170. Биполярный транзистор: принцип, четыре режима, насыщение, выключение, источник тока

Раздел 51 показал транзистор как ключ для реле и расчёт резистора базы. Здесь — что происходит внутри: как малый ток базы управляет большим током коллектора, какие бывают режимы и как их узнать по напряжениям, почему «ключ» может греться, почему он выключается с задержкой, как тот же транзистор делает источник тока, которому всё равно, от чего питаться, и что умеют пары транзисторов — зеркало и составной.

Все числа ниже — модель ngspice NPN-транзистора с явно заданными параметрами (коэффициент передачи 200, обратный — 3), порядка ходового прибора на 0,5 А.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
base / collector / emitter	база / коллектор / эмиттер
DC current gain (hFE)	статический коэффициент передачи тока
cutoff / forward active / saturation / reverse active	отсечка / активный / насыщение / инверсный режим
collector-emitter saturation voltage VCE(sat)	напряжение насыщения коллектор-эмиттер
forced beta	принудительный коэффициент передачи
output characteristics	выходные характеристики
Early effect	эффект Эрли
storage time (ts)	время рассасывания
speed-up capacitor	ускоряющий конденсатор
Baker clamp (Schottky clamp)	фиксация диодом Шоттки
current source / current sink	источник / приёмник тока
emitter follower	эмиттерный повторитель
current mirror	токовое зеркало
Darlington pair	составной транзистор (схема Дарлингтона)
matched pair	согласованная пара транзисторов

170.1 Принцип и четыре режима

Биполярный транзистор — два p-n перехода навстречу друг другу: база-эмиттер и база-коллектор. Открытый переход база-эмиттер впрыскивает носители в тонкую базу; почти все они не успевают уйти через вывод базы и проскакивают в коллектор. Поэтому ток коллектора в β раз больше тока базы, и управляет им именно ток базы, а не напряжение на коллекторе. Точнее, ток коллектора задаёт напряжение база-эмиттер: он растёт примерно в десять раз на каждые 60 мВ Uбэ при 25 °C, а ток базы — его β-я доля. Для ключа удобнее думать током базы, для зеркала (170.6) — напряжением.

Режим определяется тем, какие переходы открыты:

Как это читать на живой плате: мультиметр между базой и эмиттером показывает около 0,7 В — переход открыт; если при этом коллектор почти на эмиттере — насыщение, если на нём вольты — активный режим.

Инверсный режим — это перепутанные коллектор с эмиттером: транзистор работает, но с усилением около 3 вместо 200. Ключ «вроде открывается», но не до конца и греется — частая ошибка с цоколёвкой корпуса.

170.2 Выходные характеристики

Ток коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы:

В активном режиме кривые почти горизонтальны: ток задаёт база. Почти — при 10 В ток на 4,8 % больше, чем при 5 В (эффект Эрли). Коэффициент передачи не постоянен и падает с ростом тока: 196, 186, 165. Левее 0,2…0,3 В кривые обрываются вниз — это насыщение: тока базы «хватает с избытком», и ток коллектора задаёт уже нагрузка.

170.3 Насыщение: сколько тока в базу

Ключ: нагрузка 120 Ом от 12 В, ток до 100 мА. Меняем ток базы:

При 0,5 мА транзистор в активном режиме: нагрузка недополучает ток, а на транзисторе 2,36 В и 189 мВт — в 12 раз больше, чем при 1 мА. Отсюда правило раздела 51.5: ток базы — по принудительному коэффициенту 10…20, а не по паспортному β, который к тому же падает с током и температурой. Дальше 20 выигрыш уже мал: от 5 до 10 мА Uкэ падает всего с 0,10 до 0,084 В.

170.4 Выключение: время рассасывания

В насыщении база переполнена зарядом. Когда вывод МК снимает сигнал, этот заряд ещё какое-то время держит транзистор открытым. Тот же ключ, база от вывода 3,3 В:

Чем глубже насыщение, тем дольше выключение — вот обратная сторона большого тока базы. Для реле и ламп это ничего не значит, для ШИМ на десятки килогерц — почти ничего. А для программного последовательного порта на 1 Мбит/с (бит — 1 мкс) 189 нс — это 19 % бита.

Два приёма: - ускоряющий конденсатор параллельно резистору базы — на фронте он выдёргивает заряд из базы током, который резистор не дал бы; быстрее всего, но нагружает вывод на фронтах; - диод Шоттки между базой и коллектором не даёт войти в глубокое насыщение — Uкэ открытого ключа поднимается до 0,62 В, и греется он больше.

На графике видна и цена ускоряющего конденсатора: коллектор на несколько наносекунд уходит ниже нуля, до −1,67 В. База рывком уходит в минус, а насыщенный переход база-коллектор ещё открыт и тянет коллектор за собой. Нагрузке это не вредит, но если с коллектора снимают сигнал на вход МК, этот минус пойдёт в защитный диод вывода (раздел 62).

170.5 Активный режим в деле: источник тока

Светодиоду нужны 20 мА, а питание — то 5, то 12 В. Сравним резистор с ключом и транзистор в активном режиме: база прямо от вывода 3,3 В через 1 кОм, в эмиттере 120 Ом, светодиод в коллекторе.

