PNP-транзистор

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока (“внутрь” для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Обозначение транзистора PNP

Обозначение транзистора PNP
Где, E = излучатель, B = база, C = коллектор

Средний уровень (N-тип) называется терминалом B-Base. Левосторонний слой P-типа работает как вывод E-Emitter, а правый слой P-типа, известный как вывод C-Collector.
PNP транзистор

При формировании транзистора NPN один полупроводниковый материал P-типа помещается между двумя полупроводниками N-типа, как описано в статье (Транзистор Link NPN). В то время как в транзисторе PNP один полупроводник N-типа помещается между двумя полупроводниковыми материалами P-типа.

В транзисторе PNP используются диоды двух типов. Это соответственно диоды PN и NP. Эти диоды с PN-переходом называются переходом коллектор-база или CB-переходом и переходом база-эмиттер или BE-переходом.

В полупроводниковом материале P-типа носителями заряда в первую очередь являются дырки. Таким образом, в этом транзисторе формирование тока происходит только за счет движения отверстий.

Области эмиттера и коллектора (P-типа) сравнительно легированы больше, чем база N-типа. Области Эмиттерной и Коллекторной областей шире по сравнению с базой.

Обычно в полупроводнике N-типа доступно больше свободных электронов. Но ширина среднего слоя в этом случае уже и слегка легирована.
Подключение транзистора, кредит изображения – С. Бланк, PNP транзистор, CC BY-SA 4.0

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h21Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Работа транзистора NPN:

Теперь, когда сторона n диода имеет большинство электронов, а сторона p имеет большинство отверстий, все соединения напряжения расположены как прямое и обратное смещение соответственно. Базовый эмиттерный переход настроен как обратное смещение, а коллекторный базовый переход работает как прямое смещение. Область истощения этой области эмиттер-база уже по сравнению с областью истощения на пересечении коллектор-база.

Поскольку переход имеет обратное смещение (эмиттер), отверстия перетекают от источника питания к переходу N. Затем электрон движется в сторону p. Здесь происходит нейтрализация какого-то электрона. Остальные электроны движутся в сторону n. Падение напряжения относительно эмиттера и базы составляет VBE как входная сторона.

В эмиттерах N-типа носителями заряда являются в основном электроны. Следовательно, электроны переносятся через эмиттеры N-типа на базу P-типа. Ток будет проходить через эмиттер-базу или переход EB. Этот ток известен как ток эмиттера (Ie). Здесь ток эмиттера (IE) течет со стороны выхода и течет в двух направлениях; один яB а другое это яC. Итак, мы можем написать:

IE=IB+IC

Однако базовая область относительно тонкая и слегка легированная. Следовательно, большая часть электронов проходит через область базы, и лишь немногие из них рекомбинируют с доступными дырками. Базовый ток минимален по сравнению с током эмиттера. Обычно это до 5% от всего тока эмиттера.

Ток, текущий от остальной части электронов, называется током коллектора (IC). ЯC сравнительно высока по сравнению с базовым (IB).

Режим работы транзистора

Он имеет три режима работы согласно смещению, а именно:

• Активный режим
• Режим отключения
• Режим насыщенности

Режим отключения

• Транзистор работает как разомкнутая цепь.
• В отсечке два перехода имеют обратное смещение.
• Току не будет позволено протекать.

Насыщенный режим

• Транзистор выполнен по замкнутой схеме.
• Оба перехода настроены только на прямое смещение.
• Поскольку напряжение база-эмиттер сравнительно велико, ток проходит от коллектора к эмиттеру.

Активный режим

• В это время транзистор работает как схема усилителя тока.
• В активном режиме транзистора соединение BE имеет прямое смещение, а переход C -B – обратное смещение.
• Ток проходит между эмиттером и коллектором, и величина тока пропорциональна имеющейся приложенной базе.

Проверка биполярного транзистора мультиметром

Это наиболее распространенный компонент, например серии КТ315, КТ361 и т.д.

С тестированием данного типа проблем не возникнет, достаточно представить pn переход в как диод. Тогда структуры pnp и npn будут иметь вид двух встречно или обратно подключенных диодов со средней точкой (см. рис.3).

