Привет, эту публикацию я хочу посвятить людям, кто, как и я, любил в детстве читать журнал «Радио» и книги по электронике, но не смог сам разобраться в принципах работы усилителей на биполярных транзисторах. Тема полупроводников непроста и требует понимания многих чуждых для нашей повседневной интуиции физических процессов. Я помню момент озарения, когда я понял принцип схемотехнического решения эмиттерного повторителя, и именно с него пошло постепенное понимание, как функционируют и другие типы транзисторных каскадов. И я предполагаю, что эта тема может стать точкой входа в аналоговую электронику не только для меня.
▍ Предыстория
При чтении форумов я замечал, что некоторые люди жалуются на непонимание принципов работы транзисторов. Видел множество неправильных объяснений и заблуждений. Чем больше я изучаю тему аналоговой электроники, тем больше нахожу подтверждений тому, что человеческому разуму очень непросто даётся понимание физических явлений микромира. А полупроводниковые устройства буквально работают на законах взаимодействия атомов и элементарных частиц. Эти маленькие корпусированные кристаллики кремния дают возможность в домашних условиях косвенно «пощупать» квантовые эффекты!
Запас кремниевых и германиевых транзисторов
Так как у меня нет профильного образования инженера-электроника, моя картина знаний о полупроводниках формировалась с детства стихийно, фрагментарно и часто с грубыми заблуждениями. К тому же сказался недостаток информации, в моём подростковом окружении была лишь одна книга об основах электроники — «Юный радиолюбитель» Виктора Гавриловича Борисова, в которой, к большому сожалению, теме объяснения работы транзисторных каскадов уделено мало внимания. А глава, поясняющая работу каскада эмиттерного повторителя, написана весьма запутанно. Мне кажется, что это главный недостаток замечательной книги.
Во взрослом возрасте я сделал второй заход и решил разобраться самостоятельно.
▍ Базовые электрические принципы работы биполярного транзистора
Важно помнить, что учёные не создавали транзисторы нарочно с такими странными характеристиками. Схемотехника транзисторных устройств — это история про то, как инженеры пытаются использовать свойства полупроводниковых гетероструктур для решения технических задач. Например, усиление сигналов, управление током, преобразования энергии и т. п.
Три условия функционирования транзистора (здесь и далее на примере n-p-n):
- Коллектор должен иметь более высокий потенциал, чем эмиттер. Это нужно для того, чтобы ток протекал через транзистор по направлению от коллектора к эмиттеру. Напомню, в электронике принято считать условное направление течения тока от «+» к «-».
- Переход база-эмиттер открыт, а база-коллектор смещён в обратном, закрывающем направлении.
- Токи, протекающие через переходы, и напряжения, прикладываемые к выводам, не превышают допустимые эксплуатационные значения.
Взглянем на схему.
Батарейка подключена к коллектору положительным полюсом через Rк (нагрузка каскада). Эмиттер «сидит» на минусовой шине питания, можно считать этот полюс батарейки за «землю» схемы. Через большое базовое сопротивление Rб на базу поступает малый ток в 11 микроампер, который открывает переход база-эмиттер, из-за чего в тело базы транзистора поступают электроны из эмиттера и перехватываются электрическим полем коллектора.
NB! Важный момент. Транзистор в рабочем режиме не является управляемым резистором, как ошибочно принято считать. Транзистор в нормальном режиме работает как источник тока. Это значит, что проходящий через него ток задаётся током базы. То есть в некоторых практических пределах не зависит от Rк и напряжения питания батарейки. Вот здесь вы можете интерактивно взаимодействовать с моделью каскада, изменять подаваемые токи, нагрузку. Ползунки находятся справа.
Перемещая ползунки можно нарисовать семейство выходных кривых транзистора, о которых поговорим следующей статье.
Из представленной схемы очевидно, что транзисторный каскад проходит три тока: малый базовый, втекающий коллекторный и их сумма, протекающая по выводу эмиттера.
Идея работы биполярного транзистора грубо может быть выражена так: перехватывать неосновные носители заряда, затягивать их полем коллектора из базы.
По этой причине база должна быть тонкой. Полупроводниковая промышленность прошла множество этапов и выработала разные способы добиться желаемого, например, существовала методика истончения базовой пластины полупроводника при помощи направленных друг на друга струй жидкости.
Мощный германиевый транзистор устроен иначе, p-n переходы располагаются в виде бутерброда.
Современные методы изготовления транзисторов позволяют создать необходимые структуры путём многостадийного производства, включающего в себя процессы ионного напыления, травления по шаблону и т. п.
Наверное, вам известен параметр биполярного транзистора, называющийся коэффициентом передачи тока. Он выражается через соотношения базового и коллекторного токов. Для большинства маломощных транзисторов β находится в пределах 70-300, но существуют и отдельные типы маломощных транзисторов, у которых коэффициент доходит до тысяч.
NB! Большой проблемой для схемотехники является то, что этот параметр плохо контролируется технологически и может значительно колебаться у транзисторов из одной партии. Пока нужно запомнить, что β — величина ненадёжная и может меняться в том числе у одного и того же транзистора в зависимости от режима работы. Я обязательно вернусь к теме проектирования схем, усилительные свойства которых определяются значением «обвязки», а не характеристиками конкретного экземпляра транзистора.
▍ Эмиттерный повторитель
Посмотрите на схему. Из неё пропал базовый резистор, а коллекторная нагрузка переехала и встала под эмиттер.
Казалось бы, какая разница, где расположена нагрузка, если ток во всех участках последовательной цепи одинаков. Самое время вспомнить первый принцип работы транзистора: потенциал коллектора должен быть выше потенциала эмиттера. Сейчас вы поймёте, почему этот принцип стал основой работы каскада.
