Включение pnp транзистора: Включение p-n-p транзистора с общим эмиттером

Содержание

Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис.7.1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы: а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

IК = αIЭ, где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК. Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ, где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Транзистор Биполярный транзистор. Как работает транзистор. Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора. Включение транзистора в электрическую цепь.

Основы

Биполярный транзистор. Как работает транзистор. Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора. Включение транзистора в электрическую цепь.

Транзистор – полупроводниковый электронный прибор, относящийся к категории активных электронных компонентов.

NPN транзистор и
PNP транзистор на схемах

В зависимости от расположения полупроводниковых слоев, транзисторы подразделяют на два основных типа – NPN-транзисторы и PNP-транзисторы.

Электроды обычного биполярного транзистора называются базой, эмиттером и коллектором. Коллектор и эмиттер составляют основную цепь электрического тока в транзисторе, а база предназначается для управления величиной тока в этой цепи.

На условном обозначении транзистора стрелка эмиттерного вывода показывает направление тока.

Как работает транзистор

Базовая цепь транзистора управляет током, протекающим в цепи коллектор-эмиттер. Изменяя в небольших пределах малое напряжение, поданное на базу, можно в достаточно широких пределах изменять ток в цепи коллектор-эмиттер.

Принцип работы биполярного транзистора со структурой NPN.
Ток, поданный на базу, открывает транзистор и обеспечивает протекание тока в цепи коллектор-эмиттер. С помощью малого тока, поданного на базу, можно управлять током большой мощности, идущим от коллектора к эмиттеру.

Транзисторы различной мощности

Цоколевка транзисторов 2N3904 и 2N3906
Транзистор 2N3904 имеет структуру NPN, а 2N3906 – PNP. Эти два транзистора являются наиболее популярными при построении BEAM-роботов

Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора

Соберем схему, которая наглядно демонстрирует работу транзистора и принцип его включения. Нам понадобится транзистор с NPN структурой, например 2N3094, переменный или подстроечный резистор, резистор с постоянным сопротивлением и лампочка для карманного фонарика. Номиналы электронных приборов указаны на схеме.

Изменяя сопротивление переменного резистора R1, будем наблюдать как изменяется яркость свечения лампочки h2.

Постоянный резистор R2 в этой схеме играет роль ограничителя, предохраняя базу транзистора от слишком большого тока, который может быть подан на нее, в тот момент, когда сопротивление переменного резистора будет стремиться к нулю. Ограничительный резистор предотвращает выход транзистора из строя.

Теперь попробуем заменить лампу маломощным электродвигателем. Вращая ось переменного резистора, мы может наблюдать плавное изменение скорости вращения электродвигателя M1.

Транзисторы применяются в схемах роботов для усиления сигналов от датчиков, для управления моторами, на транзисторах можно собрать логические элементы, которые реализуют операции логического отрицания, логического умножения и логического сложения. Транзисторы являются основой практически всех современных микросхем.

Транзистор PNP в качестве переключателя

Используя PNP-транзистор в качестве переключателя, небольшой компонент может переключать большую нагрузку за несколько секунд. миллиампер

Логические вентили и микроконтроллеры сами по себе могут управлять только небольшими нагрузками. Но иногда необходимо переключить нагрузку, для которой требуется больший ток, чем контролирующий компонент может поставить. В этом случае транзистор может использоваться в качестве переключателя для достижения требуемого усиления по току и напряжению. может быть достигнут.

При использовании PNP-транзистора микроконтроллер должен потреблять только базовый ток. В зависимости от состояния переключения путь эмиттер-коллектор PNP-транзистора становится высоким импедансом или проводящим и, таким образом, может действовать как переключатель для нагрузки.

Как транзистор заменяет переключатель и какие возможности это дает?

Если транзистор работает как переключатель, он находится в режиме ВКЛ-ВЫКЛ и может разорвать или замкнуть электрическую цепь.

Как механический переключатель. Вместо что он управляется человеком, как механический переключатель, он управляется электрическим сигналом.

Путь переключения можно очень точно контролировать по времени и с высокой частотой. Вместо видимого глазом изменения сигнала могут генерироваться очень короткие импульсы. Также сигналы ШИМ и любой другой цифровой сигнал может генерироваться на нагрузке.

Рисунок 1: Механический переключатель и транзистор pnp в качестве переключателя В режиме переключения транзистор работает в конфигурации с фиксированным смещением. Поэтому нагрузка всегда подключена к коллектору. транзистора. А так как ток вытекает из коллектора PNP-транзистора, транзистор включается направление тока перед нагрузкой, а не за нагрузкой.

Таким образом, PNP-транзистор обеспечивает ток источника, а не стока, как у NPN-транзистора.

На рис. 2 показана правильная и неправильная установка транзистора PNP и для сравнения правильное подключение транзистора NPN в качестве переключателя.

