Транзистор: как работи, видове (BJT, MOSFET) и приложения

Транзисторът е електронен компонент, който може да се използва като част от усилвател или като превключвател. Той е изработен от полупроводников материал. Транзисторите се намират в повечето електронни устройства. Транзисторът е значителен напредък след триодната тръба, като за превключване или усилване на друг електронен ток се използва много по-малко електроенергия, а животът му е с години по-дълъг.

Транзисторът може да се използва за най-различни неща, включително за усилватели и цифрови превключватели за компютърни микропроцесори. В цифровата работа се използват предимно MOSFET. Някои транзистори са индивидуално опаковани, главно за да могат да работят с голяма мощност. Повечето транзистори се намират в интегрални схеми.

Как работи транзисторът (основна идея)

На прост език, транзисторът е електронен елемент, който управлява потока на електрически ток. Съществуват два основни принципа на работа:

• Токово управление (BJT): малък входен ток в базата контролира по-голям ток между емитера и колектора.
• Напрежение/поле управление (MOSFET): напрежение на вратата (gate) променя проводимостта между източника и дрена, т.е. транзисторът е почти идеален волт-управляем елемент.

Това позволява транзисторите да действат като усилватели (увеличават сигнал) или като бързи електронни превключватели в цифровите схеми.

Основни видове транзистори

• BJT (bipolar junction transistor) — има два типа: NPN и PNP. Работи с ток в базата; използва се в аналогови усилватели и някои комутационни приложения.
• MOSFET (metal–oxide–semiconductor FET) — най-широко използван в цифровите интегрални схеми и мощни превключватели. Съществуват n-канални и p-канални MOSFET, в режим на обогатяване (enhancement) или изчерпване (depletion).
• JFET — работи като полев транзистор, но с PN-връзка за управление; среща се по-рядко от MOSFET.
• Специализирани — мощни транзистори (IGBT за високи напрежения и мощности), малосигнални, RF транзистори за високи честоти и т.н.

Режими на работа

• За BJT: прекъснат (cutoff) — транзисторът е изключен; активно (active) — работи като усилвател; наситен (saturation) — като включен превключвател.
• За MOSFET: изключен (off), линеен/съпротивителен режим (ohmic) и наситен/засилен режим (saturation) в зависимост от напреженията на вратата и дрена.

Ключови параметри

• При BJT: hFE или β (тока усилване), максимално колекторно напрежение Vce, максимален колекторен ток Ic, честотна граница ft.
• При MOSFET: Rds(on) — съпротивление в проводящ режим, Vth — праг на вратата, максимално напрежение Vds, максимален ток Id, зареждане на вратата Qg (влияе на скоростта на превключване).
• Мощност и температурни характеристики: максимална разсейвана мощност, температурен коефициент, необходима охладителна площ или радиатор.

Приложения

• Аналогови усилватели (аудио, сензори, предусилватели).
• Цифрови логически схеми — процесори, памети и други интегрални схеми (тук доминират MOSFET).
• Захранващи блокове и мощни прекъсвачи — преобразуватели, двигателни драйвери (често MOSFET или IGBT).
• RF и комуникации — специални високочестотни транзистори.
• Стабилизатори на напрежение, усилватели на ток и защитни схеми.

Пакетиране и управление на топлината

За мощни транзистори се използват пакети като TO-220, DPAK и други, които позволяват монтаж на радиатор. При високи натоварвания е важно да се следи разсейването на топлина (P = V × I) и да се осигури подходящо охлаждане, за да не се превиши максималната температура на полупроводника.

Символи и примерни схеми

Транзисторите имат стандартни символи в електрическите схеми (стрелка за BJT, инсулаторна линия и терминали за MOSFET). Примери за базови приложения:

• Общ емитер (BJT) — често използван усилвател с добър коефициент на усилване.
• Нисковатов превключващ MOSFET — често се използва като "low-side switch" за захранване на товар.

Практически съвети

• MOSFET-ите са чувствителни на ESD — внимавайте с разрядите при работа и монтаж.
• Използвайте защита на вратата (резистор, TVS диод) при приложения с високи напрежения или шум.
• При дизайн на усилвател отделяйте внимание на поляризацията (biasing) за правилна работа в желан режим.
• За високи честоти стойностите на паразитните капацитети и индуктивности могат да променят поведението — избирайте транзистори, предназначени за RF, когато са необходими.

Заключение

Транзисторите са основният градивен елемент на модерната електроника. Разбирането на разликите между BJT и MOSFET, техните режими на работа и параметри е ключово за правилния избор при проектиране на усилватели, превключващи устройства и интегрални схеми. С правилна употреба и монтаж те предоставят висока надеждност, ефективност и универсалност в широк спектър от приложения.

Как работят

Транзисторите имат три извода: гейт, дрейн и източник (при биполярните транзистори проводниците могат да се нарекат емитер, колектор и база). Когато източникът (или емитерът) е свързан към отрицателната клема на батерията, а дрейфът (или колекторът) към положителната клема, във веригата няма да протича електричество (ако имате само лампа последователно с транзистора). Но когато докоснете гейта и дрейна заедно, транзисторът ще пропусне електричество. Това е така, защото когато гейтът е положително зареден, положителните електрони ще изтласкат други положителни електрони в транзистора, позволявайки на отрицателните електрони да преминат през него. Транзисторът може да работи и когато гейтът е просто положително зареден, така че не е необходимо да се докосва дрейна.

Визуализация

Лесно е да си представим работата на транзистора като маркуч с остър завой, който спира водата да премине през него. Водата са електроните, а когато заредите положително портата, тя разгъва маркуча и пропуска водата.

Основната схема на транзистора Дарлингтън се формира от два биполярни транзистора, свързани емитер към база, така че да действат като един транзистор. Единият от транзисторите е свързан така, че да контролира тока към базата на другия транзистор. Това означава, че можете да контролирате същото количество ток с много малко количество ток, което отива в базата.

Когато централният щифт е захранен, захранването може да тече.


Схема на транзистор Дарлингтън. "B" означава база, "C" - колектор, а "E" - емитер.

Търсене по буква