Представьте транзистор и Rэ как делитель напряжения, имеющий широкий диапазон регулировки верхнего плеча. Приоткрывая транзистор, мы уменьшаем его сопротивление, и начинает протекать ток от плюса питания, сквозь переходы, потом на Rэ. При протекании тока в узле, куда подсоединён эмиттер, начинает повышаться напряжение. (Вы ведь помните, что чем выше ток через резистор, тем выше на его выводах напряжение, и эта зависимость линейна?).
В результате того, что точка потенциала эмиттера «стоит» на резисторе, получается, что она имеет возможность «плавать» в диапазоне почти от нуля до напряжения питания схемы в зависимости от тока через базу. И вот тут мы подбираемся к самому важному. При подаче на базу некого напряжения ток коллектора будет усиливаться и поднимать потенциал эмиттера. Это увеличение будет происходить до уровня, необходимого для открытия перехода база-эмиттер (примерно 0.65 вольт для кремниевых транзисторов), но не больше. Ведь тогда в базу не сможет втекать ток.
Это называют отрицательной обратной связью: изменение потенциала базы тут же компенсируется изменением коллекторного тока таким образом, что потенциал эмиттера замирает на точке, когда он хоть сколько-то способен открываться и принимать ток в базу. Транзистор в полуоткрытом состоянии следит за сигналом на базе, усиливая ток таким образом, чтобы разницы напряжений хватало только на приоткрытие перехода база-эмиттер.
Это чем-то напоминает управление слабой человеческой рукой могучим манипулятором экзоскелета. Он движется вслед за движением руки, которой приходится преодолевать некоторое усилие, многократно умножаемое гидравликой механизма.
В книгах упоминается, что у эмиттерного повторителя высокое входное сопротивление. Я никак не мог понять, по какой причине оно является высоким, ведь на входе сигнала открытый диод перехода база-эмиттер и относительно небольшой эмиттерный резистор. Но отгадка была именно в том, что на эмиттерный резистор сверху льётся ток коллектора, поднимая потенциал на верхнем выводе резистора.
Взгляните на два примера. Если мы отключаем питание от коллектора, в базу устремляется значительно больший ток.
Высокое входное сопротивление создаётся усилительными свойствами транзистора. И такое сопротивление называется эквивалентным. Сигналу со стороны базы «трудно» втекать в точку, потенциал которой синхронно изменяется, отстоя всего лишь на 650 милливольт, необходимых для открытия транзистора.
Если вы разберётесь со схемой, то сразу узнаете некоторые смутные черты того, как работают каскады на операционных усилителях, охваченные ООС.
▍ Роли эмиттерного повторителя
Как уже сказал выше, основным свойством ЭП является высокое входное сопротивление и низкое выходное, позволяющее создавать умощнители выходов, так называемые токовые буферы. Позволяющие, например, микроконтроллеру своей слабой лапкой воротить мощными нагрузками без опасения перетрудиться и сгореть.
Очень часто эта схема применяется как выходной каскад стабилизированных блоков питания, когда нагрузка подключается к эмиттеру и становится на роль Rэ.
Минусом подобных (как ещё называют, линейных) схем является рассеивание энергии питания в виде тепла. Но плюсами являются минимальный уровень помех в выходном сигнале, надёжность и простота.
▍ Свойства ЭП
- К достоинствам каскада относятся уже упомянутые высокое входное и малое выходное сопротивления. Это позволяет создавать буферные усилители, устраняющие влияния последующих каскадов на источники сигнала с высоким внутренним сопротивлением.
- Например, внутри большинства электретных микрофонных капсюлей с двумя выводами прямо внутри корпуса стоит повторитель. Правда, на полевом транзисторе, до которых мы ещё доберёмся. Он позволяет согласовать источник сигнала с огромным сопротивлением, которым является электретная мембрана с последующими каскадами.
- Из-за 100% ООС минимизируются нелинейные искажения. Линеаризация каскада — это однозначно добро, т. к. позволяет осуществлять передачу формы сигнала без существенных искажений. Что хорошо при измерении, записи и обработке аналоговых сигналов.
- Не инвертирует фазу сигнала. Если вспомнить, как работает более распространённый транзисторный каскад, именуемый схемой включения с общим эмиттером, то там сигнал снимается с коллектора. Когда транзистор открывается, потенциал коллектора стремится к нулю (верхнее плечо в виде нагрузочного резистора Rк ведь не изменяется). Следовательно, каскад с общим эмиттером, сидящем на земле, инвертирует фазу сигнала.
- Схема имеет широкий частотный диапазон из-за особенности режима работы транзистора, который не заходит в так называемое насыщение, что позволяет ему быстрее реагировать на изменяющийся сигнал.
- К недостаткам эмиттерного повторителя можно отнести коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. То есть наш сигнал должен иметь необходимую амплитуду до попадания в каскад, который 650 милливольт потребует себе для работы и срежет их из выходного значения.
- Каскад потребляет ток, сжигая мощность источника питания на эмиттерном резисторе.
- Невозможность передачи отрицательных значений амплитуды сигнала. Вот, посмотрите на схему.
Очевидно, что сигнал на выходе сильно искажён, срезается часть положительных полуволн и не передаются отрицательные полуволны. Для устранения этого ограничения есть два метода.
▍ Необходимость смещения
Для того чтобы сигнал передавался без искажений, можно искусственно «поднять» потенциал базы до уровня, равному диапазону от нуля до напряжения питания. В нашем примере эта точка будет находиться в районе 2,5 вольт. Чтобы зафиксировать потенциал базы воспользуемся простым, но очень надёжным схемотехническим решением, который называется «делитель напряжения». И в нашем случае он будет выглядеть как два резистора, соединённых последовательно и имеющих одинаковое сопротивление.
