Глава 22. Биполярные транзисторы

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать конструкцию транзистора и две его различные конфигурации.

• Нарисовать схематические обозначения n-p-n и р-n-р транзисторов и пометить их выводы.

• Перечислить способы классификации транзисторов.

• Перечислить функции транзистора, используя справочник и условное обозначение.

• Перечислить распространенные корпуса транзисторов.

• Объяснить, как проверить транзистор с помощью омметра и с помощью прибора для проверки транзисторов.

• Описать процесс подбора замены транзистора.

В 1948 году в лабораториях фирмы Bell был изготовлен первый работающий транзистор. Транзистор — это состоящее из трех элементов и двух р-n переходов устройство, используемое для управления электрическим током.

Изменяя величину напряжения, приложенного к трем элементам, можно управлять величиной тока через транзистор и использовать его для усиления, генерации или переключения. Этим применениям посвящены главы 26, 27 и 28.

22-1. КОНСТРУКЦИЯ ТРАНЗИСТОРА

Когда к полупроводниковому диоду добавляется третий слой полупроводника, получается устройство, которое может усиливать мощность или напряжение. Это устройство называется биполярным транзистором или просто транзистором. Далее мы везде будем использовать термин транзистор.

Транзистор, как и диод, может быть изготовлен из германия или кремния, но кремний более популярен. Транзистор состоит из трех областей с чередующимся типом проводимости (по сравнению с двумя у диода). Эти три области могут быть расположены двумя способами.

В первом случае материал р-типа расположен между двумя слоями материала n-типа, образуя n-p-n транзистор (рис. 22-1). Во втором случае слой материала n-типа расположен между двумя слоями материала р-типа, образуя р-n-р транзистор (рис. 22-2).

У транзисторов обоих типов средняя область называется базой, а внешние области называются эмиттером и коллектором.

Рис. 22-1. n-p-n транзистор.

Рис. 22-2. р-n-р транзистор.

22-1. Вопросы

1. Чем конструкция транзистора отличается от конструкции диода?

2. Какие существуют два типа транзисторов?

3. Как называются три части транзистора?

4. Нарисуйте схематические обозначения n-p-n и р-n-р транзисторов и обозначьте их выводы.

5. Для чего используются транзисторы?

22-2. ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ И ИХ КОРПУСА

Транзисторы классифицируются по следующим параметрам:

1. По типу проводимости (n-p-n или р-n-р).

2. По используемому материалу (германий или кремний).

3. По основному назначению (высокой или низкой выходной мощности, переключательные или высокочастотные).

Большинство транзисторов идентифицируются по условному обозначению. Условное обозначение состоит из пяти элементов и содержит информацию об исходном материале транзистора, его назначении, классификации, номере разработки. Эти символы идентифицируют устройство как транзистор и показывают, что он имеет 2 р-n перехода.

Корпуса служат для защиты транзистора и обеспечивают возможность электрического подсоединения к эмиттеру, базе и коллектору. Корпус также служит для отвода тепла или площадью, с которой тепло может излучаться, удаляя избыточное тепло от транзистора и предотвращая возможность теплового повреждения. Существует много различных корпусов, охватывающих широкую область применений (рис. 22-3).

Рис. 22-3. Различные корпуса транзисторов.

Корпуса транзисторов отличаются размерами и конфигурацией. Некоторые часто встречающиеся корпуса транзисторов показаны на рис. 22-4.

Вследствие большого разнообразия корпусов транзисторов очень трудно предложить общее правило для идентификации выводов эмиттера, базы и коллектора на каждом устройстве. Для этого лучше обратиться к инструкции, предоставляемой производителем, или к справочнику.

Рис. 22-4. Типичные корпуса транзисторов.

22-2. Вопросы

1. Как классифицируются транзисторы?

2. Какие символы используются для классификации транзисторов?

3. Для чего служат корпуса транзисторов?

4. Как обозначаются корпуса транзисторов?

5. Как определить, какой вывод у транзистора является базой, эмиттером или коллектором?

22-3. ОСНОВЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

Диод является выпрямителем, а транзистор — усилителем. Транзистор может использоваться различными способами, но основной его функцией является усиление сигналов.

