51. Полупроводники: диоды, стабилитроны, биполярные транзисторы

Резистор делает то, что ему говорит закон Ома. Полупроводники ведут себя иначе — и именно поэтому из них получаются выпрямители, стабилизаторы и ключи. Раздел про три детали, без которых плата с микроконтроллером не обходится: диод, который пропускает ток в одну сторону; стабилитрон, который держит напряжение; транзистор, который позволяет выводу с его восемью миллиамперами управлять реле, лампой или двигателем.

Все числа — по паспортным параметрам конкретных ходовых деталей: выпрямительного диода на 1 А, стабилитрона на 5,6 В и транзистора на 500 мА.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
p-n junction	p-n-переход
forward / reverse bias	прямое / обратное включение
forward voltage drop (Vf)	прямое падение напряжения
reverse breakdown	обратный пробой
peak repetitive reverse voltage (VRRM)	допустимое обратное напряжение
average rectified current	средний выпрямленный ток
Schottky diode	диод Шоттки
flyback / freewheeling diode	гасящий (обратный) диод
Zener diode, Zener voltage (Vz)	стабилитрон, напряжение стабилизации
bipolar junction transistor (BJT)	биполярный транзистор
base, collector, emitter	база, коллектор, эмиттер
DC current gain (hFE, β)	коэффициент передачи тока
saturation, VCE(sat)	насыщение, напряжение насыщения
forced beta	принудительный коэффициент передачи
cutoff / active / saturation region	режим отсечки / активный / насыщения

51.1 Диод: вентиль с платой за проход

Диод пропускает ток от анода к катоду и не пропускает обратно. Но «пропускает» — не бесплатно: на открытом диоде падает напряжение, у кремниевого выпрямительного — до 1,1 В при 1 А. Это значит 1,1 Вт тепла на одном диоде при токе в ампер — уже вопрос корпуса и радиатора, а не мелочь.

Три параметра, по которым выбирают выпрямительный диод:

Цифра обратного напряжения — не «чем больше, тем лучше», а требование задачи: в мосту от 12 В переменного амплитуда 17 В, и хватает диода на 50 В с запасом; для сети 220 В амплитуда 311 В, и нужен диод на 1000 В. По току эти диоды одинаковы.

Мост — это два диода в пути. Выпрямляя 12 В переменного, получаем не 17 В, а 17 − 2 × 1,1 = 14,8 В, и на мосту при 1 А греется 2,2 Вт.

Диод Шоттки — тот же вентиль с падением около 0,4 В вместо 1,1: на ампере экономит 0,7 Вт, а на мосту — 1,4 Вт. Плата — больший обратный ток и, как правило, меньшее допустимое обратное напряжение. Там, где ток заметный и напряжение невысокое, — Шоттки; в сетевых выпрямителях — обычный кремниевый.

51.2 Гасящий диод: обязательная деталь у любой катушки

Реле, соленоид, двигатель — это индуктивность. Индуктивность не даёт току измениться мгновенно: при размыкании ключа она поднимает напряжение настолько, насколько нужно, чтобы ток продолжился.

В обмотке реле на 12 В и 30 мА с индуктивностью около 100 мГн запасено 45 мкДж. Немного — но если ключ обрывает ток за микросекунду, напряжение U = L · di/dt устремляется к тысячам вольт (в жизни его ограничит пробой, но не ниже сотен). Вывод микроконтроллера или транзистор такого не переживёт.

Гасящий диод ставится параллельно обмотке катодом к плюсу. В обычном режиме он закрыт; при размыкании ток обмотки замыкается через него, и напряжение на ключе не превышает питания плюс падения на диоде — 13,1 В. Ток спадает через диод и сопротивление самой обмотки (12 В / 30 мА = 400 Ом) примерно за 0,6 мс: t = (L/R) · ln(1 + I·R/Uд) = 0,25 мс · ln(1 + 12 / 1,1) ≈ 0,62 мс. Реле отпускает медленнее, контакты расходятся медленнее и сильнее обгорают. Если это важно, последовательно с диодом ставят стабилитрон: напряжение на ключе вырастет до питания плюс напряжение стабилизации, зато ток спадёт в разы быстрее.