Для того чтобы вход не закорачивался, через источник ЭДС на землю поставим конденсатор в точку, где соединяются два резистора базового делителя.
Как видно из осциллограм, сигнал передаётся по форме верно, но имеет постоянное смещение, переносящее все значения сигнала в область положительных напряжений. Схема в симуляторе.
Второй путь создания ЭП, способного передавать неискажённый переменный сигнал — использование двухполярного (расщеплённого) питания. Схема в симуляторе.
Обратите внимание, что выходной сигнал смещён в область отрицательных значений на некоторую величину. Этот сдвиг образуется именно по той причине, что транзистору нужно иметь на базе потенциал выше, чем на эмиттере на 650 милливольт.
▍ Отделение постоянной составляющей
В этой части рассмотрим кратко как работает разделительный конденсатор, препятствующий прохождению постоянного тока через себя. Конденсатор с электрической точки зрения является разрывом цепи, т. к. в его материальной основе лежит диэлектрик, покрытый двумя токопроводящими обкладками. Но конденсатор способен вбирать в себя ток и передавать сигнал благодаря электрическому полю.
Наглядно это видно на модели. Постоянное положительно смещение создано путём включения во входную цепь батарейки, последовательно с генератором сигнала. На первом резисторе выделяется полезный сигнал вместе с постоянной частью (смещение в положительную сторону графика). После конденсатора мы видим сигнал с амплитудой обеих полярностей.
P. S. Так как мне очень нравится тема аналоговой электроники и усилительных устройств «на рассыпухе», я планирую сделать цикл публикаций на тему усилительных каскадов, биполярных и полевых транзисторов. Самое большое опасение — невольно ввести читателя в заблуждение, объяснив что-то неправильно. Если у вас будут исправления и дополнения, смело присылайте в комментарии.
Также советую прочитать публикацию, посвящённую основам электродинамики и браузерного симулятора circuitjs.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
Комментарии (92)
Astroscope
01.08.2024 13:42+2Спасибобот в каментах. В смысле не могу ограничиться безличным анонимным плюсом, хочу еще и на словах плюсов накидать.
adeshere
01.08.2024 13:42+7Спасибо за статью! Записал ссылку в архив обучающих материалов, буду ждать продолжения ;-)
Но, пожалуйста, подпишите в явном виде на 1 и/или 3 рисунке Э, К и Б. Статья ведь для начинающих?
А еще можно было бы их на "вскрытых" фото пометить...
akhkmed
01.08.2024 13:42+2Спасибо.
Действительно хорошая вещь для понимания работы биполярных транзисторов.В начальной школе сгорало: переменники, маломощные германиевые мп 25, что угодно.
И вдруг - восторг, когда впервые смог регулировать яркость лампочки при помощи кт805 и графитового переменника.
Moog_Prodigy
01.08.2024 13:42+7Мне было 6 лет, когда я умудрился подключить тиристор к проигрывателю грампластинок, а тиристор уже рулил лампочкой от торшера.. Ку202н кажется. Вообще без переходных деталей) Светомузыка была всем на радость в то время. Подключал именно на выход колонки проигрывателя, усилитель мощности у него встроенный был. Как не убило - не знаю :)
tuxi
01.08.2024 13:42+4А мне не удалось достать с буквами Н, были только А и Б, пришлось делать низковольтную реализацию... Помню что в моем окружении (мы проводили дискотеки в школе), тиристоры на 220 вольт были на вес золота...
Moog_Prodigy
01.08.2024 13:42+2И лишь относительно недавно я узнал, что в подвалах предприятий именно Н ящиками стояли в полузатопленном подвале, сотни ящиков размерами метр в кубе, и весом килограм под 100...А и Б это баловство даже по меркам дошкольника)
A_Green
01.08.2024 13:42+2Мой самый большой восторг как ни странно пришёлся на взрослые годы: в 1999 году, на втором курсе политеха мне вручили IRF840 и сказали что я могу с ним поиграться.
Для меня реально чудом выглядело что касанием пальцем затвора я зажигаю лампу от розетки... И ничего не сгорает, и не греется... После КТ815 и КУ202 выглядело чудом.
Потом я смотрел уже документацию по IRF540, и обалдевал от сопротивления в открытом состоянии.
VT100
01.08.2024 13:42+2реально чудом выглядело что касанием пальцем затвора я зажигаю лампу
Рисковый!
diakin
01.08.2024 13:42+4малый базовый, втекающий коллекторный и их сумма, протекающая по выводу эмиттера.
Такая картинка только путает. Источником является эмиттер, по названию понятно, а коллектор - тот, кто собирает
долгиток. То есть ток вытекает из эмиттера и хочет попасть в базу, но коллектор его перехватывает.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+2Если рассматривать ток электронов, то да. Но он течёт в обратную сторону от общепринятого направления.
Я думаю, что для начала стоит разобраться с электрическими параметрами, а потом вернуться к фундаментальным вещам, к модели описывающий работу p-n перехода.
strvv
01.08.2024 13:42+1Да, но если брать пнп транзистор то все станет правильно.
Изначально были pnp структуры, но в случае биполярных и мосфет - ниже характеристики.
Да и там будет правильно, эмиттер излучает ток, коллектор собирает. База приоткрывает эмиттер и этим частично отбирает его ток.
