Биполярный транзистор: что такое электронный ключ, регулятор тока и принципы их работы. Какие существуют схемы включения и методы проверки исправности полупроводниковых переходов

Идею написать статью про биполярный транзистор, что такое регулируемый блок питания на нем и принципы его эксплуатации мне подсказал один из читателей. Он попросил изложить материал простым языком, понятным даже начинающему электрику.

Поэтому постараюсь избегать сложных технических терминов и формул, а прибегну к поясняющим картинкам и схемам.

Биполярный транзистор: внешний вид, составные элементы, конструкция корпуса — кратко

Сразу стоит определиться, что биполярный транзистор (bipolar transistor) создан для работы в цепях постоянного тока, где и используется. Сократим его название до БТ.

На фотографии ниже показал насколько разнообразные формы он имеет. А ведь этот небольшой ассортимент мной высыпан из одной маленькой коробочки.

Транзисторный корпус может быть изготовлен из пластмассы или металла в виде параллелепипеда, цилиндра, таблетки различной величины. Общими элементами являются три контактных штыря, созданные для подключения к электрической схеме.

Эти выводы необходимо различать в технической документации, правильно подключать при монтаже. Поэтому их назвали:

1. Э (E) — эмиттер;
2. К (C) — коллектор;
3. Б (B) — база.

Буквы в скобках используются в международной документации.

Основной метод соединения БТ в электрических схемах — пайка, хотя допускаются и другие.

Габариты корпуса и контактных выводов зависят от мощности, которую способен коммутировать этот модуль. Чем выше проектная нагрузка, тем большие размеры вынуждены создавать производители для обеспечения надежной работы и отвода опасного тепла.

Общеизвестно, что полупроводниковые переходы не способны выдерживать высокий нагрев — они банально перегорают. Поэтому все мощные корпуса выполняются из металла и снабжаются теплоотводящими радиаторами.

В особо ответственных узлах для них дополнительно создается принудительный обдув струями воздуха. Этим приемом значительно повышается надежность работы системных блоков компьютеров, ноутбуков, сложной электронной техники.

Любой БТ состоит из трех полупроводниковых переходов p и n типа, как обычный диод. Только у диода их меньше: всего два. Он способен пропускать ток всего в одну сторону, а в противоположную — блокирует.

Bipolar transistor создается по одной из двух схем соединения полупроводниковых элементов:

1. p-n-p, называемую прямым включением;
2. n-p-n — обратным.

При обозначении на схемах их рисуют одинаково, но с небольшими отличиями вывода эмиттера:

1. прямое направление: стрелка нацелена на базу;
2. обратное — стрелка показывается выходом из базы наружу элемента.

Принципы работы биполярного транзистора — 2 варианта его использования в различных электронных устройствах

Обычно такие процессы принято объяснять движением носителей зарядов внутри полупроводников: дырок и электронов. При этом от приложенных источников ЭДС создаются токи, циркулирующие через выводы коллектора и эмиттера.

Они зависят от приложенных напряжений Uэб и Uкб, что показывают вольт-амперной характеристикой.

При низких значениях ЭДС переходы не могут пропустить через себя электрический ток. В таком случае говорят, что электронный ключ закрыт. Для его открытия необходимо подать управляющий сигнал. Им служит определенная величина напряжения, приложенная между базой и эмиттером.

Поясню практическое применение этой функции чуть подробнее.

Что такое электронный ключ на транзисторе и как он работает: 2 примера

На практике создано множество устройств, функционирующих на базе транзисторного ключа. Покажу две, которые легко повторить своими руками даже начинающему мастеру, осваивающему навыки владения паяльником.

Простейший датчик протечки воды — схема и описание для чайника

Устройство, помещающееся в спичечный коробок и автоматически оповещающее хозяина о появлении влаги на полу под раковинной или ванной, собирается из следующих пяти деталей:

1. датчик влажности — изолированная пластина из пластика с двумя токопроводящими контактными площадками (наклеенная металлическая фольга). Они отделены друг от друга воздушным пространством. Желательно положить на кусочек марли или ватку, хорошо впитывающую пролитую воду;
2. транзистор марки 2N5551 или его аналог;
3. светодиод VD1;
4. любой пьезоэлемент SP1 — звуковой преобразователь электрического сигнала, который можно взять из отслуживших свой срок электронных часов;
5. элемент питания на 3 вольта — подойдет литиевая батарейка типа «таблетка» для часов, калькуляторов и подобных гаджетов.