⚠️ Диод нужен всегда, даже если «реле маленькое» и «ключ мощный». Симптом его отсутствия — устройство работает неделями, а потом необъяснимо перезагружается или сгорает транзистор.

51.3 Стабилитрон

Стабилитрон — диод, который включают в обратном направлении и эксплуатируют в режиме пробоя: напряжение на нём почти не зависит от тока. Стабилитрон на 5,6 В мощностью 500 мВт выдерживает до 89 мА.

Параметрический стабилизатор — гасящий резистор и стабилитрон. Задача: 5,6 В для нагрузки до 10 мА из 12 В.

1. Ток через резистор должен покрыть нагрузку и оставить стабилитрону минимум для удержания напряжения — примем 5 мА: R = (12 − 5,6) / 15 мА = 427 Ом, из ряда — 430 Ом, ток 14,9 мА.
2. Худший случай для стабилитрона — нагрузку отключили: все 14,9 мА идут в него, это 83 мВт из 500 допустимых. Запас есть. Но «12 В» от аккумулятора или нестабилизированного блока доходят до 14,4 В: тогда ток 20,5 мА, на стабилитроне 115 мВт, а на резисторе 180 мВт — нужен корпус 1206.
3. На резисторе рассеивается 95 мВт — корпус не меньше 0805.

Свойства, которые определяют, где схема уместна: ток 14,9 мА течёт постоянно, независимо от нагрузки; полезной нагрузке достаётся лишь две трети. Для опорного напряжения компаратора или защиты входа — да; для питания чего-либо от батарейки — нет, там нужен стабилизатор (раздел 55).

Второе применение — ограничитель выбросов, но у низковольтных стабилитронов с оговоркой: излом у них пологий. У ходового стабилитрона на 3,3 В в корпусе SOT-23 по паспорту напряжение при 5 мА — от 3,14 до 3,47 В, а дифференциальное сопротивление — до 95 Ом при 5 мА и до 600 Ом при 1 мА; у стабилитрона на 12 В — 25 и 150 Ом. Ток течёт уже ниже номинала — нагружает сигнал и искажает показания АЦП, — а каждые 10 мА выброса сверх 5 мА добавляют к напряжению до 0,95 В, и вывод получает больше своих 3,6 В. Вход надёжнее защищает последовательный резистор со встроенными диодами вывода (62.3), а внешний ограничитель берут на напряжение выше питания (62.9).

51.4 Транзистор: маленьким током управлять большим

Биполярный транзистор — три вывода: база, коллектор, эмиттер. Малый ток базы открывает большой ток коллектора; отношение — коэффициент передачи hFE. У ходового транзистора на 500 мА он от 100 до 600 при 100 мА и падает до 40 при предельном токе.

Два режима, в которых его используют:

• Ключ — транзистор либо закрыт, либо полностью открыт (насыщен). Так управляют реле, лампами, двигателями. Греется мало, режим простой, коэффициент передачи почти не важен.
• Усилитель — рабочая точка посередине, выход повторяет вход с усилением. Греется всегда, требует расчёта смещения; в цифровой схеме почти не встречается — эту работу делает операционный усилитель (раздел 56).

51.5 🔧 Ключ на транзисторе

Задача: реле на 12 В и 50 мА от вывода 3,3 В.

Ток базы. По паспорту при hFE ≥ 100 хватило бы 0,5 мА. Но так транзистор окажется на грани — работает усилителем, а не ключом, и с другим экземпляром или при нагреве перестанет открываться до конца. В ключевом режиме ток базы задают принудительным коэффициентом 10…20:

Iб = Iк / 10 = 50 мА / 10 = 5 мА
Rб = (3,3 В − 0,7 В) / 5 мА = 520 Ом  →  510 Ом, ток базы 5,1 мА

Вычитаемые 0,7 В — падение на переходе база-эмиттер: он ведёт себя как диод. Без резистора базы этот переход — почти короткое замыкание, и ток ограничен только выводом.