Moog_Prodigy
01.08.2024 13:42+2Вы физик-теоретик? Просто нажмите Alt+F4. Статья для электронщиков и начинающих (Отсылка про анекдот про - вы дачник? Вот идите лесом, лекция для колхозников)
VT100
01.08.2024 13:42+3А чё сразу "физик-теоретик"? Там тоже есть интересные подробности.
Например - о наличи в коллекторном [любом] переходе поля, создаваемого примесными атомами. Именно оно обеспечивает экстракцию неосновных носителей (электронов в транзисторе структуры n-p-n) из базы в коллектор в случаях, когда напряжение коллектор-база стремится к нулю и даже становится [слабо] открывающим (глубокое насыщение n-p-n транзистора).
roman_levin
01.08.2024 13:42Совершенно логичное замечание. Для первых p-n-p германиевых транзисторов это было именно так: плюс на эмиттере, минус - на коллекторе. А с появлением транзисторов n-p-n типа уже отсутствовал смысл переименовывать название структур транзистора. Зачем плодить лишние сущности?
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+2Подвижный носитель заряда во всех полупроводниках и p и n типов всё равно электроны. С разницей в том, что в полупроводнике p типа электроны вырываются из валентных чтобы заполнить вакансию.
Я сознательно не касался темы физики транзистора, т.к. не подготовленного читателя может окончательно запутать то, что носители заряда внутри транзистора движутся в противоположную сторону относительно общепринятого направления тока...
VT100
01.08.2024 13:42+4Держите плюс. И - замечания:
Вскрытый П16, фото: Mister rf
Давайте посмотрим на внутреннее устройство транзисторов с металлическим корпусом. Видна базовая пластина, расположенная вертикально. По бокам отходят выводы эмиттера и коллектора.
Неудачный ракурс. Мы видим кристаллодержатель (базовый вывод). А сам кристалл - с обратной стороны и слегка выглядывает в отверстие кристаллодержателя.
Транзистор в нормальном режиме работает как источник тока.
Представьте транзистор и Rэ как делитель напряжения, имеющий широкий диапазон регулировки верхнего плеча. Приоткрывая транзистор, мы уменьшаем его сопротивление, и начинает протекать ток от плюса питания, сквозь переходы, потом на Rэ.
Ай-ай! Правьте второй абзац.
К недостаткам эмиттерного повторителя можно отнести коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. То есть наш сигнал должен иметь необходимую амплитуду до попадания в каскад, который 650 милливольт потребует себе для работы и срежет их из выходного значения.
Простой сдвиг на примерно 0,65 В - не объяснит Ку < 1.
Часть выходного напряжения падает на внутреннем сопротивлении эмиттерного перехода, которое зависит от тока эмиттера и составляет от долей Ома при больших токах до сотен и более Ом при малых. Оно и выходное сопротивление - образуют искомый делитель напряжения. Факультатив: Внутреннее сопротивление базы - тоже можно приплести, но его влияние будет поменьше ввиду намного меньшего тока базы.
Bagatur
01.08.2024 13:42+5Замечательно! Спасибо!
И да, упомянутая книга Борисова в "босоногом сопливом" детстве тоже была настольной. И даже после прошествии множества лет и перемене мест проживания, до сих пор стоит в шкафу, ностальгии ради. Книга осталась, а вот собрать что-то сейчас из тамошних схем уже никак, поскольку при тех же переездах банка с МП-шками всё-таки потерялась, а сейчас их искать - тот ещё квест (да и задор юношеский давно пропал)... Но да, до сих пор иногда использую регулируемый блок питания, собранный в конце 80-х на радиокружке по схеме именно из этой книги. Печатка, криво нарисованная иглой от шприца разбавленным ацетоном маминым лаком для ногтей... Травлёная в азотной кислоте (хорошо, вентиляция хорошая была)... Корпус от непонятно какого прибора... Столько лет прошло, а работает...
Правда, больше впечатлила в том же возрасте книга Януша Войцеховского "Радиоэлектронные игрушки". Но она была не моя, только почитать давали...
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+1Войцеховский — забористая тема. Наверное хорошо, что я не был с его книгой знаком в детстве.
У меня тоже сохранился ЛБП по схеме из книги Борисова.
AlexanderS
01.08.2024 13:42+1Самое большое опасение — невольно ввести читателя в заблуждение, объяснив что-то неправильно.
Это ничего! При заблуждениях общественность поможет)
joffer
01.08.2024 13:42+4хм, а может кто-то посоветовать ещё более базовую статью? тема интересная и для себя хотел бы разобраться, но нету какого-то базового понимания - что там происходит.
Например, есть диод - полупроводниковый прибор на основе одного pn перехода. Вики говорит, что у диода есть анод и катод и если на анод подать +, а на катод минус - ток будет протекать, а если наоборот на анод - , на катод - плюс - ток будет протекать, но в разы хуже, минимально.
И вот, например, могу себе представить схему, где есть какой-то прибор, по которому может ток течь только в одну сторону - с + на -, а если наоборот - то прибор сгорает. Тогда, получается, можно перед таким прибором или после впаять диод и застраховать этот участок от "обратного" напряжения - оно "упрётся" в диод и ток будет минимальным, если же напряжение будет "прямое" - ток будет течь свободно через диод и прибор.
Вот, например, у меня какие-то такие выкладки по этим приборам. И теперь транзистор - это вроде как 2 диода, спаянных в кучу - триод. По крайней мере это вроде бы справедливо для биполярного транзистора, униполярный - это, получается, тот же диод, к которому сбоку прикручен, но не впаян ещё какой-то вентиль, который может влиять на этот диод ... напряжением? переходом частиц?