К транзистору должно быть правильно приложено напряжение смещения для того, чтобы области эмиттера, базы и коллектора взаимодействовали должным образом.

При правильно приложенном напряжении смещения эмиттерный переход транзистора смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном. Правильно приложенное напряжение смещения на транзистор типа n-р-n показано на рис. 22-5.

Рис. 22-5. Правильно смещенный n-р-n транзистор

Смещение в прямом направлении заставляет электроны течь с эмиттера n-p-n транзистора. Прямое смещение — это положительное напряжение на выводе базы по отношению к эмиттеру. Положительный потенциал базы притягивает электроны, создавая поток электронов из эмиттера. На электроны, притянутые базой, начинает влиять положительный потенциал, приложенный к коллектору. Большинство электронов притягивается к коллектору и к положительному выводу источника тока, создающего обратное смещение. Небольшая часть электронов поглощается областью базы и поддерживает небольшой поток электронов от базы, область базы при этом должна быть предельно тонкой. В правильно смещенном р-n-р транзисторе выводы источников тока необходимо поменять местами (рис. 22-6).

Рис. 22-6. Правильно смещенный р-n-р транзистор

Разница между n-р-n и р-n-р транзисторами двойная: источники тока имеют противоположную полярность, и направление потока электронов меняется на противоположное.

Как и в диоде, в транзисторе существует потенциальный барьер. В транзисторе потенциальный барьер возникает у перехода эмиттер-база. Для того чтобы электроны могли проходить через этот переход, внешнее смещение должно превышать потенциальный барьер. Величина внутреннего потенциального барьера определяется типом используемого полупроводникового материала. Как и в диодах, величина внутреннего потенциального барьера составляет 0,3 вольта для германиевых транзисторов и 0,7 вольта для кремниевых.

К переходу коллектор-база транзистора также должен быть приложен положительный потенциал, достаточно высокий для того, чтобы притягивать большинство электронов, поставляемых эмиттером. Напряжение обратного смещения, приложенное к переходу коллектор-база обычно намного выше, чем напряжение прямого смещения, приложенного к переходу эмиттер-база, снабжающего электронами этот источник более высокого напряжения.

22-3. Вопросы

1. В чем основная функция транзистора?

2. Каков правильный способ подачи смещения на транзистор?

3. В чем разница подачи смещения на n-р-n и р-n-р транзистор?

4. Чему равна величина потенциального барьера для германиевого и кремниевого транзисторов?

5. Чем отличаются напряжения смещения переходов коллектор-база и эмиттер-база?

22-4. ПРОВЕРКА ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые обычно работают длительное время без отказа.

Если транзистор вышел из строя, то это вызвано или высокой температурой, или большим током, или высоким напряжением. Отказ может быть вызван и высоким механическим давлением. В результате такого электрического или механического воздействия в транзисторе может произойти разрыв цепи или короткое замыкание, или его характеристики могут измениться достаточно сильно, чтобы повлиять на его работу. Существует два метода проверки транзисторов для определения его исправности: с помощью омметра и с помощью прибора для проверки транзисторов.

Стандартный омметр может помочь обнаружить неисправный транзистор методом проверки вне цепи. Для этого проверяется сопротивление между двумя переходами транзистора следующим образом: между эмиттером и базой, между коллектором и базой и между коллектором и эмиттером. При проверке транзистора сопротивление между любыми двумя выводами измеряется при подключении измерительных проводов омметра одним и тем же образом. После этого измерительные провода омметра меняют местами. При одном подключении проводов сопротивление должно быть высоким, 10000 ом или более. При противоположном подключении сопротивление должно быть ниже, менее чем 10000 ом.

Каждый переход транзистора имеет низкое сопротивление, когда он смещен в прямом направлении, и высокое сопротивление, когда он смещен в обратном направлении. Батарея в омметре является источником как прямого, так и обратного смещения. Измеренное сопротивление различно у транзисторов различных типов, но всегда отличается при перемене выводов омметра. Этот метод проверки пригоден как для транзисторов типа n-р-n, так и для транзисторов типа р-n-р (рис. 22-7).

Рис. 22-7. Измерение сопротивлений переходов транзистора.

Если транзистор не проходит эту проверку, то он неисправен, но, тем не менее, может быть неисправным, и если проходит. Более надежным способом проверки транзисторов является использование прибора для проверки транзисторов.

Предостережение: как и в случае диодов, напряжение на выводах омметра не должно превышать максимально допустимое между переходами транзистора. Нижние шкалы некоторых омметров могут допустить ток, который повредит транзистор при проверке. В качестве меры предосторожности лучше начать измерение с безопасной шкалы и только после этого перейти на шкалу, дающую адекватный отсчет.

Приборы для проверки транзисторов специально рассчитаны на проверку транзисторов и диодов. Существуют два типа таких приборов: для проверки в составе цепи и для проверки вне цепи. Оба прибора могут быть размещены в одном корпусе (рис. 22-8).

Рис. 22-8. Прибор для проверки транзисторов.

Способность транзисторов усиливать принимается за грубую оценку их работоспособности. Прибор для проверки в составе цепи имеет преимущество, так как транзистор не надо удалять из цепи для проверки. Прибор для проверки вне цепи может не только определить исправность транзистора, но также измерить ток утечки, что нельзя проделать в составе цепи.

Приборы для проверки транзисторов содержат органы управления для установки величины напряжения, тока и сигнала. Для выбора правильных режимов измерения необходимо обратиться к инструкции по эксплуатации прибора.

22-4. Вопросы

1. Что может служить причиной выхода транзистора из строя?

2. Каковы два метода проверки транзисторов?

3. Что должен показывать омметр при проверке n-р-n транзистора?

4. Какие существуют два типа приборов для проверки транзисторов?

22-5. ЗАМЕНА ТРАНЗИСТОРОВ

Чтобы обеспечить возможность замены транзисторов, производители публикуют их параметры. Пользуясь этими данными, можно уверенно проводить замену транзисторов.

Если транзистора нет в списке или его условное обозначение пропущено, для точного выбора замены может быть использована следующая процедура.

1. n-p-n или р-n-р? Первым источником информации может быть условное обозначение на схеме. Если схемы нет, нужно определить полярность источника питания между эмиттером и коллектором. Если на коллекторе по отношению к эмиттеру плюс, то это — транзистор n-р-n типа. Если на коллекторе по отношению к эмиттеру минус, то это — транзистор р-n-р типа. Простой способ запомнить полярность напряжения на коллекторе для каждого типа транзистора показан на рис. 22-9.

Рис. 22-9. Как запомнить полярность напряжения на коллекторе.

2. Германиевый или кремниевый? Измерьте напряжение между эмиттером и базой. Если это напряжение составляет примерно 0,3 вольта, то транзистор германиевый. Если это напряжение составляет примерно 0,7 вольт, то транзистор кремниевый.

3. Какова область частот, в которой работает транзистор?

Установите тип цепи и установите, работает ли транзистор в диапазоне звуковых частот, в килогерцовом или в мегагерцовом диапазоне.

4. Чему равно рабочее напряжение? Напряжение между коллектором и эмиттером, коллектором и базой и эмиттером и базой может быть определено либо из схемы, либо путем непосредственного измерения. Транзистор, выбранный для замены, должен иметь паспортные значения напряжений, по крайней мере, в три или четыре раза превышающие напряжения, при которых он будет работать. Это поможет защитить транзистор от выбросов напряжения, тока и переходных процессов, имеющих место в большинстве цепей.

5. Какие требования к току коллектора? Простейший способ определения тока коллектора — измерение тока в цепи коллектора с помощью амперметра. Измерение должно быть проведено при максимальной потребляемой мощности. Опять же, в целях безопасности для замены следует подобрать транзистор, паспортное значение тока коллектора которого в три-четыре раза превышает измеренный ток.

6. Какова максимальная рассеиваемая мощность? Для определения максимальной мощности (Р = IE) используйте максимальное напряжение и максимальное значение тока коллектора. Транзистор является главным фактором при определении рассеиваемой мощности в цепях следующих типов:

• Входные каскады на звуковых или радиочастотах (от 50 до 200 мВт).