Рисунок 2: Допустимые и нерабочие схемы транзисторов в качестве переключателя

Базовая схема PNP-транзистора в качестве переключателя

В конфигурации с фиксированным смещением PNP-транзистора в качестве переключателя, в дополнение к транзистор и нагрузка базовый резистор R _B нужен. Он определяет базовый ток.

Рисунок 3: Принципиальная схема транзистора pnp в качестве переключателя

База должна иметь более низкий потенциал напряжения, чем эмиттер. Схема работает в соответствии со следующей простой таблицей состояний, в зависимости от входа V: _SW:

V _SW = V _cc = High:	Транзистор high-Z
V _SW = GND = Low:	Transistor conducting

Tabelle 1: State Table PNP Transistor as a switch

Basic circuit with parameters

Табл.

Рисунок 4: Базовая схема с обозначением всех соответствующих параметров

Расчеты

Расчет значений компонентов и напряжений не представляет большой сложности. Но вам нужно из техпаспорта транзистора следующие параметры:

R _L :	Load resistor
R _B:	Base Reistor
V _EC:	Emitt0051
V _RB :	Base resistor voltage
V _SW :	Control voltage
V _cc :	Supply voltage
GND:	Ground
I _L :	Ток нагрузки
I _B :	Базовый ток

V _CEsat	Saturation voltage
I _C max	Max collector current
h _FE	Current gain factor

Tabelle 3: Benötigte Parameter aus дем Датенблатт

Расчет напряжения В

_RL

Сначала вычисляется напряжение V _RL, которое падает на R _L, когда транзистор находится в проводящем состоянии. Для этого нужно вычесть напряжение насыщения V _ECSat , падающее на транзистор, от напряжения питания V _cc .

Рисунок 5: Формула для расчета напряжения V _L на нагрузке

Ток нагрузки I

_л

Затем вычисляется коллекторный ток, протекающий через R _L при включении транзистора.

Для этого разделите V _RL на сопротивление нагрузки R _L для получения I _L .

Выдержит ли транзистор ток?

Теперь проверьте, выдержит ли транзистор ток нагрузки. I _L должен быть меньше чем я _C max и I _E max из техпаспорта. Если транзистор не выдерживает ток, следует заменить другой транзистор. должен быть выбран.

Рисунок 6: Формула для расчета тока нагрузки I _L

Базовый резистор R

Для определения базового сопротивления R _B сначала рассчитайте необходимое базовый ток I _B . Поскольку транзистор в режиме постоянного тока является усилитель тока с фиксированным коэффициентом усиления h _ФЭ требуется базовый ток, который больше, чем I _L, деленное на h _FE . Чтобы заставить транзистор перейти в сильное насыщение и достичь быстрое время переключения, базовый ток должен быть в 4-10 раз выше, чем I

FE .

Рисунок 7: Формула для расчета тока базы I _B

Напряжение на базовом резисторе проводящего PNP-транзистора V _EB меньше напряжения питания В _куб.см . С этим значением и базового тока можно рассчитать требуемый базовый резистор.

Рисунок 8: Формула для расчета базового резистора R _B

Цепь PNP в выключенном состоянии

Im sperrenden Zustand wird V _in auf V _cc geschaltet. Так канн kein Strom aus der Basis hinausfliessen, der Transistor sperrt und der Laststrom I _л коммт цум эрлиген В состоянии блокировки V _в подтягивается к V _cc. Таким образом, нет тока может вытекать из базы, блоков транзисторов и тока нагрузки I _L получает ноль.

Потери во включенном состоянии и в выключенном состоянии

На практике минимальные токи утечки всегда втекают и выходят из транзистора в заблокированном состоянии. Насколько они велики, можно посмотреть в техпаспорте. паспорт транзистора. А поскольку транзистор остается низкоомным в проводящем состоянии небольшое напряжение насыщения В _ECsat всегда остается между эмиттером и коллектором. Несмотря на эти потери, биполярный транзистор является хорошим переключателем, который можно использовать для большинства приложений полупроводниковой коммутации.

Транзисторное переключение PNP

Home

Electronics

Tropical Fish

Garden

Ham Radio

Интерфейс микроконтроллера — Часть 8

Переключение PNP-транзистора на стороне высокого напряжения

гола

В этом разделе рассматривается использование PNP-транзисторов для переключения верхнего плеча с помощью микроконтроллера.

Переключение стороны высокого напряжения

Часть 7 рассматривается использование транзисторов для переключения нагрузок, требующих более высоких токов или напряжений, чем может выдержать микроконтроллер. Все схемы имели сходную топологию. Нагрузка была подключена к источнику питания, а NPN-транзистор выполнял роль переключателя на землю. Поскольку переключающий элемент (транзистор) был заземлен, его называют «переключателем на стороне низкого напряжения».