А биполярный транзистор - соответственно, диод, в который сбоку впаян ещё диод. Допустим. Эмиттер - это вроде бы анод, эмиттер самим названием типа как логично намекает, что он "эмитирует" ток в цепь, то есть, он покдлючается к + в плане напряжения. Ток из эмиттера (+) течёт к коллектору (-), название которого опять таки вроде бы логично говорит, что этот вывод в схеме "собирает" токи с анода, де-факто являясь катодом, и со второго диода или второго перехода, вывод которого - база.
И, получается, опять же от эмитера к коллектору может быть приложено напряжение + и - - и будет течь ток, хорошо. И прикладывая + или - к базе можно влиять на этот ток, уменьшая его в разы или увеличивая. Но как-то тогда, например, транзистор может усиливать сигнал?
Чисто логично если, например, на эмиттер подать 5 В и 1 А, и на базу 5 В и 1 А - то на коллекторе соберётся 5 В и 2 А - или это не так работает? Или нужна какая-то схема или что?
И вот диодный мост или транзисторный каскад - есть какая-то выгода соединять эти устроства параллельно или последовательно или там ещё как - как в этом разобраться?
И это же ещё есть
phpp-n-p и n-p-n типы транзисторов. И ещё же ламповые транзисторы есть, вакуумные полупроводниковые приборы - там эти контакты разделены и не касаются друг друга?Вот мне бы что-то вот на таком уровне почитать. Потому что вроде начинаешь базовые вещи читать - ну, что-то понятно. А потом понеслось:
Коллектор должен иметь более высокий потенциал, чем эмиттер
и думаешь - почему так? типа на коллекторе должно быть 10 В, а на эмиттере - 5 В? И что тогда будет?
чтобы ток протекал через транзистор по направлению от коллектора к эмиттеру
и ты такой - ага, если на коллекторе 10 В, а на эмиттере 5 В, то ток будет течь... от коллектора к эмиттеру... Получается, коллектор ничего не собирает, а наборот, он + и от него течёт ток к ... эмиттеру, который не эмитирует, а наборот, является -?
Переход база-эмиттер открыт, а база-коллектор смещён в обратном, закрывающем направлении
То есть, на базе +, на эмиттере -, "база-коллектор в закрывающем" - получается, на базе - , а на коллекторе +?? И что такое это смещение - приложенное напряжение?
Ну то есть я сыплюсь уже на вступлении статьи, а не то чтобы дальше разобраться
В общем, если кто-то может посоветовать литературу или статью "для самых тугих", то поделитесь в комментариях, пожалуйста. По этой статье ключа к пониманию обрести не удалось((
hw_store
01.08.2024 13:42+1у npn-транзистора ток течёт из коллектора в эмиттер, а у pnp-транзистора - из эмиттера в коллектор, вот и вся недолга. Потому что за направление тока в электротехнике и электронике приняли "от плюса к минусу". В ламповые времена тип транзистора так и называли: прямой проводимости, обратной проводимости. Соответственно и для открытия pnp нужно чтобы на базе потенциал был ниже, чем на эмиттере, а для npn - наоборот. То есть грубо говоря одинаковые схемы с обоими транзисторами будут вести себя одинаково, при условии что полярность питания разная.
Wesha
01.08.2024 13:42+1А биполярный транзистор - соответственно, диод, в который сбоку впаян ещё диод. Допустим. Эмиттер - это вроде бы анод, эмиттер самим названием типа как логично намекает, что он "эмитирует" ток в цепь, то есть, он покдлючается к + в плане напряжения. Ток из эмиттера (+) течёт к коллектору (-), назва
Я это так для себя в своё время воспринял: поскольку "диоды" впаяны навстречу друг другу, то ток через эту "связку диодов" в нормальном состянии течь не может, потому что что один диод пропускает, то другой не пропускает, и наоборот. Однако когда мы подключаемся к центральной "точке спайки" этих "двух диодов" и начинаем гнать через один диод ток, то немножко свободных носителей заряда случайно заносит и в p-n переход второго — а раз там появились свободные носители, то и через него ток вдруг тоже течь начинает.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Мне кажется, что важно еще дополнить что коллекторный диод так и продолжает быть закрытым когда транзистор открывается, но ток течёт за счёт "всасывания" зарядов коллектором из базы.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+1По поводу диода, который защищает схемы от переполюсовок вы правы, так делают для защиты. Но у полупроводникового диода есть некоторый потенциально неустранимый порог внутреннего (!) напряжения в 650 милливольт, который нужно компенсировать внешним питанием, чтобы ток пошел.
Как аналогию можно рассмотреть вертикальный уступ на дне реки, эдакую мини-плотину высотой 650 мм. Если вода в реке чуть ниже плотины то ток воды не течёт.
Вот пример, батарейки в обоих случаях одинаковые по 0.3 вольта, правда симулятор почему-то даёт ток больше, чем в реальных диодах. Нужно проверить в реальной схеме. Вот ссылка на симулятор: https://tinyurl.com/2bdnncoq обратите внимание, что диод в слаботочних схемах является препятствием ограничивающем напряжение питание от батареи, т.е. без диода схема может полнее "высасывать" батарейку.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+1>Чисто логично если, например, на эмиттер подать 5 В и 1 А, и на базу 5 В
и 1 А - то на коллекторе соберётся 5 В и 2 А - или это не так работает?
Или нужна какая-то схема или что?
Смотрите, не совсем корректно рассуждать "Подать на базу 5В и 1А". Вот по какой причине, электрическая энергия она едина и не разделима на ток и напряжение. Если на базу транзистора мы подаём ток в 1 ампер и база может принять такой ток, например как на схеме.
То при измерении напряжения на базе окажется что при токе в 1 ампер на базе напряжение всего около 800 милливольт. Почему так происходит? Потому что мы имеем дело с полупроводниками, у которых сопротивление зависит от протекающего через них тока.