Проверка вывода. 5,1 мА — в комфортных 8 мА. А вот для нагрузки 100 мА базе понадобилось бы 10 мА — вывод отдаёт такое на пределе, и здесь уже нужен полевой транзистор (раздел 52) или составная схема.

Потери. Напряжение насыщения растёт с током. При 50 мА и токе базы 5 мА оно около 0,1 В (модель раздела 170 — 0,064 В): единицы милливатт, и до нагрузки от 12 В не доходит меньше процента напряжения. При предельных 500 мА и базе 50 мА паспорт даёт до 0,7 В — 350 мВт. На сотнях миллиампер биполярный ключ уже заметно греется — это главная причина, по которой для таких токов берут полевые транзисторы.

Гасящий диод — параллельно обмотке, как в разделе 51.2. Без него первое же выключение реле убьёт транзистор.

51.6 Для сравнения: тот же транзистор усилителем

Чтобы понять, чем ключ отличается от усилителя, посмотрим на тот же транзистор с коллекторным резистором 1 кОм от 12 В и рабочей точкой посередине: 6 мА через коллектор, 6 В на транзисторе. Усиление по напряжению получается около 230 раз — впечатляет. Но:

• 36 мВт рассеиваются постоянно, просто чтобы держать режим — больше, чем на ключе при вдесятеро большем токе;
• усиление зависит от тока, температуры и экземпляра;
• нужна цепь смещения, стабилизирующая рабочую точку.

Поэтому в схемах вокруг микроконтроллера дискретный транзистор встречается почти исключительно как ключ, а усиление отдают операционным усилителям, у которых всё это уже решено внутри.

51.7 Грабли

Реле не включается или включается «вполсилы». Ток базы посчитан по паспортному hFE, а не по принудительному коэффициенту. Пересчитать на Iк/10.

Транзистор сгорел при выключении реле. Нет гасящего диода.

Микроконтроллер перезагружается при щелчке реле. То же самое: выброс от обмотки уходит по питанию и земле.

Транзистор горячий. Не насыщен (мал ток базы) — или насыщен, но ток велик для биполярного: на сотнях миллиампер насыщение доходит до 0,7 В. Полевой транзистор.

Стабилитрон греется и «плывёт». Нагрузку отключили, весь ток пошёл в стабилитрон; либо резистор рассчитан без учёта этого случая.

Напряжение после стабилитрона ниже номинала. Ток через него меньше минимального — нагрузка съела всё. Уменьшить резистор.

Выпрямитель даёт меньше, чем ожидали. Два падения в мосту, а не одно: минус 2,2 В.

Диод Шоттки «течёт». Обратный ток у него заметно больше, чем у кремниевого, и растёт с температурой; в цепях с высоким сопротивлением это видно.

Резистор базы отсутствует «потому что вывод слаботочный». Вывод слаботочный до тех пор, пока его не замкнули на переход с падением 0,7 В.

51.8 Итоги

• Диод пропускает ток в одну сторону, теряя на себе до 1,1 В: при 1 А это 1,1 Вт, в мосту — вдвое больше; Шоттки экономит 0,7 В.
• Обратное напряжение диода выбирают по задаче: 50 В для 12 В переменного, 1000 В для сети.
• Любая катушка — с гасящим диодом; иначе выброс в сотни вольт.
• Стабилитрон держит напряжение ценой постоянного тока через гасящий резистор; считать надо худший случай — без нагрузки.
• Биполярный ключ: ток базы по принудительному коэффициенту 10…20, резистор базы обязателен; потери — напряжение насыщения × ток: около 0,1 В при 50 мА, до 0,7 В при 500 мА.
• Стабилитрон на 3,3 В — плохой ограничитель входа: излом пологий, ток течёт ниже номинала.
• Вывод микроконтроллера удобно отдаёт до 8 мА в базу — это до 50…80 мА в нагрузке; дальше — полевой транзистор.
• Усилитель на дискретном транзисторе греется и плавает; эту работу отдают операционным усилителям.

Дальше: раздел 52 «Управление нагрузками: ключи, реле, MOSFET, драйверы» — как переключать амперы, а не миллиамперы.