что такое hfe транзистора
Транзисторы: принцип работы и чем они отличаются
Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.
В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.
Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:
Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.
Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:
Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель hfe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.
Например, если hfe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.
Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.
NPN и PNP
Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).
NPN более эффективны и распространены в промышленности.
PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.
Полевые транзисторы
Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.
Полевые транзисторы обладают тремя контактами:
N-Channel и P-Channel
По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.
P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.
Подключение транзисторов для управления мощными компонентами
Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.
Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:
Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.
Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:
здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.
Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА
Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.
Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:
это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.
Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?
Дата: 18.09.2015 // 0 Комментариев
Коэффициент hfe транзистора – это коэффициент усиления транзистора по току. Показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы. Для согласованной работы нескольких транзисторов в каскадах, их подбор часто начинают по коэффициенту усиления. Учитывая большой разброс параметров hfe, важно точно знать этот параметр у каждого транзистора.
Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?
Коэффициент hfe маломощных транзисторов измеряется очень просто, для начала необходим мультиметр с возможностью измерения hfe, переводим прибор в необходимый режим измерения.
Затем, зная структура транзистора и его цоколевку, подключаем транзистор в специальное гнездо на панели мультиметра.
Важно! Необходимо правильно подсоединять транзистор, согласовывать выводы транзистора (Б-К-Э), с надписями на панели.
После подключения на дисплее появиться значение hfe. Если значение попадает в рамки указанные производителем, тогда такой транзистор можно считать рабочим.
Во многих мультиметрах контактные площадки посажены очень глубоко, это совсем не помеха для нового транзистора. Но как, же измерить коэффициент усиления по току транзистора, если он был выпаян с платы и имеет недостаточно длинные выводы? Для этого можно использовать несколько удлинительных проводов, и подключить транзистор отдельно от мультиметра.
Для наглядного теста произведена проверка hfe нескольких транзисторов, для двух разных типов: BC239 и КТ361Б.
BC239 n-p-n транзистор, с заявленным параметром hfe 120-800. Значение hfe колебалось от 555 до 563, в зависимости от конкретного транзистора.
КТ361Б p-n-p транзистор, с параметром hfe 50-350. Показания прибора составили 103-105.
Оба вида транзисторов показали незначительный разброс коэффициента усиления, что позволяет их использовать в необходимых целях. Как проверять другие параметры транзисторов, а также их работоспособность, мы расскажем вам позже.
990x.top
Простой компьютерный блог для души)
hFE на мультиметре — что это такое?
Приветствую. Транзисторы — важный компонент многих устройств, нет их разве что только в обычной лампочке. Это один из самых уязвимых элементов — часто выходят из строя из-за скачков напряжения.
hFE на мультиметре — что означает?
Коэффициент передачи тока, китайские модели отображают верные показатели только маломощных транзисторов. Некорректные значения отображаются по мере роста мощности транзистора.
Некоторые врут уже при тестировании транзисторов средней мощности. Один пользователь написал — неудивительно что врут: схема измерения проста — фиксированный ток базы, примерно 10мкА.
Данное гнездо например присутствует в модели UNI-T UT30C.
hFE помогает подобрать детали при ремонте техники (например усилителя).
Биполярные транзисторы делятся на три категории:
Проверить транзистор можно вставив в соответствующий разьем. Отображение на дисплее цифры 0 — сообщает о неисправности. Когда вам известен значение передачи тока — можете его сверить с значением h21 при использовании режима hFE.
Некоторые мультиметры проблемные — разьем hFE под испытуемый транзистор содержит плохие контакты, находятся глубоко, ножки часто к ним просто не достают. Решение — удлинить ножки, но лучше вывести контакты наружу.
Информация возможно будет полезна:
Заключение
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор, определение и типы
Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).
Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:
Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.
Области использования биполярных транзисторов:
Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.
Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.