Но если мы эмиттер "подопрём" небольшим сопротивлением, то сразу на базе начнёт появляться напряжение значительно большее чем на схеме слева и общий ток коллектора начнёт ограничиваться (так как мы начинаем получать схему эмиттерного повторителя, которую я описал в статье).
Ravager
01.08.2024 13:42Сигналу со стороны базы «трудно» втекать в точку, потенциал которой синхронно изменяется, отстоя всего лишь на 650 милливольт, необходимых для открытия транзистора.
я все равно не понимаю. допустим на верхнем выводе резистора есть точка с высоким потенциалом. но эта же точка с высоким потенциалом участвует в замерах напряжения выхода. почему в случае базы она приводит к большому сопротивлению, а в случае эммитера не приводит?
upd: возможно дело все-таки в том что транзистор открыт не полностью?
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+1Я не совсем понял вопрос, но вы правы, транзистор работает в активном режиме (полуоткрытый).
Высокое сопротивление со стороны базы достигается потому что входная и выходная цепь сливаются и точка их слияния и является порогом открывания транзистора (без учёта 650 мВ, необходимые для компенсации потенциального барьера в p-n переходе б-э.)
checkpoint
01.08.2024 13:42+1почему в случае базы она приводит к большому сопротивлению, а в случае эммитера не приводит?
Если посмотреть на эквивалентную схему эмиттерного повторителя, то можно увидеть, что входное сопротивление ЭП складывается из сопротивляния генератора rг, сопротивления базы rб, сопротивления эмиттерного перехода rэ и сопротивления нагрузочного резистора Rэ. В то время как выходное только из сопростивления нагрузочного резистора.
Эквивалентная схема эмиттерного повторителя. Нас преподаватель электроники учил всегда замещать схему эквивалентной и по ней уже смотреть что, где, куда и как.
Ravager
01.08.2024 13:42Все так, но по формуле там получается что сопротивление входа больше в b(коэф. Усиления)+1 раз чем выхода. Я всегда думал что переход база эмиттер по сути открытый диод, и сопротивления там минимум.
grmile
01.08.2024 13:42+1Сопротивление равно отношению напряжения и тока. К примеру на входе имеем 1В, на выходе 0.4В. Пусть резистор будет 1Ом а коэф передачи по току будет 100. Таким образом эмиттерный ток будет 0.4А, а базовый( если для упрощения принять ток эмиттера =коллектора) будет в 100 раз меньше: 0.004А. то-есть входное сопротивление будет 1В/0.004А= 250 Ом.
Вот и выходит что входное сопротивление ~ резистору умноженному на коэф передачи по току. Базовый ток ограничивается обратной связью.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+1Я хотел целенаправленно заострить внимание, что сопротивление базы по сути виртуальное и образуется не из за физического сопротивления компонентов, а из за плавающего потенциала эмиттера (относительно "земли" схемы). Если отключить от схемы питание батарейки, то входное сопротивление уменьшится.
VT100
01.08.2024 13:42+1что сопротивление базы по сути виртуальное
Нет, вполне реальное. При большом базовом токе (например - в насыщенном ключе) напряжение база-эмиттер вполне себе растёт из-за омического сопротивления базы.
Например, у КТ865, напряжение Vбэ-нас. составляет 2 В при токе базы 0,6 А (тип. - 1 В).
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Спасибо за дополнение, если честно я уже осознал ряд пробелов в собственных знаниях. Но буду разбираться!
checkpoint
01.08.2024 13:42+6Автор, а где три схемы включения транзистора ? Где эквивалентные схемы транзистора ? По ним как раз гораздо легче понять какие токи куда втекают, на каких сопротивлениях создают падение и куда вытекаю.
Три схемы включения транзистора
а) с общей базой, б) с общим эмиттером (усиление по напржению), в) с общим коллектором (усиление по току). Эквивалентные схемы транзистора
Эквивалентная схема транзистора с ОБ 
Эквивалентная схема транзистора с ОЭ Собственно это всё, что требуется знать инженеру-электронщику от биполярных транзисторах.
8street
01.08.2024 13:42+1Эти три схемы только запутывают новичков. На самом деле, принципы управления проводимостью транзитора одни и те же и новичкам достаточно выучить один случай. Уяснить, что транзистор это некий черный ящик, который реагирует изменением проводимости на изменение Uбэ (Iб), а уж как его включать, это дело десятое.
checkpoint
01.08.2024 13:42+2На самом деле, принципы управления проводимостью транзитора одни и те же и новичкам достаточно выучить один случай
Нет не достаточно. Разные схемы включения имеют разные свойства (усиление потоку, по напряжению, разные коэффициенты, сопротипления) и предназначены для разных целей. Безусловно, если человек отлично разбирается в физике микромира и по движению заряженных частиц может самостоятельно вывести всё основные параметры, то ему вообще никаких схем запоминать не требуется, но я таких пока не встречал. А эти схемы для инженера как базовые шаблоны (читай - референс-дизайн).
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Эти три схемы — абстракция которая лишь запутает новичков.
Как подсказывает мой опыт, именно нюансы электроники важны для понимания работы схем, а если их заменить абстрактными аналогами получается напонимание.
