На простом примере рассказано о главных правилах практического применения биполярных транзисторов.
С тех пор как изобрели транзистор в первой половине прошлого века, о нем не перестают рассказывать. Но большинство рассказов сводятся к чистой теории про электроны, дырки, p-n переходы или к громоздким расчетам с формулами и графиками в которых большинство желающих разобраться тонут, не дочитав до конца.
Ну допустим прочитали вы про электроны, дырки, p-n переходы, посмотрели видео подобного содержания, которых тысячи и что? Сможете после этого собрать простенькую схемку на транзисторе, чтобы она работала и транзисторы не выходили из строя? Я думаю вряд ли.
Перейдем к конкретному наиболее простому примеру. Есть мигалка на микросхеме 561ЛА7. Напряжение питания схемы 12В.
Она работает на нагрузку, которая состоит из светодиода. Допустим нам нужно вместо светодиода применить автомобильную лампу 12В 5Вт.
Прямо подключить лампу вместо светодиода мы не можем, потому что у микросхемы 561ЛА7 ток нагрузки, указанный в ТУ, для длительной работы около 1мА.
А лампа требует 5Вт:12В=0,42А. Для создания небольшого запаса примем ток равным 0,5А.
По току, рабочему напряжению и мощности подберем несколько транзисторов. Так как в данной схеме шина питания +, а — на корпусе, применять будем n-p-n транзисторы.
Рабочая частота генератора низкая, поэтому применять можно любые, но с целью экономии лучше низкочастотные, ну или те, которые есть.
У меня под рукой в наличии такие транзисторы:
Таблица основных характеристик этих транзисторов:
Где:
Uк-э – наибольшее напряжение к-э закрытого транзистора;
Iк – наибольший ток коллектор-эмиттер открытого транзистора постоянный (импульсный);
h 21 – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером;
fгр – граничная рабочая частота;
Р – наибольшая мощность без радиатора (с радиатором);
Uк-э нас – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер полностью открытого транзистора.
Схема мигалки с транзистором и лампой выглядит так:
По закону Ома токоограничивающий резистор R2 номиналом 10кОм при полностью открытом выходном транзисторе внутри микросхемы не позволяет току превысить значение 12В:10кОм= 1,2мА. Это не будет перегружать микросхему.
Чтобы не тыкать в схему все подряд, пока не заработает (или не сгорит что-то), проведем простой анализ.
По напряжению Uк-э они подходят все, так как все выдерживают больше 12В, которое у нас является напряжением питания.
По току Iк первые три (по таблице) транзистора не подходят. Даже у КТ602БМ 500мА только в импульсном режиме. Получается на пределе, а нужен запас.
КТ961Б вроде бы подходит, но если предположить, что у него максимальный коэффициент усиления (h 21=160), то при токе базы 1мА ток коллектора будет 1мА х 160 = 160мА. А нам нужно 500мА. Это значит, что транзистор полностью не откроется, часть напряжения питания упадет на нем, он будет нагреваться, а лампа не будет светиться в полный накал.
Такая же картина будет при использовании транзистора КТ817Г.
Остается только составной транзистор КТ972А. У него коэффициент усиления более 750. Как известно, составной транзистор содержит внутри два транзистора коэффициенты усиления которых перемножаются.
Недостатком его является то, что при полностью открытом транзисторе на его переходе к-э падает напряжение до 0,95 …1,5В что больше, чем на обычном, не составном транзисторе, например, КТ961 у которого в насыщении падает всего до 0,5В.
При проверке на практике все приведенные выше рассуждения подтвердились. Лампа светится только с транзистором КТ972А.
В данном случае при токе лампы около 0,5А на транзисторе КТ972А падает напряжение 0,75В. Мощность (P=U×I), рассеиваемая на транзисторе равна 0,75В х 0,5А = 0,375 Вт. Это допустимая для него мощность даже без радиатора.
На лампе падает остальное напряжение:
12В – 0,75В = 11,25В
Мощность, рассеиваемая на лампе равна:
11,25В х 0,5А = 5,625Вт
Потери на транзисторе составляют 0,375 : 5,625 = 0,067 что соответствует 6,7%. Т.е. КПД равно 100% — 6,7% = 93,3%.
Если мы применим транзистор КТ961Б, у которого Uк-э нас до 0,5В то КПД можно еще повысить. Но коэффициента усиления транзистора КТ961А недостаточно для непосредственного подключения к микросхеме К561ЛА7. Поэтому применим еще один маломощный транзистор, например, ВС547. Схема будет выглядеть так:
Максимальный ток коллектора ВС547 при R3 1кОм и напряжении питания 12В будет 12мА. Что при самом малом его коэффициенте усиления 110 (указано в таблице) потребует ток базы 12мА : 110 = 0,1мА, что для микросхемы более чем допустимо. При закрытом ВС547 транзистор КТ961Б будет открыт с допустимым током базы через R3 равным 12мА, что при самом низком коэффициенте усиления КТ961Б равном 60 (указано в таблице) сможет обеспечить ток коллектора до 12мА х 60 = 720мА. А нам для лампы нужно всего 500мА, т.е. с запасом.
Работать схема будет так.
Микросхема током до 1 мА при высоком уровне импульса будет открывать транзистор VT1, при этом транзистор VT2 будет закрываться. Следующий полупериод, когда импульс имеет низкий уровень, VT1 будет закрыт, а транзистор VT2 через резистор R3 током до 12мА, будет открыт до насыщения и лампа будет гореть. Если в предыдущей схеме с одним транзистором КТ972А, лампа горела при высоком уровне импульса, то в этой, наоборот, при низком. Если микросхема выдает меандр, т.е. длительность высокого и низкого уровней одинакова, то это равнозначно.
При проверке на практике описанное выше подтвердилось.
На фото ниже показан полупериод, когда VT1 закрыт, ток базы у него 0 мА, а VT2 открыт, в насыщении, падение напряжения на нем 0,23 В.
Следующий полупериод, когда VT1 открыт, его ток базы 1 мА а VT2 закрыт, все напряжение около 11В на нем и лампа не светится, показан на фото ниже:
КПД с транзистором КТ961Б, рассчитанное по такой же методике, что и для транзистора КТ972А составляет 98%.
Подобным подходом для анализа можно пользоваться во многих случаях. Например, на форумах встречаются вопросы по изготовлению линейных стабилизаторов напряжения. Люди пишут, собрал схему, но вместо тока 5А в нагрузке выдает всего 2А. А это все потому, что мощному транзистору не хватает тока базы. Как этот недостаток устранять описано выше.
Конечно это не полная исчерпывающая инструкция по применению биполярных транзисторов, но, когда будет понято главное, знания можно постепенно углублять.
А главное заключается в том, что, применяя любые радиоэлементы, нельзя превышать ни один параметр, указанный в технических условиях. При этом схема должна обеспечивать высокий КПД, работоспособность с учетом допустимых разбросов параметров примененных деталей, низкую себестоимость.
Материал статьи продублирован на видео: