как работает транзистор в схеме

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое работает как усилитель, переключатель или регулятор тока в различных электрических схемах. Он имеет три основных выводы: эмиттер, база и коллектор (для транзисторов типа NPN или PNP). Транзистор работает за счет того, что ток в его разных частях регулируется напряжением, приложенным к базе.

В более подробном виде давайте рассмотрим, как транзистор работает в схеме:

1. Основы работы транзистора:

Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя слоями материала: два типа полупроводников, которые отличаются по своему типу проводимости — p и n. В зависимости от конфигурации этих слоев транзистор может быть NPN (негативный-позитивный-негативный) или PNP (позитивный-негативный-позитивный).

a) Строение транзистора:

Эмиттер (E) — источник носителей заряда (в случае NPN — электроны, в случае PNP — дырки).
База (B) — тонкий слой, который контролирует поток носителей заряда.
Коллектор (C) — приемник носителей заряда, который направляет ток в внешний контур.

В транзисторе существует два типа «переходов» между его слоями: базовый переход (B-E) и коллекторный переход (C-B).

2. Режимы работы транзистора:

Транзистор может работать в нескольких режимах, которые зависят от того, какие напряжения приложены к его выводам:

a) Активный режим (напряжения базы и коллектора правильные):

Для транзистора NPN:
- Напряжение на базе относительно эмиттера должно быть положительным (обычно около 0,7 В для кремниевых транзисторов).
- Напряжение на коллекторе должно быть больше, чем на базе (для работы в активном режиме).
В этом режиме транзистор работает как усилитель. Ток через коллектор (I_C) контролируется током базы (I_B), и изменения тока базы усиливаются в коллекторном токе. В данном случае транзистор действует как усилитель сигнала.

b) Режим насыщения (транзистор работает как ключ):

Когда на базе транзистора подается достаточное напряжение (обычно около 0,7 В для NPN), ток базы начинает увеличиваться.
Коллекторный ток растет, пока не достигнет максимального значения, при котором транзистор больше не может усилить ток (он работает как переключатель).
В этом случае транзистор работает в режиме насыщения — в нем практически нет сопротивления между коллектором и эмиттером, что позволяет току легко проходить.

c) Режим отсечки (переключатель выключен):

Если напряжение на базе транзистора слишком маленькое (ниже 0,7 В для NPN), ток через базу не течет, и транзистор не проводит ток между коллектором и эмиттером.
В этом случае транзистор находится в режиме отсечки, где он работает как открытый ключ (выключен).

3. Применение транзистора в схемах:

a) Усилитель:

В активном режиме транзистор может быть использован для усиления сигнала. Малый ток, поданный на базу, может контролировать гораздо больший ток между коллектором и эмиттером, что делает транзистор идеальным для усилителей звука, радиочастотных и видеосигналов.

b) Переключатель (ключ):

Транзистор может работать как переключатель в цифровых схемах, например, в логических элементах, таймерах или коммутаторах. Когда транзистор находится в режиме насыщения или отсечки, он действует как «включенный» или «выключенный» ключ, пропуская или не пропуская ток.

c) Стабилизатор напряжения:

Транзисторы также могут использоваться в схемах регулирования и стабилизации напряжения, когда напряжение на коллекторе зависит от напряжения на базе, и транзистор автоматически регулирует поток тока для поддержания стабильного выходного напряжения.

4. Принцип работы NPN-транзистора:

Предположим, у нас есть NPN-транзистор, подключенный в цепь усилителя:

Эмиттер подключен к земле (или отрицательному полюсу источника питания).
База получает небольшой ток, например, от входного сигнала.
Коллектор подключен к положительному полюсу источника питания через нагрузку.

Когда на базу подается напряжение, которое превышает пороговое (около 0,7 В для кремниевого транзистора), вблизи базы создается область с маленьким количеством носителей заряда (для NPN — электронов). Это вызывает движение носителей зарядов из эмиттера в базу и дальше в коллектор. Ток, который течет через коллектор (I_C), в значительной степени пропорционален току базы (I_B), но гораздо больше. Это усиление можно выразить коэффициентом усиления транзистора $β$ (обычно от 50 до 300), который показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы.

5. Характеристики транзистора:

Коэффициент усиления ( $β$ ): Это отношение тока коллектора (I_C) к току базы (I_B). Чем выше $β$ , тем эффективнее транзистор как усилитель.
Напряжение насыщения (V_CE(sat)): Напряжение между коллектором и эмиттером, когда транзистор находится в режиме насыщения. Оно обычно составляет около 0,1-0,3 В.
Ток насыщения (I_C(sat)): Максимальный ток, который может пройти через транзистор в режиме насыщения.

6. Примеры использования транзистора:

Цифровые схемы: Транзисторы служат основой для построения логических элементов, таких как AND, OR, NOT и других.
Аналоговые схемы: Транзисторы усиливают слабые аналоговые сигналы, например, в усилителях аудиосигнала.
Радиочастотные схемы: Используются для усиления сигналов в радиопередатчиках и радиоприемниках.
Силовые схемы: В качестве переключателей для управления более высокими токами и напряжениями, например, в инверторах или стабилизаторах напряжения.

Транзисторы — это ключевые элементы в современной электронике, используемые в практически всех видах электрооборудования.