С резистором ток вырос в 3,3 раза — светодиод перегружен. Источник тока изменился на 0,4 %: эмиттер повторяет базу минус 0,7 В, значит на 120 Ом всегда около 2,5 В, а ток коллектора почти равен току эмиттера. Iк ≈ (3,3 − Uбэ) / Rэ.

Цена — тепло и запас по напряжению. Всё, что питание даёт сверх светодиода и эмиттерного резистора, падает на транзисторе: при 12 В на нём 7,54 В и 155 мВт. А снизу питания должно хватать на светодиод (1,99 В), эмиттерный резистор (2,46 В) и хотя бы 0,2 В на транзисторе — около 4,65 В; при 5 В на транзисторе остаётся 0,55 В.

Эмиттерный повторитель — та же схема без нагрузки в коллекторе: выход на эмиттере повторяет вход минус 0,7 В, а ток от источника сигнала берёт в β раз меньше, чем отдаёт в нагрузку. Так слабый выход разгружают, когда операционного усилителя (раздел 56) нет под рукой.

170.6 Пары транзисторов: токовое зеркало и составной

Токовое зеркало. Два одинаковых транзистора с общими базами и эмиттерами. VT1 включён диодом — коллектор соединён с базой, — и опорный ток сам устанавливает на нём нужное Uбэ. VT2 получает то же Uбэ и, будучи таким же, пропускает тот же ток. Опорный ток задают резистором: (5 − 0,65) / 4,3 кОм = 1,01 мА.

При равных Uкэ зеркало ошибается на 1,0 % вниз: токи двух баз берутся из опорного, это около 2/β. А дальше выходной ток растёт с напряжением: от 0,65 до 5 В — на 4,3 %, до 10 В — на 9,3 %. Это эффект Эрли из 170.2, и из-за него простое зеркало — неидеальный источник тока. Резисторы в эмиттерах обоих транзисторов поднимают выходное сопротивление и сглаживают разброс Uбэ; а сами транзисторы одинаковы по-настоящему только на одном кристалле — поэтому берут сдвоенный транзистор в одном корпусе.

Составной транзистор (Дарлингтон) — эмиттер первого в базу второго: коэффициенты передачи перемножаются. Нагрузка 120 Ом от 12 В, база от вывода 3,3 В через 10 кОм:

Одиночному 0,26 мА базы мало — он застрял в активном режиме (6,38 В и 299 мВт). Составному хватает 186 мкА от вывода, но насыщается он не до десятой вольта: первый транзистор не может опустить коллектор ниже базы второго, и Uкэ не бывает меньше Uбэ второго — 0,80 В. Это 75 мВт, в 7,6 раза больше, чем у одиночного насыщенного ключа с током базы 5 мА (170.3). На нагрузках в сотни миллиампер и больше составной ключ проигрывает полевому транзистору — о нём следующий раздел.

170.7 Грабли

Ключ греется и нагрузка работает «вполсилы». Ток базы по паспортному β — транзистор в активном режиме: 2,36 В и 189 мВт вместо 0,16 В.

Транзистор открывается, но плохо, хотя ток базы с запасом. Перепутаны коллектор и эмиттер — инверсный режим с усилением около 3.

Импульсы на выходе ключа растянуты на сотни наносекунд. Время рассасывания насыщенного транзистора; ускоряющий конденсатор или фиксация Шоттки.

Ключ с фиксацией Шоттки греется сильнее. Uкэ открытого — 0,62 В вместо 0,10 В: так работает фиксация.

Источник тока горячий при высоком питании. Всё лишнее напряжение падает на транзисторе: при 12 В — 155 мВт.

Ток светодиода от источника тока упал при 5 В. Не хватает запаса: транзистор ушёл в насыщение, ниже 4,65 В источник тока перестаёт им быть.

Составной ключ греется, хотя насыщен. Uкэ составного не опускается ниже Uбэ второго транзистора: 0,80 В и 75 мВт на 93 мА.

Токи зеркала расходятся на проценты. Разные Uкэ у входного и выходного транзисторов (эффект Эрли) или транзисторы из разных корпусов; сдвоенный транзистор и резисторы в эмиттерах.

170.8 Итоги

• Режим — по переходам: активный — открыт только база-эмиттер (β = 196), насыщение — открыты оба (Uкэ 0,045 В), инверсный — перепутаны выводы (усиление 3,0), отсечка — 10 пА.
• В активном режиме ток задаёт база; эффект Эрли добавляет 4,8 % на 5 В, β падает с током: 196, 186, 165.
• Нагрузка 100 мА: Iб 0,5 мА — 2,36 В и 189 мВт; 1 мА — 0,16 В; 5 мА — 0,10 В.
• Выключение насыщенного ключа — 189 нс; ускоряющий конденсатор 1 нФ — 6,5 нс; фиксация Шоттки — 70 нс при Uкэ 0,62 В.
• Источник тока: 20,5 мА при 5 В и 20,6 мА при 12 В против 19,6 и 64,4 мА у резистора.
• Токовое зеркало: 1,001 мА при опорном 1,01 мА (−1,0 %, токи баз), при 10 В на выходе — +8,2 % (эффект Эрли); составной ключ от 10 кОм насыщается, но Uкэ 0,80 В и 75 мВт.

Дальше: раздел 170а «Схемы на двух транзисторах: составные, зеркало, дифкаскад, мультивибратор, верхний ключ и ограничитель тока».