в Нью-Джерси, открыла, как брать определенные типы кристаллов и использовать их в качестве электронных устройств управления, используя их полупроводниковые свойства. Большинство неметаллических кристаллических структур обычно считались изоляторами. . Но заставляя кристаллы германия или кремния расти с примесями, такими как бор или фосфор, кристаллы приобретают совершенно другие электропроводящие свойства. Помещая этот материал между двумя проводящими пластинами (эмиттер и коллектор), получается транзистор. При подаче тока на полупроводниковый материал (основу) электроны собираются до тех пор, пока не образуется эффективный канал, позволяющий проходить электричеству. Учеными, ответственными за изобретение транзистора, были Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли. Их патент назывался «Трехэлектродный элемент схемы с использованием полупроводниковых материалов».

Существует два основных типа транзисторов: переходные транзисторы и полевые транзисторы. Каждый работает по-своему. Но полезность любого транзистора заключается в его способности управлять сильным током при слабом напряжении. Например, транзисторы в системе громкой связи усиливают (усиливают) слабое напряжение, возникающее, когда человек говорит в микрофон. Электричество, поступающее от транзисторов, достаточно сильное, чтобы привести в действие громкоговоритель, который воспроизводит звуки намного громче, чем голос человека.

Переходной транзистор состоит из тонкого куска полупроводникового материала одного типа между двумя более толстыми слоями противоположного типа. Например, если средний слой относится к p-типу, внешние слои должны быть n-типа. Такой транзистор представляет собой NPN-транзистор. Один из внешних слоев называется эмиттером, а другой — коллектором. Средний слой – это основа. Места, где эмиттер соединяется с базой, а база соединяется с коллектором, называются переходами.

На слои NPN-транзистора должно быть подано правильное напряжение. Напряжение базы должно быть больше положительного, чем напряжение эмиттера. Напряжение коллектора, в свою очередь, должно быть больше, чем у базы. Напряжение подается от батареи или какого-либо другого источника постоянного тока. Эмиттер поставляет электроны. База вытягивает эти электроны из эмиттера, потому что имеет более положительное напряжение, чем эмиттер. Это движение электронов создает поток электричества через транзистор.

Ток проходит от эмиттера к коллектору через базу. Изменения напряжения, подключенного к базе, изменяют поток тока, изменяя количество электронов в базе. Таким образом, небольшие изменения базового напряжения могут вызвать большие изменения тока, вытекающего из коллектора.

Производители также выпускают транзисторы с PNP-переходом. В этих устройствах эмиттер и коллектор выполнены из полупроводникового материала p-типа, а база — из n-типа. Транзистор с соединением PNP работает по тому же принципу, что и транзистор NPN. Но он отличается в одном отношении. Основной поток тока в транзисторе PNP регулируется путем изменения количества отверстий, а не количества электронов в базе. Кроме того, этот тип транзистора работает должным образом только в том случае, если отрицательное и положительное соединения к нему противоположны соединениям NPN-транзистора.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор имеет только два слоя полупроводникового материала, один поверх другого. Электричество протекает по одному из слоев, называемому каналом. Напряжение, подключенное к другому слою, называемому затвором, мешает току, протекающему в канале. Таким образом, напряжение, подключенное к затвору, управляет силой тока в канале. Существует две основные разновидности полевых транзисторов: полевой транзистор с переходом (JFET) и полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET). Большинство транзисторов, содержащихся в современных интегральных схемах, являются полевыми МОП-транзисторами.
Отвечает: Джастин Шорс, старшеклассник

«Умоляю вас проявить интерес к этим священным областям, так выразительно называемым лабораториями. Просите, чтобы их было больше и чтобы они были украшены, ибо это храмы будущего, богатства и благополучия. Именно здесь человечество будет расти, крепнуть и совершенствоваться. Здесь человечество научится видеть прогресс и индивидуальную гармонию в творениях природы, в то время как собственные творения человечества слишком часто являются творениями варварства, фанатизма и разрушения».

Читайте также: