Транзистор как ключ и усилитель

Урок объясняет, как маленький ток базы управляет большим током коллектора в транзисторе.

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор, в котором малый ток базы управляет значительно бóльшим током коллектора.

Транзистор — главное изобретение электроники XX века. На нём построены все процессоры, усилители и логические схемы. Его суть — усиление: слабый сигнал управляет мощным.

Три вывода и коэффициент усиления

У биполярного транзистора три вывода: база (B), коллектор (C), эмиттер (E). Основное соотношение:

$$ I_C = \beta \, I_B, \qquad I_E = I_C + I_B = (\beta + 1) I_B. $$

Коэффициент $\beta$ (от 50 до 300) показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы. Крошечный ток базы (микроамперы) управляет током коллектора в миллиамперы.

Режим ключа

В режиме ключа транзистор либо полностью открыт (насыщение, как замкнутый контакт), либо закрыт (как разомкнутый). Так управляют моторами, реле, светодиодами от слабого сигнала микроконтроллера. Ток базы выбирают с запасом, чтобы гарантировать насыщение.

Расчёт токов транзистора

beta = 100.0
Vcc = 5.0
Rc = 220.0     # коллекторная нагрузка, Ом
Ib = 0.0002    # ток базы, 0.2 мА

Ic = beta * Ib
Ie = Ic + Ib
Urc = Ic * Rc           # падение на нагрузке
Uce = Vcc - Urc         # напряжение коллектор-эмиттер
print(f"Ток базы Ib = {Ib*1000:.3f} мА")
print(f"Ток коллектора Ic = {Ic*1000:.2f} мА")
print(f"Ток эмиттера Ie = {Ie*1000:.2f} мА")
print(f"Напряжение Uce = {Uce:.3f} В")

Вывод:

Ток базы Ib = 0.200 мА
Ток коллектора Ic = 20.00 мА
Ток эмиттера Ie = 20.20 мА
Напряжение Uce = 0.600 В

Как работает под капотом

Транзистор — это два встречных $p$-$n$ перехода. Тонкая база между эмиттером и коллектором настолько узкая, что большинство носителей, инжектированных эмиттером, «пролетают» сквозь неё к коллектору, и лишь малая доля уходит в базу как ток управления. Отсюда и усиление: ток базы — это «налог» в $\beta$ раз меньше основного потока. В режиме усилителя транзистор работает в активной области, где $I_C = \beta I_B$ соблюдается линейно, и малые колебания тока базы дают большие колебания тока коллектора — слабый звуковой сигнал превращается в мощный. В режиме ключа транзистор уводят в насыщение, где $U_{CE}$ падает почти до нуля и он рассеивает минимум тепла. Полевые транзисторы (MOSFET) управляются напряжением, а не током, но идея усиления та же.

Частые ошибки

Подключают нагрузку напрямую к выводу микроконтроллера вместо транзисторного ключа и сжигают порт.
Забывают токоограничивающий резистор в базе — большой ток базы выводит транзистор из строя.
Путают $\beta$ (усиление по току) с усилением по напряжению — это разные вещи.

Итог

$I_C = \beta I_B$ — малый ток базы управляет большим током коллектора.
$I_E = I_C + I_B$.
Режим ключа: транзистор открыт или закрыт.
Режим усилителя: линейное усиление слабого сигнала.