Этот электронный ключ в сухом состоянии закрыт, ибо выводы его транзисторного перехода база-коллектор разомкнуты. При протечке воды создается электрический контакт между площадками датчика влажности.

Поданного напряжения от источника питания на выводы «Б» и «К» VT вполне достаточно для изменения состояния закрытого перехода. Ключ открывается, а ток в эмиттерной цепи зажигает светодиод и включает звуковое оповещение.

Более детально работа этой схемы описана в отдельной статье. Аналогичным образом работает ключ в следующей разработке.

Схема управления насосом откачки воды для повторения своими руками

Считаем, что перед нами стоит задача поддерживать объем воды в баке между нижним допустимым горизонтом (L) и верхней меткой (H) за счет включения и отключения насоса. С этой целью помещаем в бак три электрода на указанной высоте.

Провода от них подводим к соответствующим входам электрической схемы управления. Она запитывается постоянным напряжением 12 вольт (блок питания или аккумулятор).

Если воды в баке нет, то электрическая связь между контактами COM, L и N отсутствует. Транзисторы VT1, VT2 закрыты. Но +12 вольт через диод VD1 проходит на базу VT3, открывая его и, соответственно, VT4.

Последний подает напряжение на исполнительное реле KL1, которое своими контактами включает насос. Он начинает заполнять бак водой. Светодиод HL1 своими свечением сообщает о работе насоса.

В момент достижения водой уровня L происходит открытие VT1, но оно не влияет на состояние VT3. Напряжение на его базе поддерживается резистором R8.

Когда вода достигает верхнего уровня H, то срабатывает ключ VT2, чем дополнительно снижает напряжение на базе VT3 и, соответственно, VT4. Это приводит к отключению реле и насоса. Светодиод гаснет.

Насос будет обесточен до достижения нижнего уровня воды в баке. Дальше описанный алгоритм работы повторяется по циклу.

Регулятор тока на биполярном транзисторе: как работает схема управления

Принцип действия регулятора мне удобнее объяснять следующей картинкой его открытого состояния.

Принципиально она ничем не отличается от той, которая расположена выше и демонстрирует работу биполярного транзистора. Но здесь нагляднее и понятнее показаны процессы, протекающие по закону Ома.

Напомню, что закрытый транзистор не пропускает через себя электрический ток. Но его открытое состояние создается сразу двумя рабочими контурами:

1. эмиттер-база, где циркулирует ток управления I1;
2. эмиттер-коллектор с подключенной силовой схемой и током в ней I2.

А делается это все за счет изменения величины напряжения между базой и змиттером при одной и той же разности потенциалов, приложенной к внешней схеме выводов коллектора и эмиттера.

Попробовал изобразить следующей картинкой принцип регулирования коллекторного тока в БТ.

Надеюсь понятно, что при низком напряжении U1 он маленький, при среднем — средний, а при повышенном — увеличенный.

Таким образом: коллекторный ток регулируется приложенным напряжением к базе при одном и том же напряжении между эмиттером и коллектором.

По этому принципу работают многочисленные блоки питания. Приведу пример одного из простых, конструкцию которого можно легко собрать своими руками.

Детали обозначены сразу на схеме. Трансформатор можно взять из старого лампового телевизора или другой техники. Не сложно его рассчитать и намотать самостоятельно. В любом случае он должен отвечать нагрузке, которая будет через него проходить.

Защиту от коротких замыканий и перегрузов выполняем простыми плавкими вставками. Диодный мостик подбираем по нагрузке. В большинстве случаев можно обойтись старыми диодами Д226.

Нас в этой конструкции интересует прежде всего принцип регулирования, осуществляемый выходным БТ КТ815. Он происходит за счет изменения положения движка потенциометра R6, который управляет потенциалом на базе транзистора КТ315 (VT1).

С выхода КТ315 потенциал подается на базу VT2. А он уже определяет выходные параметры в силовой цепи 0-12 вольт.