Вот пример ломающий мозг — идеальный и реальный источник тока. Если человеку запомнилось что идеальный источник тока вне зависимости от нагрузки даёт определенный ток. В реальных схемах всё ограничивается довольно узким диапазоном в котором каскады могут выполнять свои роли.
nv13
01.08.2024 13:42Конечно запутывают, если не изучать биполярный транзистор по его эквивалентной схеме, например модели Молла Эберса. И эмиттерный повторитель не так распространён, как схема с ОЭ. Читайте Хоровица Хилла, там всё разжевано, вроде
engine9 Автор
01.08.2024 13:42ХиХ на столе лежит, бумажный. Мне кажется, что самое лучшее объяснение в цикле лекций МФТИ.
nv13
01.08.2024 13:42Непонятно, для какой специальности такой курс читают. То, что перечислеро у нас занимало раз в 6 больше часов с курсовиками, экзаменами и отчислениями
Keroro
01.08.2024 13:42То есть это высокое входное сопротивление как бы эмулируется усилительной ролью транзистора. Сигналу со стороны базы «трудно» втекать в точку, потенциал которой синхронно изменяется, отстоя всего лишь на 650 милливольт, необходимых для открытия транзистора.
А зачем R6 тогда?
А
grmile
01.08.2024 13:42На этой схеме чтобы ограничить ток базы и транзистор не сгорел, но это схема с общим эмиттером, а рассказывается про общий коллектор, когда резистор снизу.
checkpoint
01.08.2024 13:42+1Да, кстати, автор как-то незаметно перепрыгнул от схемы с общим эмиттером на схему с общим коллектором (эмиттерный повторитель) и у новичка может сложиться обманчивое представление что это одна и та же схема.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Здесь Рб больше как костыль, чтобы можно было управлять током базы в небольших пределах.
Если у вас есть источник лабораторного питания, который может выдавать небольшие стабилизированные токи, например в пределах микроамперов, то можно их подавать на базу непосредственно. (Но с электрической точки зрения этот резистор как бы переезжает в источник тока).
8street
01.08.2024 13:42+4Важный момент. Транзистор в рабочем режиме не является управляемым резистором, как ошибочно принято считать. Транзистор в нормальном режиме работает как источник тока. Это значит, что проходящий через него ток задаётся током базы.
Человек, который это прочитает с нуля, никогда не поймет принцип построения схем на транзисторе.
Еще Хоровиц и Хилл в своей книге "Искусство схемотехники" предлагали так не считать, поскольку это очень сложно для понимания, а считать, что транзистор управляется напряжением Uбэ, а ток базы - это побочный негативный эффект, который лишь надо принять во внимание и обеспечить его необходимое кол-во от источника питания. Тогда биполярный транзистор практически вырождается в полевой транзистор, который проще для понимания и который управляется напряжением U затвор-исток. В общем, книгу советую.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+1На мой взгляд это вредная абстракция. И вот почему: у транзистора нелинейная входная характеристика к тому же различающаяся от экземпляра к экземпляру. Для одного транзистора из партии 650 мВ будет достаточно для создания тока коллектора 20 мА, а другой транзистор при этом же значении напряжения на базе будет 50 мА выдывать.
Я когда готовился посмотрел цикл лекций Григорьева А.А. МФТИ и как я понял, там обьясняется то, что транзистор нужно рассматривать именно как токовый прибор, у которого нужно однозначно контролировать ток базы.
Это всё взрывает мозги поначалу и кажется, что радиотехники издеваются, но потом привыкаешь ко всей этой дуальности ток-напряжение.8street
01.08.2024 13:42Абстракция полезная именно новичкам на начальном этапе. По поводу 650мВ согласен, но попробуйте заменить транзистор на полевой транзистор в вашем же примере и напряжение изменить до напряжения открытия транзистора, там будут точно такие же проблемы и решаются они другим образом. Например, применением ООС или ограничением тока через нагрузку резистором или самой нагрузкой.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Полевые транзисторы больше похожи на твердотельный аналог радиоламп и намного интуитивнее для понимания (как и радиолампы) и их большой плюс в том, что они управляются напряжением. т.е. практически не отбирают ток от полезного сигнала. А биполярные транзисторы это боль, костыли и превозмогание.
8street
01.08.2024 13:42+2Это боль от непонимания, что с биполярными можно работать так же, как с полевыми, примерно по тем же принципам. Полевые транзисторы ток затвора тоже потребляют, на высокой частоте, но это же никого не останавливает. Просто ну надо умощнить предыдущий каскад или вообще заменить транзюки на ОУ :).
Кстати, если схема полагается на коэффициент передачи тока транзистора, то это плохая схема. Надо делать, чтобы бета не влияла, ну или хотя бы не влияла в каких-то пределах на характеристики схемы.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42>Это боль от непонимания, что с биполярными можно работать так же, как с полевыми, примерно по тем же принципам.
Но не в малосигнальных цепях, типа предусилителей и т.п.
Вы смотрите с позиции инженера строителя на детей, которые пришли в детсад и строят домики из лего. Чтобы строить многокаскадные усилители надо разобраться с самими основами.
Я же об этом сам написал в статье:
"... что β — величина ненадёжная и может меняться в том числе у одного и того же транзистора в зависимости от режима работы. Я обязательно вернусь к теме проектирования схем, усилительные свойства которых определяются значением «обвязки», а не характеристиками конкретного экземпляра транзистора".Разумеется, что надёжнее и проще использовать ОУ, и в разработке современной электроники я бы их использовал вместо усилителей на транзисторах, если это рационально. Но тема именно биполярный транзистор.
checkpoint
01.08.2024 13:42На мой взгляд это вредная абстракция.
Поддерживаю! Биполярный транзистор это управляемый источник тока. Добавьте пожалуйста в Ваше определение.
itGuevara
01.08.2024 13:42Хорошо бы еще еще более базовый уровень и на основе аналогий для самих принципов электротока. Глазом электронов не видно, их движение тоже: "Видишь суслика? Нет. А он есть". Показания электроприборов не дают интуитивно понятного представления без хорошей ассоциативности с наблюдаемыми природными процессами / явлениями.
