Транзистор

Транзистор — полупроводниковый прибор позволяющий с помощью слабого сигнала управлять более сильным сигналом. Из-за такого свойства часто говорят о способности транзистора усиливать сигнал. Хотя фактически, он ничего не усиливает, а просто позволяет включать и выключать большой ток гораздо более слабыми токами. Транзисторы весьма распространены в электронике, ведь вывод любого контроллера редко может выдавать ток более 40 мА, поэтому, даже 2-3 маломощных светодиода уже не получится питать напрямую от микроконтроллера. Тут на помощь и приходят транзисторы. В статье рассматриваются основные типы транзисторов, отличия P-N-P от N-P-N биполярных транзисторов, P-channel от N-channel полевых транзисторов, рассматриваются основные тонкости подключения транзисторов и раскрываются сферы их применения.

Не стоит путать транзистор с реле. Реле — простой выключатель. Суть его работы в замыкании и размыкании металлических контактов. Транзистор устроен сложнее и в основе его работы лежит электронно-дырочный переход. Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть прекрасное видео, которое описывает работу транзистора от простого к сложному. Пусть вас не смущает год производства ролика — законы физики с тех пор не изменились, а более нового видео, в котором так качественно преподносится материал, найти не удалось:

Типы транзисторов

Биполярный транзистор

Биполярный транзисто предназначен для управления слабыми нагрузками (например, маломощные моторы и сервоприводы). У него всегда есть три вывода:

• Коллектор (англ. collector) — подаётся высокое напряжение, которым транзистор управляет
• База (англ. base) — подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистора
• Эмиттер (англ. emitter) — «выпускной» вывод транзистоа. Через него вытекает ток от коллектора и базы.

Биполярный транзистор управляется током. Чем больший ток подаётся на базу, тем больший ток потечёт от коллектора к эмиттеру. Отношение тока, проходящего от эмиттера к коллектору к току на базе транзистора называется коэффициент усиления. Обозначается как h_fe (в английской литературе называется gain).

Например, если h_fe = 150, и через базу проходит 0.2 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 30 мА. Если подключен компонент, который потребляет 25 мА (например, светодиод), ему будет предоставлено 25 мА. Если же подключен компонент, который потребляет 150 мА, ему будут предоставлены только максимальные 30 мА. В документации к контакту указываются предельно допустимые значени токов и напряжений база->эмиттер и коллектор->эмиттер. Превышение этих значений ведёт к перегреву и выходу из строя транзистора.

Весёлые картинки:

Работа биполярного транзистора

NPN и PNP биполярные транзисторы

Различают 2 типа полярных транзисторов: NPN и PNP. Отличаются они чередованием слоёв. N (от negative — отрицательный) — это слой с избытком отрицательных переносчиков заряда (электронов), P (от positive — положительный) — слой с избытком положительных переносчиков заряда (дырок). Подробнее о электронах и дырках рассказано в видео, приведённом выше.

От чередования слоёв зависит поведение транзисторов. На анимации выше представлен NPN транзистор. В PNP управление транзистором устроено наоборот — ток через транзистор течёт, когда база заземлена и блокируется, когда через базу пропускают ток. В отображении на схеме PNP и NPN отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает на переход от N к P:

Обозначение NPN (слева) и PNP (справа) транзисторов на схеме

NPN транзисторы более распространены в электронике, потому что являются более эффективными.

Полевый транзистор

Полевые транзисторы отличаются от биполярных внутренним устройством. Наиболее распространены в любительской электронике МОП транзисторы. МОП — это аббревиатура от металл-оксид-проводник. То-же самое по английски: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor сокращённо MOSFET. МОП транзисторы позволяют управлять большими мощностями при сравнительно небольших размерах самого транзистора. Управление транзистором обеспечивается напряжением, а не током. Поскольку транзистором управляет электрическое поле, транзистор и получил своё название —  полевой.

Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:

• Сток (англ. drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
• Затвор (англ. gate) — на него подаётся напряжение для управления транзистором
• Исток (англ. source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

Здесь должна быть анимация с полевым транзистором, но она ничем не будет отличаться от биполярного за исключением схематического отображения самих транзисторов, поэтому анимации не будет.

N канальные и P канальные полевые транзисторы

Полевые транзисторы тоже делятся на 2 типа в зависимости от устройства и поведения. N канальный (N channel) открывается, когда на затвор подаётся напряжение и закрывается. когда напряжения нет. P канальный (P channel) работает наоборот: пока напряжения на затворе нет, через транзистор протекает ток. При подаче напряжения на затвор, ток прекращается. На схеме полевые транзисторы изображаются несколько иначе:

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.

Обозначение N канальных (слева) и P канальных (справа) транзисторов на схеме

Существует заблуждение, согласно которому полевой транзистор может управлять переменным током. Это не так. Для управления переменным током, используйте реле.

Транзистор Дарлингтона

Транзистора Дарлингтона не совсем корректно относить к отдельному типу транзисторов. Однако, не упомянуть из в этой статье нельзя. Транзистор Дарлингтона чаще всего встречается в виде микросхемы, включающей в себя несколько транзисторов. Например, ULN2003. Транзистора Дарлингтона характеризуется возможность быстро открываться и закрывать (а значит, позволяет работать с ШИМ) и при этом выдерживает большие токи. Он является разновидностью составного транзистора и представляет собой каскадное соединение двух или, редко, более транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка эмиттера предыдущего транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов.

Схема составного транзистора дарлингтона

Подключение транзистора

Не секрет, что плата Ардуино способна подать на вывод напряжение 5 В с максимальным током до 40 мА. Этого тока не хватит для подключения мощной нагрузки. Например, при попытке подключить к выводу напрямую светодиодную ленту или моторчик, вы гарантированно повредите вывод Ардуино. Не исключено, что выйдет из строя всё плата. Кроме того, некоторые подключаемые компоненты могут требовать напряжения более 5 В для работы. Обе эти проблемы решает транзистор. Он поможет с помощью небольшого тока с вывода Ардуино управлять мощным током от отдельного блока питания или с помощью напряжения в 5 В управлять бОльшим напряжением (даже самые слабые транзисторы редко имеют предельное напряжение ниже 50 В). В качестве примера рассмотрим подключение мотора:

Подключение мощного мотора с помощью транзистора

На приведённой схеме мотор подключается к отдельному источнику питания. Между контактом мотора и источником питания для мотора мы поместили транзистора, который будет управляться с помощью любого цифрового пина Arduino. При подаче на вывод контроллера сигнала HIGH с вывода контроллера мы возьмём совсем небольшой ток для открытия транзистора, а большой ток потечёт через транзистор и не повредит контроллер. Обратите внимание на резистор, установленный между выводом Ардуино и базой транзистора. Он нужен для ограничения тока, протекающего по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля и предотвращения короткого замыкания. Как упоминалось ранее, максимальный ток, который можно взять с вывода Arduino — 40 мА. Поэтому, нам понадобится резистор не менее 125 Ом (5В/0,04А=125Ом). Можно без опаски использовать резистор на 220 Ом. На самом деле, резистор стоит подбирать с учётом тока, который необходимо подать на базу для получения необходимого тока через транзистор. Для правильного подбора резистора нужно учитывать коэффициент усиления (h_fe).

ВАЖНО!! Если вы подключаете мощную нагрузку от отдельного блока питания, то необходимо физически соединить между собой землю («минус») блока питания нагрузки и землю (пин «GND») Ардуино. Иначе управлять транзистором не получится.

При использовании полевого транзистора, токоограничительный резистор на затворе не нужен. Транзистор управляется исключительно напряжением и ток через затвор не течёт.