Отличие резистора от транзистора

Транзистор

Транзистор — полупроводниковый прибор позволяющий с помощью слабого сигнала управлять более сильным сигналом. Из-за такого свойства часто говорят о способности транзистора усиливать сигнал. Хотя фактически, он ничего не усиливает, а просто позволяет включать и выключать большой ток гораздо более слабыми токами. Транзисторы весьма распространены в электронике, ведь вывод любого контроллера редко может выдавать ток более 40 мА, поэтому, даже 2-3 маломощных светодиода уже не получится питать напрямую от микроконтроллера. Тут на помощь и приходят транзисторы. В статье рассматриваются основные типы транзисторов, отличия P-N-P от N-P-N биполярных транзисторов, P-channel от N-channel полевых транзисторов, рассматриваются основные тонкости подключения транзисторов и раскрываются сферы их применения.

Не стоит путать транзистор с реле. Реле — простой выключатель. Суть его работы в замыкании и размыкании металлических контактов. Транзистор устроен сложнее и в основе его работы лежит электронно-дырочный переход. Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть прекрасное видео, которое описывает работу транзистора от простого к сложному. Пусть вас не смущает год производства ролика — законы физики с тех пор не изменились, а более нового видео, в котором так качественно преподносится материал, найти не удалось:

Типы транзисторов

Биполярный транзистор

Биполярный транзисто предназначен для управления слабыми нагрузками (например, маломощные моторы и сервоприводы). У него всегда есть три вывода:

  • Коллектор (англ. collector) — подаётся высокое напряжение, которым транзистор управляет
  • База (англ. base) — подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистора
  • Эмиттер (англ. emitter) — «выпускной» вывод транзистоа. Через него вытекает ток от коллектора и базы.

Биполярный транзистор управляется током. Чем больший ток подаётся на базу, тем больший ток потечёт от коллектора к эмиттеру. Отношение тока, проходящего от эмиттера к коллектору к току на базе транзистора называется коэффициент усиления. Обозначается как hfe (в английской литературе называется gain).

Например, если hfe = 150, и через базу проходит 0.2 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 30 мА. Если подключен компонент, который потребляет 25 мА (например, светодиод), ему будет предоставлено 25 мА. Если же подключен компонент, который потребляет 150 мА, ему будут предоставлены только максимальные 30 мА. В документации к контакту указываются предельно допустимые значени токов и напряжений база->эмиттер и коллектор->эмиттер. Превышение этих значений ведёт к перегреву и выходу из строя транзистора.

Весёлые картинки:

Работа биполярного транзистора

NPN и PNP биполярные транзисторы

Различают 2 типа полярных транзисторов: NPN и PNP. Отличаются они чередованием слоёв. N (от negative — отрицательный) — это слой с избытком отрицательных переносчиков заряда (электронов), P (от positive — положительный) — слой с избытком положительных переносчиков заряда (дырок). Подробнее о электронах и дырках рассказано в видео, приведённом выше.

От чередования слоёв зависит поведение транзисторов. На анимации выше представлен NPN транзистор. В PNP управление транзистором устроено наоборот — ток через транзистор течёт, когда база заземлена и блокируется, когда через базу пропускают ток. В отображении на схеме PNP и NPN отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает на переход от N к P:

Обозначение NPN (слева) и PNP (справа) транзисторов на схеме

NPN транзисторы более распространены в электронике, потому что являются более эффективными.

Полевый транзистор

Полевые транзисторы отличаются от биполярных внутренним устройством. Наиболее распространены в любительской электронике МОП транзисторы. МОП — это аббревиатура от металл-оксид-проводник. То-же самое по английски: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor сокращённо MOSFET. МОП транзисторы позволяют управлять большими мощностями при сравнительно небольших размерах самого транзистора. Управление транзистором обеспечивается напряжением, а не током. Поскольку транзистором управляет электрическое поле, транзистор и получил своё название — полевой.

Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:

  • Сток (англ. drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
  • Затвор (англ. gate) — на него подаётся напряжение для управления транзистором
  • Исток (англ. source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

Здесь должна быть анимация с полевым транзистором, но она ничем не будет отличаться от биполярного за исключением схематического отображения самих транзисторов, поэтому анимации не будет.