Например, аналогию электротока себе показываю на течении реки: перепад высот русла (особенно водопад) - разница потенциалов (наклон определяет скорость течения воды, т.е. силу тока), сложение токов параллельных цепей - как остров посреди реки и его обтекание ответвлениями реки с последующим слиянием и т.п. Может быть есть подборка подробных описаний подобных аналогий?
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Да, я в конце дал ссылку на предыдущую публикацию. По моему опыту именно работа с симулятором схем, который я описываю, прочищает мозги окончательно и даёт интуитивное понимание течения токов в схемах.
Wesha
01.08.2024 13:42+2Касательно обучающих вещей, есть совершенно восхитительный "конструктор" Spintronics
(видео)
в котором аналог напряжения — сила, приложенная к цепочке; аналог тока — скоросто перемотки цепочки, аналог сопротивления — трение. И ВНЕЗАПНО все взаимосвязи становятся визуально очевидны.
P.S. Кого давит жаба покупать сам конструктор — можно поиграться в его эмуляторе. А также посмотреть на исходный код симулятора.
Prohard
01.08.2024 13:42Описание работы транзистора сводится к двум диодам. У автора получается, что если взять два диода, соединить их последовательно встречно, то средняя точка будет базой, а оставшиеся коллектором и эмиттером. Будет такой транзистор работать? Конечно нет. А легенда ходит.
ALT0105
01.08.2024 13:42+1Хорошая статья. Два совета: 1. В начале (3 условия функционирования...) убрать первое - оно не охватывает pnp транзисторы и полностью поглощается вторым (про закрытый коллекторный переход). 2. В недостатке повторителя не надо говорить про 650 мВ, это вводит в заблуждение и требует длинных пояснений. Входной сигнал может быть и 1 мВ и это дальше показано
ALT0105
01.08.2024 13:42+1Еще один совет. Я объясняю физику работы транзистора на примере его включения с общей базой (не называя его). Логика: входной ток (поток электронов) проходит череэ открытый переход и попадает в базу, две особенности исполнения которой - она тонкая и в ней концентрация собственных носителей на два порядка меньше. Поэтому из пришедших элетронов 1% вступают в рекомбинацию и ушедшие на это дырки подкачиваются питанием базы, создавая базовый ток. Остальные 99% электронов проскакивают базу и проходят через открытый для них коллекторный переход (он закрыт только для дырок базы), создавая коллекторный ток. Этот ток не зависит ни от напряжения коллектора, ни от сопротивления. Поэтому транзистор - источник тока. Управляя током базы (возмещая рекомбинировавшие дырки), мы управляем большим (в 99 раз) током коллектора и в 100 раз током эмиттера
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Спасибо, очень пригодится для последующей статьи, я сошлюсь на вас. Мне нравится это описание.
iroc
01.08.2024 13:42+2Наверно стоит упомянуть прекрасную книжку "Транзистор? Это очень просто"
Автор Айсбер, ищется на известном ресурсе.
Там очень хорошо хорошо описаны принципы работы на атомном уровне и все это с хорошими иллюстрациями. Конечно есть и описание различных схем включения, вроде и полевые описаны.
В свое время страдал, что нет такой же про лампы, хотя на тот момент очень неплохо знал основы ламповой техники.
grigorym
01.08.2024 13:42+2Я когда объясняю суть транзистора детям, вспоминаю свой собственный путь к пониманию и всегда начинаю с очень простой абстракции - выключателя света в комнате, потом плавно перехожу к тому, что хорошо бы выключателем рулить не пальцем, а электричеством, и потом ещё плавнее перехожу к тому, чтобы рулить зарядом (напряжением) или током. Поэтому, по моему опыту, заходить лучше через полевой транзистор в режиме ключа, его дети понимают быстрее.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42+1Принцип работы полевого более интуитивно понятный, согласен. Еще хороши радиолампы.
Doigen
01.08.2024 13:42+1Схема имеет широкий частотный диапазон из-за особенности режима работы транзистора, который не заходит в так называемое насыщение, что позволяет ему быстрее реагировать на изменяющийся сигнал.-
Несколько большая высокочастоткость каскада с ОК обусловлена меньшим влиянием "ёмкости Миллера" (паразитной ёмкости база-коллектор). То же, в большей степени, относится к каскаду с ОБ.
Режим работы транзистора в линейном режиме как ОЭ так и ОК мало чем отличается, в смысле диапазона токов. И с режимом насыщения никак не связан.
engine9 Автор
01.08.2024 13:42Спасибо, исправлю. Благодаря комментаторам понял, что есть недочёты и пробелы в знаниях.
jorgvonfrundsberg
01.08.2024 13:42Повторитель эмиттерный, но схема с общим коллектором. Меня всегда улыбал этот диссонанс )))
engine9 Автор
01.08.2024 13:42О да, не только вас! Вспоминаю один комментарий с YT где некто с обилием ненормативной лексики жаловался, что полжизни проработал электронщиком, учился в профильном вузе и до сих пор не понимает почему коллектор общий.
0xC0CAC01A
01.08.2024 13:42Кстати, а остались в рунете живые и доброжелательные форумы про электронике? Какие посоветуете?
Vladimir_Rapava
01.08.2024 13:42Вы хоть представляете себе, что такое гетероструктуры? Если нет, то может и не стоит их упоминать в отношении обычного транзистора?
Moog_Prodigy
Статья для начинающих хороша! Напишите еще про ключевой режим работы транзисторов, на этой теме много новичков стопорится, да и "не новички" тоже бывает...
engine9 Автор
Спасибо, готовится.