При переключении на стороне низкого напряжения нагрузка имеет потенциал Vcc. Иногда желательно иметь нагрузку с потенциалом земли и переключать подаваемую на нее мощность. Это называется переключением верхней стороны. На рис. 8-1 показана разница между переключением на стороне высокого и низкого уровня.

Вы не можете просто подключить коллектор транзистора NPN к Vcc, а эмиттер к нагрузке, которая заземлена. Как объяснялось в предыдущем разделе, отрицательная обратная связь предотвратит переход NPN-транзистора в состояние насыщения.

Рисунок 8-1

В качестве альтернативы можно использовать транзистор типа PNP. Использование транзисторов PNP по существу такое же, как и транзисторов NPN, за исключением того, что полярность обратная. На рис. 8-2 показана схема, использующая PNP-транзистор в качестве ключа верхнего плеча. Обратите внимание, что эмиттер подключен к положительному напряжению. Стрелка на эмиттере транзистора PNP указывает в противоположном направлении, чем в транзисторе NPN. Базовый ток течет от эмиттера к базе, а коллекторный ток течет от эмиттера. Это все наоборот по сравнению с транзистором NPN.

Сигнал, необходимый для управления PNP-транзистором, также инвертируется от NPN-транзисторов. С транзистором NPN вы устанавливаете вывод порта в высокое состояние, чтобы включить транзистор. С транзистором PNP вам нужно перевести вывод порта в низкий уровень, чтобы включить транзистор.

Расчеты тока базы и резистора базы идентичны тем, которые приведены в части 7 для транзисторов NPN, за исключением того, что полярность изменена.

Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание при работе с переключателями высокого напряжения PNP, — это напряжение, используемое для управления нагрузкой. Обычно лучше всего использовать то же напряжение для питания нагрузки, которое используется для питания микроконтроллера. Рассмотрим следующее.

Допустим, напряжение нагрузки +12В, а микроконтроллер работает от 5В. Не обращайте внимания на R2. R2 обычно имеет достаточно высокое значение, чтобы оказывать незначительное влияние, и его игнорирование упрощает последующие вычисления. Предположим, что P0 высокий, 5 В, а R1 равен 1000 Ом. Базовый ток будет рассчитан по

Ib = (Vcc – Vp0 – Vbesat)/R1 = (12 – 5 – 0,7)/1000 = 0,0063A = 6,3 мА

Если транзистор не имеет исключительно низкого коэффициента усиления, он будет включен, даже если при высоком уровне P0 он должен быть выключен. Что еще хуже, на контакте P0 микроконтроллера будет больше 5 В, что значительно превышает обычное ограничение напряжения питания микроконтроллера плюс 0,3 В. В этом случае скорее всего выйдет из строя микроконтроллер. В части 12 обсуждаются способы управления PNP-транзистором, когда нагрузка должна управляться более высоким напряжением, чем микроконтроллер.

Рисунок 8-2

Схема на рис. 8-2 содержит два других компонента, D1 и R2. D1 является демпфирующим диодом и необходим, если нагрузка является индуктивной, такой как реле, соленоид или двигатель. В предыдущем разделе более подробно обсуждалось использование диодов в индуктивных нагрузках.

R2 используется для удержания базы на высоком уровне, если выходной контакт микроконтроллера находится в состоянии высокого импеданса, что происходит после включения питания до тех пор, пока не будут сконфигурированы контакты ввода-вывода. Это предотвращает подачу питания на нагрузку до тех пор, пока микроконтроллер не получит активное управление транзистором. R2 может не понадобиться в приложениях, где кратковременное включение нагрузки не вызовет проблем, например, в светодиодном индикаторе. Это может быть неприемлемо в других приложениях, таких как управление двигателем или другой нагрузкой, где неправильная эксплуатация может привести к повреждению или другому вреду. Как правило, R2 должен быть в 10 раз больше значения R1.

Резюме

Когда нагрузка должна иметь потенциал земли, а микроконтроллер не может обеспечить достаточный ток, можно использовать PNP-транзистор для переключения нагрузки со стороны Vcc. Анализ схемы почти идентичен использованию транзистора NPN, за исключением того, что все полярности обратные. Убедитесь, что транзистор выдерживает требования по току и напряжению.

Попался список

1. Не используйте одиночную схему PNP для коммутации напряжений, превышающих напряжение питания микроконтроллера.

2. Убедитесь, что транзистор выдерживает напряжение и ток, требуемые нагрузкой.

3. Защитите транзистор демпфирующим диодом, если нагрузка представляет собой реле, соленоид, двигатель или иную индуктивную нагрузку.

4. Вы должны установить низкий уровень на выводе порта, чтобы включить транзистор PNP. С транзисторами NPN вы устанавливаете вывод порта в высокий уровень.