5 технических нюансов работы биполярных транзисторов, которые важно учитывать при проектировании и эксплуатации электронных ключей или регуляторов

Особенность №1

Электрические характеристики БТ описываются сложными формулами. Ими очень неудобно пользоваться на практике. Поэтому электронщики работают с графиками, выражающими связи между входными и выходными параметрами.

Их разделяют на два вида:

1. статические, определяющие возможности полупроводниковых переходов по токам и напряжениям на входе и выходе при отсутствии нагрузки (режим холостого хода);
2. выходные — зависимость тока через коллектор от приложенного выходного напряжения при конкретном токе через базу.

Каждому БТ присущи свои индивидуальные характеристики. Однако сейчас подобных полупроводников выпущено так много, что практически любому из них не сложно подобрать аналогичную замену даже от другого производителя.

Для работы транзисторов может быть использован один из следующих режимов:

• активный (нормальный или инверсный);
• насыщения;
• отсечки;
• барьерный.

Особенность №2

Любой БТ, созданный с корпусом p-n-p или n-p-n работает практически по одним и тем же алгоритмам, которые отличаются только направлением протекания положительного тока через полупроводниковые переходы.

Поэтому для прямых и обратных транзисторов создаются индивидуальные схемы управления и подключения нагрузки к выходным цепям.

В качестве примера приведу еще одну схему простого зарядного устройства, собранную на транзисторном модуле с p-n-p переходами. Можете ее сравнить с предыдущим вариантом. Увидите практически одинаковую конструкцию, но с обратным направлением тока.

Здесь деталей еще меньше, а регулирование выходных величин осуществляется за счет изменения значения напряжения, подаваемого на вход электронного модуля. Используется обыкновенный потенциометр.

Особенность №3

При открытом состоянии входной полупроводниковый переход в режим отсечки БТ имеет небольшое падение напряжения. В частном случае он составляет порядка 0,7 вольта. Чтобы зафиксировать ваше внимание на этом вопросе специально нарисовал картинку — считается, что так лучше работает человеческая память.

Другими словами: потенциал на базе на 0,7 вольта меньше, чем на эмиттере. Для кремниевых изделий он всегда составляет 0,6-0,7 В.

Особенность №4

Ток коллектора БТ определяется как ток базы, умноженный на определенно большое число постоянной величины.

Это свойство используется для классификации транзисторов по коэффициенту передачи тока при коротком замыкании на выходе.

С этой целью введен коэффициент h21. Его суть демонстрирует следующая картинка.

Если выдержать показанные номиналы у приведенной схемы проверки (10 вольт у источника ЭДС и 100 килоом у сопротивления), то показания амперметра в миллиамперах просто умножаем на число 10. Получим значение коэффициента h21.

Подобные алгоритмы заложены в цифровые мультиметры и аналоговые тестеры, которые позволяют измерять коэффициент h21 при проверках БТ.

Особенность №5

При открытом состоянии потенциал внутреннего полупроводникового перехода БТ коллектора выше, чем у эмиттера. В моем частном случае он составляет 0,3 вольта.

Здесь открытый транзистор работает как обычный ключ, но он не идеален. На его внутренней схеме присутствует падение напряжения в 0,3 вольта. Однако в большинстве случаев это не критично.

Допустим, что в коллекторной цепи появилось дополнительное сопротивление. Изменение тока через этот резистор повлечет падение напряжения на нем.

Однако более высокий потенциал коллектора совместно с увеличенным током через базу могут стабилизировать выходные характеристики. В этом случае силовые токи сохраняют свое значение.

Как проверить биполярный транзистор: 2 доступные методики

Для подборки транзисторов с одинаковыми коэффициентами h21 существуют специальные пробники. Сейчас ими снабжаются обычные цифровые мультиметры. Во времена моей молодости они монтировались только на дорогих аналоговых тестерах.

Существует две методики оценки исправности транзисторов:

1. с помощью мультиметра или тестера по замеру сопротивлений между всеми выводами (самый распространенный и доступный способ);
2. посредством вычисления коэффициента h21 встроенным пробником.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром или тестером: подробная инструкция с фотографиями

Если вернуться к конструкции полупроводниковых переходов, то можно сразу заметить, что наш транзистор вполне допустимо представить двумя диодами, подключенными одноименными полюсами (p или n) со своими выводами. Общая точка у них будет работать базой.

Теперь вспомним как проверяется диод: через него пропускают электрический ток в оба направления, а по его прохождению оценивают внутреннее сопротивление перехода. Если оно укладывается в норматив, то полупроводник исправен. Иная картина — брак.

Этот же принцип заложен в проверку БТ. Просто через каждую пару контактов надо пропустить ток в обе стороны, а по его изменению судить об исправности проверяемого элемента.

Для проверки нам потребуется:

1. уточнить возможности своего мультиметра или тестера;
2. воспользоваться справочными данными, приведенной чуть ниже;
3. выполнить измерения.

Что надо учитывать в своем измерительном приборе

Мой старенький тестер Ц4324 имеет обозначения на своей шкале, на которые необходимо обратить внимание.

Мы будем работать на шкале kΩ. Рядом с гнездом для подключения измерительного провода стоит значок —kΩ., указывающий на потенциал минуса этого контактного гнезда. Плюс находится на противоположной левой стороне.

Эти сведения помогут нам определиться с направлением тока, который будет протекать через полупроводниковые переходы.

В роли вольтметра постоянного тока у него «плюс» находится на этой же правой клемме. Зная это, проверяю полярность мультиметра, переключив его в режим измерения Ω или прозвонки, а тестер — вольт.

На показанном фото тестер замерил напряжение мультиметра, а последний — сопротивление вольтметра. Но нас сейчас интересует другая информация:

1. плюсовой вывод мультиметра находится на его красном щупе;
2. минусовой — черный.

Справочные данные — кратко

Сразу замечу, что приведенные здесь параметры ориентировочные. Однако они позволяют оценивать работоспособность полупроводниковых переходов.

Исправный БТ в цепи база-коллектор и база-эмиттер в одну сторону (зависит от прямой или обратной проводимости) обладает сопротивлением на пределах омов, например, 50-1200.

В противоположном направлении ток не пропускается. Прибор покажет бесконечность: ∞ (у меня отображается как 0.L, на отдельных мультиметрах — знак 1).

При измерениях учитываем:

1. плюсовой щуп ставится на вывод, соответствующий входу тока, а минусовой — выходу;
2. значок ∞ обозначает, что на указанном пределе измерения мультиметр не смог определить сопротивление: оно больше (вполне возможен обрыв цепи);
3. полученный результат около 0 Ом при замерах током через базу означает пробой перехода;
4. величина сопротивления между коллектором и эмиттером оценивается значком ∞.

Как выполнить измерения

Работать можно тестером или мультиметром. Разницы практически особой нет. Я буду все показывать на примере своего карманного Mestek MT-102. Просто на стареньком Ц4324 мне сложнее все объяснять, а вам — разбираться.

Если у вас другой прибор и имеются затруднения с его освоением, то у меня есть статья, где обобщены и подробно изложены принципы замеров любыми цифровыми мультиметрами. Можете заходить и пользоваться.

Я знаю, что у мощных транзисторов в металлических корпусах коллектор всегда соединен с металлом корпуса.

Перевел мультиметр в режим прозвонки (можно омметра), один конец закрепил крокодилом на корпусе, а вторым щупом нашел соответствующий вывод. Замер показывает ноль.

Чтобы вам было удобнее отслеживать мои действия по фотографиям обозначил вывода чисто случайным образом:

1. на один штырек надел короткий отрезок кембрика;
2. на второй — длинный;
3. третий оставил голым (коллектор).

Я проверял силовой транзистор П213А с толстыми контактами. На них просто удобно садить крокодилы, делать фотографии. Работа с маленьким изделиями и тонкими ножками выполняется аналогично. Только щупы придется оголить и не допускать создания излишних контактов.

Маркировка П213А четко обозначена на корпусе. Она позволяет заглянуть в справочник, определить по картинке в нем вывода, узнать технические характеристики, включая проводимость: прямую или обратную.

На практике часто это не выполняется: маркировка не читаема, изделие «no name». Вот этой сложной методики я и буду придерживаться, как приходится поступать чаще всего.