«Диодные аналоги» переходов pnp и npn

Присоединяем к мультиметру щупы, черный к «СОМ» (это будет минус), а красный к гнезду «VΩmA» (плюс). Включаем тестирующее устройство, переводим его в режим прозвонки или измерения сопротивления (достаточно установить предел 2кОм), и приступаем к тестированию. Начнем с pnp проводимости:

1. Присоединяем черный щуп к выводу «Б», а красный (от гнезда «VΩmA») к ножке «Э». Смотрим на показания мультиметра, он должен отобразить величину сопротивления перехода. Нормальным считается диапазон от 0,6 кОм до 1,3 кОм.
2. Таким же образом проводим измерения между выводами «Б» и «К». Показания должны быть в том же диапазоне.

Если при первом и/или втором измерении мультиметр отобразит минимальное сопротивление, значит в переходе(ах) пробой и деталь требует замены.

1. Меняем полярность (красный и черный щуп) местами и повторяем измерения. Если электронный компонент исправный, отобразится сопротивление, стремящееся к минимальному значению. При показании «1» (измеряемая величина превышает возможности устройства), можно констатировать внутренний обрыв в цепи, следовательно, потребуется замена радиоэлемента.

Тестирование устройства обратной проводимости производится по такому же принципу, с небольшим изменением:

1. Красный щуп подключаем к ножке «Б» и проверяем сопротивление черным щупом (прикасаясь к выводам «К» и «Э», поочередно), оно должно быть минимальным.
2. Меняем полярность и повторяем измерения, мультиметр покажет сопротивление в диапазоне 0,6-1,3 кОм.

Отклонения от этих значений говорят о неисправности компонента.

Зачем проверять

Когда затребована проверка транзистора:

• новые элементы перед сборкой схем крайне рекомендовано перепроверить;
• при поломке электроприбора. Неполадки описываемых запчастей редкие, но их неисправности (чаще всего возникают пробои) не исключены.

Пошаговая инструкция проверки мультимером

Перед началом проверки, прежде всего определяется структура триодного устройства, которая обозначается стрелкой эмиттерного перехода. Когда направление стрелки указывает на базу, то это вариант PNP, направление в сторону, противоположную базе, обозначает NPN проводимость.

Проверка мультимером PNP транзистора состоит из таких последовательных операций:

1. Проверяем обратное сопротивление, для этого присоединяем «плюсовой» щуп прибора к его базе.
2. Тестируется эмиттерный переход, для этого «минусовой» щуп подключаем к эмиттеру.
3. Для проверки коллектора перемещаем на него «минусовой» щуп.

Результаты этих измерений должны показать сопротивление в пределах значения «1».

Для проверки прямого сопротивления меняем щупы местами:

1. «Минусовой» щуп прибора присоединяем к базе.
2. «Плюсовой» щуп поочередно перемещаем от эмиттера к коллектору.
3. На экране мультиметра показатели сопротивления должны составить от 500 до 1200 Ом.

Данные показания свидетельствуют о том, что переходы не нарушены, транзистор технически исправен.

Многие любители имеют сложности с определением базы, и соответственно коллектора или эмиттера. Некоторые советуют начинать определение базы независимо от типа структуры таким способом: попеременно подключая черный щуп мультиметра к первому электроду, а красный – поочередно ко второму и третьему.

База обнаружится тогда, когда на приборе начнет падать напряжение. Это означает, что найдена одна из пар транзистора – «база – эмиттер» или «база – коллектор». Далее необходимо определить расположение второй пары таким же образом. Общий электрод у этих пар и будет база.

Способы проверки

Любой ремонт электроники и электрооборудования начинается с внешнего осмотра, а потом переходят к измерениям. Такой подход позволяет локализовать большую часть неисправностей. Чтобы найти варистор на плате посмотрите на рисунок ниже — так выглядят варисторы. Иногда их можно перепутать с конденсаторами, но можно отличить по маркировке.

Если элемент сгорел и маркировку прочесть невозможно — посмотрите эту информацию на схеме устройства. На плате и в схеме он может обозначаться буквами RU. Условное графическое обозначение выглядит так.

