Транзисторы: ​принцип работы и схема включения

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частности, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по-разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

• TO-92 — компактный, для небольших нагрузок.
• TO-220AB — массивный, хорошо рассеивающий тепло, для больших нагрузок.

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но независимо от вариаций, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

• Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять.
• База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его.
• Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт».

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe, также известный как gain. Он отражает, во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100 и через базу проходит 0,1 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например, 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Он состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке Negative-Positive-Negative (NPN), где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена, и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют точно такое же назначение, что и биполярные, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор у полевых транзисторов не идёт, в отличие от биполярных.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

• Сток (drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять.
• Затвор (gate) — на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.
• Исток (source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт».

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в плане выдерживаемой мощности. Так, Arduino при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того, для работы некоторых компонентов требуется напряжение выше 5 В, на что выходные контакты Arduino (digital output pin) в принципе не способны.

Зато их с лёгкостью хватит для управления транзистором, который, в свою очередь, будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high) поступающие на базу 5 В откроют транзистор, и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low) база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокировано.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту «микроконтроллер — транзистор — земля». Главное — не превышать допустимый ток через контакт Arduino в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор расчётного номинала:

<latex>$$ R = \frac{U - U_d}{I} = \frac{5\unit{В} - 0.3\unit{В}}{0.04\unit{А}} \approx 118\unit{Ом} $$</latex>

здесь U_d — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала, из которого он изготовлен, и обычно составляет 0,3 – 0,6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим, для используемого транзистора h_fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА.

<latex>$$ R = \frac{U - U_d}{I} = \frac{5\unit{В} - 0.3\unit{В}}{0.001\unit{А}} = 4700\unit{Ом} = 4.7\unit{кОм} $$</latex>

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4,7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2,2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

Это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке «микроконтроллер — затвор — исток» отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.