N канальные и P канальные полевые транзисторы

Полевые транзисторы тоже делятся на 2 типа в зависимости от устройства и поведения. N канальный (N channel) открывается, когда на затвор подаётся напряжение и закрывается. когда напряжения нет. P канальный (P channel) работает наоборот: пока напряжения на затворе нет, через транзистор протекает ток. При подаче напряжения на затвор, ток прекращается. На схеме полевые транзисторы изображаются несколько иначе:

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.

Обозначение N канальных (слева) и P канальных (справа) транзисторов на схеме

Существует заблуждение, согласно которому полевой транзистор может управлять переменным током. Это не так. Для управления переменным током, используйте реле.

Транзистор Дарлингтона

Транзистора Дарлингтона не совсем корректно относить к отдельному типу транзисторов. Однако, не упомянуть из в этой статье нельзя. Транзистор Дарлингтона чаще всего встречается в виде микросхемы, включающей в себя несколько транзисторов. Например, ULN2003. Транзистора Дарлингтона характеризуется возможность быстро открываться и закрывать (а значит, позволяет работать с ШИМ) и при этом выдерживает большие токи. Он является разновидностью составного транзистора и представляет собой каскадное соединение двух или, редко, более транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка эмиттера предыдущего транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов.

Схема составного транзистора дарлингтона

Подключение транзистора

Не секрет, что плата Ардуино способна подать на вывод напряжение 5 В с максимальным током до 40 мА. Этого тока не хватит для подключения мощной нагрузки. Например, при попытке подключить к выводу напрямую светодиодную ленту или моторчик, вы гарантированно повредите вывод Ардуино. Не исключено, что выйдет из строя всё плата. Кроме того, некоторые подключаемые компоненты могут требовать напряжения более 5 В для работы. Обе эти проблемы решает транзистор. Он поможет с помощью небольшого тока с вывода Ардуино управлять мощным током от отдельного блока питания или с помощью напряжения в 5 В управлять бОльшим напряжением (даже самые слабые транзисторы редко имеют предельное напряжение ниже 50 В). В качестве примера рассмотрим подключение мотора:

Подключение мощного мотора с помощью транзистора

На приведённой схеме мотор подключается к отдельному источнику питания. Между контактом мотора и источником питания для мотора мы поместили транзистора, который будет управляться с помощью любого цифрового пина Arduino. При подаче на вывод контроллера сигнала HIGH с вывода контроллера мы возьмём совсем небольшой ток для открытия транзистора, а большой ток потечёт через транзистор и не повредит контроллер. Обратите внимание на резистор, установленный между выводом Ардуино и базой транзистора. Он нужен для ограничения тока, протекающего по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля и предотвращения короткого замыкания. Как упоминалось ранее, максимальный ток, который можно взять с вывода Arduino — 40 мА. Поэтому, нам понадобится резистор не менее 125 Ом (5В/0,04А=125Ом). Можно без опаски использовать резистор на 220 Ом. На самом деле, резистор стоит подбирать с учётом тока, который необходимо подать на базу для получения необходимого тока через транзистор. Для правильного подбора резистора нужно учитывать коэффициент усиления (hfe).

ВАЖНО!! Если вы подключаете мощную нагрузку от отдельного блока питания, то необходимо физически соединить между собой землю («минус») блока питания нагрузки и землю (пин «GND») Ардуино. Иначе управлять транзистором не получится.

При использовании полевого транзистора, токоограничительный резистор на затворе не нужен. Транзистор управляется исключительно напряжением и ток через затвор не течёт.

Я радиолюбитель

Здравствуй!

Ты знаешь, как работает твой магнитофон? Нет?! Я расскажу тебе.

Если ты когда-нибудь заглядывал внутрь — то видел там страшную конструкцию. Но все по порядку. Магнитофон состоит собственно из трех составляющих: корпуса, лентопротяжного механизма (ЛПМ) и электронной части. Вот и поговорим о ней. Тут одна или несколько плат. Платы делают из стеклотекстолита или гетинакса (это дешевле). А на платах много-много маленьких и больших деталюшек — радиоэлементов. Разберемся с ними. Все радиоэлементы можно разделить на активные и пассивные. Активные это те, которые усиливают сигналы сами, а пассивные им только помогают.

Итак пассивные.

Резистор.

Самый простой элемент. Он имеет свое сопротивление электрическому току. О нем все знают — потому что знают закон Ома:

R=U/I, где

U — напряжение на выводах резистора (измеряется обычно в вольтах — В);

I — ток сквозь резистор (измеряется обычно в амперах — А).

Внешний вид и обозначение резистора на рисунке 1.