Есть три способа проверить варистор быстро и просто:

1. Визуальный осмотр.
2. Прозвонить. Это можно сделать муьтиметром или любым другим прибором, где есть функция прозвонки цепи.
3. Измерением сопротивления. Это можно сделать омметром с большим пределом измерений, мультиметром или мегомметром.

Варистор выходит из строя, когда через него проходит большой или длительный ток. Тогда энергия рассеивается в виде тепла, и если её количество больше определённого конструкцией — элемент сгорает. Корпус этих компонентов выполняется из твердого диэлектрического материала, типа керамики или эпоксидного покрытия. Поэтому при выходе из строя чаще всего повреждается целостность наружного покрытия.

Можно визуально проверить варистор на работоспособность — на нем не должно быть трещин, как на фото:

Следующий способ — проверка варистора тестером в режиме прозвонки. Сделать это в схеме нельзя, потому что прозвонка может сработать через параллельно подключенные элементы. Поэтому нужно выпаять хотя бы одну его ножку из платы.

Важно: не стоит проверять элементы на исправность не выпаивая из платы – это может дать ложные показания измерительных приборов. Так как в нормальном состоянии (без приложенного к выводам напряжения) сопротивление варистора большое — он не должен прозваниваться. Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра

Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра

Так как в нормальном состоянии (без приложенного к выводам напряжения) сопротивление варистора большое — он не должен прозваниваться. Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра.

На большинстве мультиметров режим прозвонки совмещен с режимом проверки диодов. Его можно найти по значку диода на шкале селектора режимов. Если рядом с ним есть знак звуковой индикации — в нем наверняка есть и прозвонка.

Другой способ проверки варистора на пробой мультиметром является измерение сопротивления. Нужно установить прибор на максимальный предел измерения, в большинстве приборов это 2 МОма (мегаомы, обозначается как 2М или 2000К). Сопротивление должно быть равным бесконечности. На практике оно может быть ниже, в пределах 1-2 МОм.

Интересно! То же самое можно сделать мегаомметром, но он есть далеко не у каждого. Стоит отметить, что напряжение на выводах мегаомметра не должно превышать классификационное напряжение проверяемого компонента.

На этом заканчиваются доступные способы проверки варистора. В этот раз мультиметр поможет радиолюбителю найти неисправный элемент, как и в большом количестве других случаев. Хотя на практике мультиметр в этом деле не всегда нужен, потому что дело редко заходит дальше визуального осмотра. Заменяйте сгоревший элемент новым, рассчитанным на напряжение и диаметром не меньше чем был сгоревший, иначе он сгорит еще быстрее предыдущего.

Советы

1. Существует множество способов определения неисправности, но для начала нужно разобраться в строении самого элемента, и четко понимать конструкционные особенности.
2. Выбор прибора для проверки – это важный момент, касающийся качества результата. Поэтому при недостатке опыта не стоит ограничиваться подручными средствами.
3. Проводя проверку, следует четко понимать причины выхода из строя тестируемой детали, чтобы не вернуться со временем к тому же состоянию неисправности бытовой электротехники.

Преимущества транзистора PNP

• Небольшой по размеру и может использоваться как часть конструкции ИС.
• Сравнительно дешевая, долговечная и более простая схема.
• Доступны спонтанные действия
• Низкое напряжение питания и меньшее выходное сопротивление.
• Производят меньше шума, чем транзисторы NPN.

Недостатки транзистора PNP

• Не подходит для работы в высокочастотном приложении.
• Медленнее по сравнению с NPN.
• Температурная чувствительность и возможность повреждения во время теплового разгона.

Применение транзисторов PNP:

• Транзисторы PNP используются в качестве переключателей, т. Е. Аналоговых переключателей, аварийных кнопок и т. Д. Они используются, когда требуется аварийное отключение.
• Эти типы транзисторов используются в схемах источников тока, т. Е. За счет использования характеристик тока, вытекающего из коллектора.
• Применяется в схемах усиления.
• Они используются в парных схемах Дарлингтона.
• Транзисторы типа PNP используются в тяжелых двигателях для управления током и в различных приложениях для разработки роботов и микроконтроллеров.