Рисунок BJT.1 – Условное обозначение n-p-n и p-n-p транзистора
Классификация биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:
Основные схемы включения биполярного транзистора
Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:
Схема с общим эмиттером
Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер IB (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер IC (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером hFE:
Еще hFE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.
Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.
Схема с общей базой
Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).
Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера IE коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:
Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:
1 
где hFE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.
Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы Rin, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода
VBE – напряжение база-эмиттер
Соответственно ток базы мал и равен:
Эмиттерный повторитель
Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.
Усиление достигается только по току:
Соответственно входное сопротивление повторителя равно:
Rload – сопротивление нагрузки.
В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):
Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора
Рисунок BJT.6. Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: а) входные характеристики; б) выходные характеристики
Основные параметры биполярного транзистора
Комплементарность транзисторов
В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.
Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].
Измерение коэффициента усиления по току
Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения hFE.
Составной транзистор
Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.
В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.
Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.
Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.
Расчет схемы Дарлингтона
Выведем выражение для расчета:
Сопротивление резистора следует из выражения:
Ток эмиттера первого транзистора:
Проводим ряд преобразований:
R – сопротивление резистора;
IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);
IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).
Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:
Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.
Расчет схемы Шиклаи
Выведем выражение для расчета:
Сопротивление резистора следует из выражения:
Ток коллектора первого транзистора:
R – сопротивление резистора;
IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);
IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).
Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:
Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.
Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.
Проверочное устройство транзистора, измеряем hfe.
Эта простая схема поможет определить коэффициент передачи тока у транзистора n-p-n структуры. Схема так сказать основа, которую можно превратить во что-то больше.
Пробежимся по деталям. В качестве испытуемого был выбран транзистор 2SC1740 (N-P-N) на его место ставим тот который нужно измерить (TRx). Транзистор Т2 стоит в ключевом режиме, я взял 2SA933(P-N-P). Светодиод любой по вашему усмотрению.
Первый вариант схемы Рис.1 на переменных резисторах, это R5 и R4. Можно оставить один (R5). Их номинал как можно больше, скажем по 1 Мегаом (Мом). Диапазон >1700. Или сделать по-другому, R5 поставить 1 Мом, а R4 cкажем 500 кОм, это даст белее точные показания. Переменные резисторы подключены по обычной схеме, а не по схеме потенциометра, что дает преобразования напряжения U в ток I.
Питаем все это от 9В, можно от батарейки «крона». Снижения питания будет плохо сказываться на показаниях.
Это устройство делаем на печатной плате. Или в корпусе. Резисторы R5 R4 нужно будет проградировать это можно сделать разными способами, можно замерить сопротивления тестером или мультиметром и подписать величины. Пример: Подключаем щупы к резисторам, поворачиваем резистор до величины 82 кОм и отмечаем 100, 168 кОм – 200 и т.д. смотрим в таблицы.
Второй вариант схемы на постоянных резисторах. Здесь все также, сначала вставляем вместо транзистора 2SC1740 тот, что надо проверить, потом по очереди на базу транзистора подключаем резисторы можно использовать замыкающие кнопки, в печатной плате, что я дал, стоят перемычки типа – Джек, хоть это и не сильно удобно, но это занимает меньше пространства.
Начиная со 100 и до 500, если у транзистора коэффициент
300, то светодиод засветиться при нажатии S3.
Если вам нужен, померить коэффициент более 500, то нужно просто добавить резисторы, номиналы берем в таблицы.
Вот вариант схемы до 900, как видите, она получается очень громоздкая, и плата тоже получиться большая, по этому легче сделать на переменных резисторах по рис. 1.
Как идея можно попробовать в коллектор Т2 поставить тиристор так светодиод будет загораться точнее. Сам не пробовал т.к. под рукой нет тиристора.
Думаю, проблем с разводкой печатной платы не будет, но на всякий случай прикрепляю их в формате LAY для программы Sprint-Layout 5.0. И схемы для программы sPlan 6.0.
Большое спасибо участникам форума этого сайта, за советы. А так же человеку с одного чата, за идею с тиристором.