• Каскады промежуточной частоты или задающие каскады (от 200 мВт до 1 Вт).

• Мощные выходные каскады (1 Вт и выше).

7. Какое усиление по току? Усиление малого сигнала постоянного тока в схеме с общим эмиттером характеризуется коэффициентом усиления h_21, или Бета (β) и будет рассмотрено далее. Некоторыми типичными категориями усиления являются:

• Смесители радиочастоты, усилители промежуточной и звуковой частот (усиление в диапазоне от 80 до 150 кГц)

• Задающие каскады радио и звуковой частоты (от 25 до 80 кГц)

• Выходные каскады радио и звуковой частоты (от 4 до 40 кГц)

• Предварительные усилители с высоким усилением (от 150 до 500 кГц)

8. Каков тип корпуса? Часто разница между типами корпуса оригинальной детали и рекомендуемой замены несущественна. На размер и тип корпуса обращают внимание только тогда, когда на плате мало места и требуется точная подгонка. При установке мощных транзисторов необходимо всегда использовать силиконовую смазку для того, чтобы обеспечить отвод тепла.

9. Какая конфигурация выводов? Это не самое главное соображение при замене транзисторов, хотя для облегчения установки транзистора желательно, чтобы конфигурация выводов совпадала.

22-5. Вопросы

1. Где можно найти советы по замене транзисторов?

2. Почему важно знать, является транзистор германиевым или кремниевым?

3. Почему при замене транзистора важно знать его рабочую частоту, рабочие значения напряжений и токов и рассеиваемую мощность?

4. Что характеризует коэффициент транзистора Бета?

5. Играет ли важную роль при замене транзистора его корпус и конфигурация выводов?

РЕЗЮМЕ

• Транзистор — это устройство, состоящее из трех слоев, и используемое для усиления мощности и напряжения.

• Биполярный транзистор часто называют просто транзистором.

• Транзисторы бывают конфигурации n-p-n или р-n-р.

• Средняя область транзистора называется базой, а две внешние области — эмиттером и коллектором.

• Схематические обозначения n-p-n и р-n-р транзисторов изображены ниже:

• Транзисторы классифицируются по типу проводимости (n-p-n или р-n-р), по материалу (германиевый или кремниевый), по мощности: малой или большой, по способу использования: переключательный или высокочастотный.

• Условные обозначения транзисторов состоят из элементов, содержащих буквы и цифры.

• Корпуса транзисторов обеспечивают защиту, отвод тепла и возможность подключения транзистора к схеме.

• Корпуса транзисторов обозначаются буквами ТО (transistor outline).

• При правильно поданном напряжении смещения переход эмиттер-база транзистора смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном.

• Источники смещения р-n-р транзистора имеют полярность противоположную полярности источникам смещения n-p-n транзистора.

• Внутренний потенциальный барьер для германиевого транзистора составляет 0,3 вольта, а для кремниевого — 0,7 вольт.

• Напряжение обратного смещения, приложенное к переходу коллектор-база, выше, чем напряжение прямого смещения, приложенное к переходу эмиттер-база.

• При проверке транзистора с помощью омметра каждый переход показывает низкое сопротивление при прямом смещении и высокое сопротивление при обратном смещении.

• Приборы для проверки транзисторов могут проверять транзисторы как в цепи, так и вне цепи.

Глава 22. САМОПРОВЕРКА

1. Переход транзистора может быть смещен в прямом направлении, в обратном направлении или быть несмещенным. Каковы нормальные условия смещения переходов эмиттер-база и коллектор-база в транзисторе?

2. Какое сопротивление должен показывать каждый переход при проверке исправного транзистора с помощью омметра?

3. Какие трудности возникают при определении типа материала и идентификации выводов эмиттера, коллектора и базы неизвестного транзистора при его проверке с помощью омметра?

4. Почему необходимо знать тип проводимости транзистора (n-р-n или р-n-р) при его подключении в цепь?

5. Чем отличается проверка транзистора с помощью омметра от проверки с помощью прибора для проверки транзисторов?