Рис.1.

Резисторы бывают проволочные (обычно большой мощности) и угольные.

Измеряется сопротивление резистора в Омах.

1Гом(ГигаОм)=1000МОм(МегаОм)=1000000Ком(килоОм)=1000000000Ом

Иногда применяют единицу — милиОм (мОм). 1Ом=1000мОм.

Вторая характеристика резистора — это мощность, которую он может рассеять и не сгореть. На пределе своей мощности сильно греются. (Кто-то даже паяльник из резистора делал). Мощность, рассеиваемая на резисторе, определяется по формуле:

P=U*I, где

U — напряжение на выводах резистора;

I — ток сквозь резистор.

Причем ток через резистор может быть как постоянный, так и переменный. А могут течь и оба тока сразу.

1В=1000мВ(милиВольт)=1000000мкВ(микроВольт)=1000000000нВ(наноВольт).

1А=1000мА(милиАмпер)=1000000мкА(микроАмпер)=1000000000нА(наноАмпер).

Пример1.

Необходимо изготовить паяльник мощностью 6Вт из проволочного резистора для работы от бортовой сети автомобиля 12В

1.Находим ток I=P/U=6Вт/12В=0,5А

2.Сопротивление проволоки должно быть R=U/I=12В/0,5А=24Ом.

Иногда необходимо подстроить режим схемы, плавно изменив сопротивление резистора или менять уровень сигнала. Тогда применяют специально сконструированные подстроечные и переменные резисторы (рисунок 2).

Рис.2.

Слева — переменные резисторы и их схемотехническое обозначение, справа — подстроечный и его обозначение.

Следующий элемент.

Конденсатор (иногда говорят просто — ёмкость).

Конденсатор имеет свою электрическую емкость и может накапливать электрический заряд (конденсаторы большой емкости могут работать как батарейка). Разряженный конденсатор представляет для переменного тока короткое замыкание (пока не зарядится). Так что при соответствующем подборе конденсатор служит для разделения каскадов в радиоустройствах (чтоб не было замыканий по постоянному току) или для фильтрации напряжения питания. Внешний вид и обозначение показаны на рисунке 3.

Рис.3.

Конденсаторы большой емкости занимают много места. Для уменьшения габаритов были разработаны электролитические конденсаторы, которые гораздо меньше своих биполярных собратьев, но к сожалению они требуют соблюдения полярности включения, рисунок 4.

Рис.4.

Еще конденсаторы боятся больших напряжений. Насколько больших? Да почти на каждом конденсаторе написано либо максимальное допустимое напряжение, либо группа и тут уж надо воспользоваться справочником, чтоб познать истину.

Постоянный ток конденсатор не любит, а потому не пропускает совсем. Переменному току конденсатор оказывает определенное сопротивление, зависящее от частоты того тока. Особенность конденсатора — это несовпадение фаз напряжения на обкладках и переменного тока через конденсатор. Говорят — конденсатор реактивный элемент. Его реактивное сопротивление переменному току зависит от частоты этого тока и определяется по формуле:

Xc=1/(2p fC) , где

— число «Пи», равное 3,1415… и т.д.;

f — частота переменного тока, измеряется в Герцах (Гц) (между прочим

w=2pf — называется угловой частотой и измеряется в радианах в секунду).

1ГГц(гигагерц)=1000МГц(мегагерц)=1000000кГц(килогерц)=1000000000Гц(Герц);

C — емкость конденсатора, измеряется в Фарадах.

1Ф(Фарада)= 10

6мФ(микрофарад)=10-9нФ(нанофарад)=10-12 пФ(пикофарад).

Пример2.

Надо запитать паяльник, рассчитанный в примере1 от сети переменного тока напряжением 220В частотой 50Гц через конденсатор, представляющий реактивное сопротивление.

1.Принимая определенные ограничения, которые я может опишу когда-нибудь рассчитаем емкость конденсатора переменному току частотой 50Гц при действующем значении тока через него 0,5А и напряжении на обкладках Uc=220В-12В=208В

2.С=1/=1/=1/=7,65190563057823920469153638022013e-6=7,65*10-6Ф=7,65мкФ

Далее у нас идет таинственный элемент (иногда дерущийся током).

Катушка индуктивности (или просто индуктивность).

Любой провод имеет свою индуктивность. А стоит намотать несколько витков — вот уже и катушка рисунок 5.

Обозначается «L». Измеряется в Генри.