Выбираю один из контактов (не помеченный кембриком) и ставлю на него щуп, например, красный. На второй произвольный (длинный кембрик) подключаю черный конец. Записываю показание —196 Ом.

Переношу черный конец на вывод с коротким кембриком. Вижу очень большое сопротивление.

Меняю концы местами: на голый вывод сажу черный щуп, а на длинный — красный. Вижу высокое сопротивление.

Переношу красный конец на вывод с коротким кембриком. Замеряю 72 Ома.

Осталось два замера. Красный щуп оставляю на прежнем месте, а черный подключаю на вывод с длинным кембриком. Результат — 198 Ом.

Меняю концы местами. Голый вывод не задействован. Наблюдаю очень большое сопротивление.

Теперь остается проанализировать полученные результаты.

Мы знаем, что вывод базы является общим для обоих составных диодов. На него должны прозваниваться с величиной омов оба перехода. Это замеры №:

• 1 (плюс или красный щуп на голом выводе, минус — на длинном кембрике);
• 4 (минус на голом выводе, плюс — на коротком кембрике);
• 5 (минус на длинном, плюс на коротком).

Замечаю, что общий вывод для двух замеров (1 и 5) из трех помечен длинным кембриком. На него с двух сторон проходит ток. Значит это база.

Два остальных вывода: эмиттер и коллектор. Надо их как-то различить. Методика здесь следующая: сопротивление коллектор-база всегда меньше, чем эмиттер-база. (Коллекторный ток неизбежно самый большой). Сравниваем 196 Ом в первом случае и 198 в пятом.

Получаем, что коллектор у нас ничем не помечен, что и подтвердила фотография его прозвонки на корпус. Оставшийся вывод с коротким кембриком — эмиттер.

Обращаем внимание на направление токов на базу. Они идут снаружи вовнутрь переходов (направление прямое: структура p-n-p). В обратную сторону токи не проходят: полупроводники целые.

У мощных же моделей БТ между этими выводами в одну сторону (зависит от проводимости) замеряются какие-то Омы, что мы и имеем на картинке №4.

А теперь показываю характеристики проверяемого П213А, взятые из интернет-магазина. Они помогут вам оценить результаты моей проверки.

Учтите, что эта методика позволяет определять исправность транзисторов прямо на монтажной плате без их выпаивания. Просто бывают случаи, когда полупроводниковые переходы зашунтированы низкоомными резисторами.

Они будут прозваниваться в обе стороны с низким сопротивлением. Тогда БТ придется демонтировать. Но обычно их не выпаивают: зачем лишние телодвижения.

Как замерить коэффициент h21 у биполярного транзистора

Очень давно я делал небольшую коробочку с батарейкой, амперметром, набором сопротивлений, переключателем и клеммами для подключения полупроводников. После небольших манипуляций на этом устройстве замеренные токи коллекторной цепи и базы пересчитывались по формуле. Так определялся коэффициент h21.

Сейчас такие действия считаются мазохизмом. У большинства современных мультиметров, даже бюджетного класса, имеется встроенная функция для этого замера.

Пользователю достаточно выставить переключатель прибора в положение hFE, а в контактное гнездо подключить испытуемый БТ с учетом проводимости и обозначенных выводов.

Прибор автоматически отработает, покажет вычисленный им коэффициент h21.

И вот что самое интересное: даже в таком простом замере новички допускают ошибки, ибо:

1. путают местами выводные контакты или проводимость;
2. создают неплотное прилегание выводов в гнездах мультиметра.

Второе происходит чаще. Дело в том, все БТ выпускаются с разными толщинами контактных ножек. Надо просто подобрать диаметр проволочки под отверстие гнезда, чтобы она плотно входила в него.

Нарезать из нее несколько отрезков, подбирая удобную длину. Затем они просто напаиваются на ножки для проведения замера, как показано на фото выше.

Предлагаю посмотреть коротенькое видео, посвященное описанию работы с биполярными транзисторами.

Вот в принципе и все, что я хотел рассказать про биполярный транзистор, что такое его полупроводниковые переходы, как они работают и проверяются. Если у вас еще остались какие-то вопросы, то задавайте их в комментариях.