1Гн(Генри)=1000мГн(милиГенри)=1000000мкГн(микроГенри)

Рис.5.

Если две катушки намотать на одном сердечнике — это уже трансформатор. А в зависимости от типа сердечника индуктивность катушек может стать больше (если сердечник из ферромагнитного материала) или меньше (если сердечник из материала немагнитного).

Отношение количества витков катушек трансформатора называют коэффициентом трансформации.

Катушка индуктивности является также как и конденсатор реактивным элементом. Для постоянного тока она представляет собой короткое замыкание (точнее имеет незначительное активное сопротивление, которым можно пренебречь). При повышении частоты переменному току становится все труднее бороться с силами самоиндукции — сопротивление катушки растет. Его можно легко найти по формуле:

XL=2p fL , где

— число «Пи», равное 3,1415… и т.д.;

f — частота переменного тока, измеряется в Герцах (Гц);

L — индуктивность катушки, измеряется в Генри.

Активные радиоэлементы.

К активным элементам относят диоды и транзисторы. Еще электронные лампы, но об этом может быть потом. На основе транзисторов и диодов, элементов нелинейных строятся также микросхемы, которые в свою очередь также являются нелинейными активными элементами.

Диод.

Представляет собой специальную конструкцию на основе p-n — перехода. Пропускает электрический ток только в одну сторону — от анода к катоду. Внешний вид и схематическое обозначение ты найдешь на рисунке 6. Катод слева. Анод справа

Рис.6.

Еще есть мощные диоды и вид у них другой. Но в магнитофонах они обычно не применяются. Характеристиками диода являются максимальное обратное рабочее напряжение и максимальный прямой ток. Графически вольт-амперная харакеристика диода (как впрочем и p-n — перехода) выглядит очень красиво (рисунок 7).

Рис.7.

Замечание:
правая часть рисунка растянута раз в 10, а может и 100.

Таким образом прямое напряжение на диоде не может намного превышать 0,7В. При больших напряжениях он обычно уже сгорел.

В качестве индикаторов обычно используют светодиоды — рисунок 8. Они бывают красные, зеленые, желтые или двухцветные (при использовании не забывайте про балластный резистор, ограничивающий ток на уровне 5…15мА).

Рис.8.

На светодиодах прямое падение напряжения может достигать 1…2В, но не выше. Таким образом часто используют светодиоды и простые диоды в качестве источников опорного напряжения. Но есть и специальные приборы для получения стабильного напряжения.

Стабилитроны.

Специальная разновидность диодов, предназначенная для работы в обратном включении на электрическом пробое p-n перехода (см рис. 9.). Там же и схемотехническое обозначение стабилитрона. Чтобы вывести стабилитрон на рабочую точку необходим гаситель лишнего напряжения и ограничитель тока — балластный резистор.

Рис.9.

Еще стабилитрон можно использовать в качестве конденсатора небольшой ёмкости изменяемой приложенным напряжением, так как тут меняется собственная ёмкость p-n перехода. Такие приборы называют варикапами и используют обычно в радиоприемных трактах. Внешний вид и схемотехническое изображение варикапов представлены на рисунке 10.

Рис.10.

Транзистор.

Вот мы и дошли до самого главного. Все схемы строятся теперь на транзисторах. Правда иногда применяют альтернативу — электронные лампы, но это уж только меломаны. Все микросхемы сплошь состоят из транзисторов. Дело в том, что очень трудно сделать малогабаритный, вернее микрогабаритный конденсатор или резистор. И часто проще поставить сотню другую транзисторов, чем один резистор в микросхеме (поверь, я знаю — ведь сам как-то делал схемотехнику нескольких микросхем).

Транзисторы бывают мощные и маломощные, высокочастотные не очень, германиевые или (в основном) кремниевые, размещенные в разных конструкциях корпусов и безкорпусные вообще. Наиболее распространенные смотрите на рисунке 11. Там же представлены схемотехнические обозначения транзисторов. Вверху — n-p-n (обратной) проводимости, ниже p-n-p (прямой). Верхние по схеме выводы называются коллектор, тот что снизу — эмиттер, а слева — база.

Рис.11.

Внутри транзистор состоит из кристалла, с встроенным двойным p-n переходом (как два встречновключенных диода таким образом они представляют барьер для тока любой полярности). Но стоит подать прямое напряжение на базовый вывод, как барьер уменьшится и потечет ток между коллектором и эмиттером. Таким образом можно регулировать большой ток коллектора малым током база-эмиттера. Вот те и усилитель! Здорово я объяснил? Не очень… Ладно потом дорасскажу. Тока надо обвязать транзистор цепями, задающими соответствующие режимы.

Микросхема.

Если взять работоспособную радиоэлектронную конструкцию и заменить все резисторы и конденсаторы (специальными схемными решениями) на транзисторы — вот уже и микросхема готова. Осталось только выполнить топологию (разводку кристалла), вставить в корпус и распаять выводы. Электрическая схема распространенного интегрального усилителя НЧ (низкой частоты) TDA2003 изображена на рисунке 12. Двойными кружочками изображены источники тока (специальная конструкция топологии кристалла, состоящая иногда из сотен транзисторов). Диоды и стабилитроны это, как правило, тоже транзисторы, один вывод которых не используется (обычно используют переход эмиттер-база). В качестве резисторов все равно обычно используются транзисторы с определенным включением — скажем зигзагообразным переходом.

Рис.12.

Внешний вид микросхем ты видишь на рисунке 14 (я не люблю число 13 — поэтому рисунка 13 не ищи).

Рис.14.

Все усилители сигналов обычно аналоговые микросхемы. Но существует еще целый класс цифровых. Именно они явились родоначальниками компьютерной техники. Там своя жизнь, но я все же приоткрою в дальнейшем полог таинственности цифры. А пока вот ниже их внешний вид на рисунке 15. Хотя теперь часто экономят золото и размещают цифровые микросхемы в DIP-овских корпусах. На рисунке 14 это два верхние.

Рис.15.

Они могут содержать от 3 до 24 и более выводов!

Еще есть класс микросхем это источники питания. Там много ума не надо вход, выход и «земля» — трех выводов достаточно, а потому их часто вставляют в транзисторные корпуса. Например, модный стабилизатор КРЕН12 (я, как-то в своей жизни даже приложил руку к запуску его у нас на заводе) рисунок 16.

Рис.16.

Вот и все основные элементы на которых построен магнитофон.

Ах да! Чуть не забыл. Самое главное, как всегда. Питается магнитофон в простейшем случае от батареек (по научному гальванических элементов питания) или аккумуляторов. Каждый новый элемент питания выдает на своих клеммах напряжение 1,5В (аккумулятор — 1,2В). Поэтому обычно питание производится от нескольких элементов или аккумуляторов. Говорят от батареи гальванических элементов или аккумуляторов. Внешний вид распространенных элементов питания АА6 представлен на рисунке 17.

Рис.17.

Там же справа вверху обозначение одного элемента, а справа внизу батареи элементов или аккумуляторов.

И последнее.

Выключатель.

Все очень просто. Схему надо включать и выключать, когда это нужно. Простейшее устройство — выключатель типа тумблер. Внешний вид и схемотехническое обозначение представлены на следующем рисунке под номером 18.

Рис.18.

В действительности выключатели питания в магнитофонах имеют обычно собственную конструкцию, позволяющую включать электрическую схему автоматически при нажатии кнопки «Пуск» или «Перемотка». Еще более сложная конструкция переключателей режимов «Запись-Воспроизведение». Но обо всем по порядку. Итак с элементами и их обозначением мы знакомы. Теперь посмотрим как получаются электрические схемы.

Если взять один кирпич?

>Типы транзисторов

Прежде чем рассматривать типы транзисторов, следует выяснить, что вообще представляет собой транзистор и для чего используется.

Виды и характеристика

Все транзисторы подразделяются на два вида – NPN и PNP. В этих на первый взгляд сложных аббревиатурах, нет ничего особо сложного. Данными буквенными обозначениями определяется порядок наложения специфических слоев. Такими слоями являются pn-переходы в полупроводниковых материалах, использованных для их изготовления. Глядя визуально на любой полупроводник, невозможно определить тип полупроводниковой структуры, расположенной внутри корпуса. Эти данные обозначаются маркировкой, нанесенной на корпус. Тип транзистора необходимо знать заранее, поскольку использование его в схеме может быть самым различным.

Следует помнить о том, что NPN и PNP совершенно разные. Поэтому их нельзя просто так перепутать или заменить между собой. Заменить один на другой возможно при определенных условиях. Основное условие – значительное изменение схемы включения этих транзисторов. Таким образом, для определенных узлов радиотехнических устройств, применяются только свои, конкретные марки, в противном случае, устройство просто выйдет из строя, и не будет работать.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *