Биполярный транзистор

Устройство и принцип работы

Эмиттер легирован сильнее всего — на рисунке он отмечен как n⁺ у NPN и p⁺ у PNP. База тонкая и легирована слабо. Коллектор легирован слабее эмиттера и занимает больший объём: на коллекторном переходе падает почти всё напряжение питания и выделяется основное тепло. Поэтому транзистор несимметричен: если поменять местами эмиттер и коллектор, он будет работать, но с намного меньшим коэффициентом передачи тока (инверсный режим).

В рабочем (активном) режиме переход база–эмиттер смещён в прямом направлении, а переход база–коллектор — в обратном. Эмиттер NPN-транзистора инжектирует в базу электроны. База тоньше расстояния, которое электрон успевает пройти до рекомбинации, поэтому почти все электроны доходят до коллекторного перехода, и его поле перебрасывает их в коллектор. Ток базы складывается из двух малых потоков: дырок, которые база инжектирует обратно в эмиттер, и дырок, восполняющих рекомбинацию в базе. Оба потока малы по сравнению с электронным, потому что эмиттер легирован намного сильнее базы, а база тонкая.

Отношение тока коллектора к току эмиттера $\alpha$ близко к единице, а коэффициент передачи тока базы

при $\alpha = 0{,}99$ равен 99, а при $\alpha = 0{,}995$ — уже 199. Ничтожные различия в толщине базы дают большой разброс β, поэтому производители указывают его диапазоном. У BC547 при токе 2 мА это от 110 до 800, и транзисторы сортируют по группам: BC547A — 110–220, BC547B — 200–450, BC547C — 420–800.

Уравнение Эберса — Молла

Точнее работу транзистора описывает экспоненциальная зависимость тока коллектора от напряжения база–эмиттер:

где $I_S$ — ток насыщения, параметр конкретного транзистора, а $\varphi_T$ — тепловой потенциал. Из уравнения следуют правила, на которые опирается любой расчёт:

• ток коллектора растёт в 10 раз при увеличении $U_\text{бэ}$ на $\varphi_T \ln 10 \approx 59$ мВ. Поэтому напряжение на открытом переходе почти постоянно: у BC547 при токе 2 мА — от 0,55 до 0,7 В;
• крутизна $g_m = I_\text{к} / \varphi_T$ и сопротивление эмиттерного перехода $r_\text{э} = \varphi_T / I_\text{э}$ зависят только от тока: при 1 мА $g_m \approx 39$ мСм, а $r_\text{э} \approx 26$ Ом;
• при нагреве напряжение $U_\text{бэ}$ при том же токе уменьшается примерно на 2 мВ на градус. Если ток задан напряжением на базе без обратной связи, нагретый транзистор пропускает всё больший ток.

Модель с током базы и модель с напряжением база–эмиттер описывают один и тот же процесс. Ключи удобнее считать через ток базы и $h_\text{21э}$, усилители — через крутизну и $r_\text{э}$.

Обозначение на схемах и выводы

По ГОСТ 2.730-73 базу изображают толстой чертой, эмиттер и коллектор — наклонными линиями, а стрелка на эмиттере показывает направление тока. У NPN стрелка направлена от базы, у PNP — к базе. Окружность обозначает корпус. Позиционное обозначение транзистора на схемах — VT1, VT2 и так далее.

Цоколёвку нельзя угадывать по названию: она зависит от производителя и варианта корпуса. P2N2222A и PN2222A — оба транзисторы «2222» в корпусе TO-92, но у первого выводы идут в порядке коллектор–база–эмиттер, а у второго — эмиттер–база–коллектор. Перед пайкой сверьтесь с даташитом того производителя, чей транзистор у вас в руках, или проверьте выводы мультиметром — как это сделать, описано ниже.

Режимы работы

Состояние транзистора определяют смещения двух переходов. Для NPN «прямое смещение» перехода база–эмиттер означает, что база выше эмиттера на 0,5–0,7 В и больше; для PNP все полярности обратные.

Нагляднее всего режимы видны на выходных характеристиках — зависимостях тока коллектора от напряжения коллектор–эмиттер при разных токах базы. Нагрузка $R_\text{н}$ в цепи коллектора добавляет к ним линию нагрузки: $I_\text{к} = (U_\text{пит} - U_\text{кэ}) / R_\text{н}$. Рабочая точка всегда лежит на этой линии, а ток базы лишь передвигает её.

В отсечке ток базы равен нулю, ток коллектора — это утечка: у P2N2222A при напряжении 60 В на коллекторном переходе не больше 10 нА при 25 °C и не больше 10 мкА при 150 °C. Всё напряжение питания приложено к транзистору.

В активном режиме характеристики идут почти горизонтально: ток коллектора определяет ток базы, а не напряжение $U_\text{кэ}$. Небольшой наклон кривых — эффект Эрли: с ростом напряжения коллекторный переход расширяется, база становится эффективно тоньше, и коэффициент передачи немного растёт. На транзисторе выделяется мощность $U_\text{кэ} \cdot I_\text{к}$; на середине линии нагрузки она максимальна и равна $U_\text{пит}^2 / (4 R_\text{н})$.

В насыщении ток базы больше, чем нужно для тока, который пропускает нагрузка, и оба перехода открыты. Ток коллектора близок к $U_\text{пит} / R_\text{н}$ и от тока базы почти не зависит, а падение на транзисторе минимально. Цена глубокого насыщения — избыточный заряд в базе: прежде чем транзистор начнёт закрываться, этот заряд должен рассосаться, и выключение затягивается (подробнее — в разделе о скорости переключения).

Параметры из даташита

Ниже — основные параметры четырёх распространённых транзисторов по даташитам onsemi. Предельные значения (первые три строки) превышать нельзя даже кратковременно. Характеристики всегда указаны при определённых условиях — токе, напряжении, температуре, — и вне этих условий значения другие.

В отечественных справочниках те же величины обозначают так: $h_\text{21э}$ — статический коэффициент передачи тока, $U_\text{кэ нас}$ и $U_\text{бэ нас}$ — напряжения насыщения, $U_\text{кэ max}$, $I_\text{к max}$, $P_\text{к max}$ — предельные напряжение, ток и мощность, $f_\text{гр}$ — граничная частота.

Напряжение $U_\text{кэо}$ ($V_{CEO}$) нормируют при разомкнутой базе. Оно ниже напряжения коллектор–база $V_{CBO}$ (у P2N2222A — 40 и 75 В). Обратное напряжение на переходе база–эмиттер транзистор выдерживает совсем небольшое — $V_{EBO}$ = 6 В у P2N2222A, — и это легко нарушить, если подать на базу отрицательное напряжение.

Мощность $P_D$ маломощных транзисторов дают для температуры воздуха 25 °C. У P2N2222A это 625 мВт, и с каждым градусом выше 25 °C допустимая мощность уменьшается на 5 мВт: при 70 °C остаётся 400 мВт. Мощность транзисторов в корпусах с теплоотводом (TO-225, TO-220) указывают для корпуса при 25 °C — то есть на идеальном радиаторе. Без радиатора они рассеивают в разы меньше: BD139 — 12,5 Вт на радиаторе и 1,25 Вт в воздухе. Промежуточные случаи считают по тепловым сопротивлениям в калькуляторе радиатора.

Коэффициент $h_\text{21э}$ зависит от тока коллектора и температуры. У P2N2222A минимальные значения при $U_\text{кэ}$ = 10 В — 35 при 0,1 мА, 50 при 1 мА, 75 при 10 мА, 100 при 150 мА и 40 при 500 мА; при 150 мА и $U_\text{кэ}$ = 1 В — 50. При −55 °C минимум при 10 мА падает с 75 до 35. В даташитах обычно есть и типичные значения с графиками: для расчёта они не годятся, это поведение «среднего» экземпляра.

Напряжения насыщения гарантируют при определённом отношении $I_\text{к}/I_\text{б}$ — чаще всего 10, у BC547 — 20. Транзистор, у которого ток базы меньше, чем в этих условиях, может иметь напряжение насыщения заметно выше табличного.

Граничная частота $f_T$ — частота, на которой малосигнальный коэффициент передачи тока падает до единицы. На частоте $f$ ниже граничной он примерно равен $f_T / f$: у транзистора с $f_T$ = 300 МГц на 10 МГц остаётся около 30.

Схемы включения

Транзистор — прибор с тремя выводами, поэтому один из них оказывается общим для входной и выходной цепей. По нему схемы включения и называют.

Схема с общим эмиттером — основная: она усиливает и ток, и напряжение. В ней же работает транзисторный ключ. Схема с общей базой не усиливает ток, зато её вход не нагружен ёмкостью коллектор–база (эффект Миллера не возникает), и её используют на высоких частотах и в каскодах. Схема с общим коллектором не усиливает напряжение, но в $h_\text{21э}$ раз уменьшает нагрузку на источник сигнала — это буфер.

Транзисторный ключ

Вывод микроконтроллера отдаёт единицы, максимум десятки миллиампер при напряжении своего питания. Реле, светодиодной ленте, двигателю или зуммеру нужен больший ток и часто другое напряжение. Транзистор в ключевом режиме включает такую нагрузку: в закрытом состоянии он находится в отсечке, в открытом — в насыщении. В обоих состояниях мощность на нём мала: в отсечке нет тока, в насыщении мало напряжение.

Расчёт ключа на NPN

Нагрузку ставят между плюсом питания и коллектором NPN-транзистора, эмиттер соединяют с общим проводом, а базу через резистор — с выводом микроконтроллера. Такой ключ называют нижним (low-side): он разрывает минусовой провод нагрузки. Пример — реле с катушкой 5 В и током 80 мА от микроконтроллера с питанием 3,3 В.

1. Ток нагрузки — 80 мА. Транзистор должен выдерживать его с запасом и напряжение питания нагрузки плюс выброс при выключении. P2N2222A подходит: 600 мА и 40 В.
2. Минимальный $h_\text{21э}$ при этом токе. В даташите P2N2222A есть 75 при 10 мА ($U_\text{кэ}$ = 10 В) и 50 при 150 мА ($U_\text{кэ}$ = 1 В); для 80 мА берём меньшее — 50.
3. Ток базы с запасом. Чтобы транзистор насыщался при любом экземпляре и на холоде, ток базы берут в $k$ = 2…5 раз больше минимально необходимого: $I_\text{б} = k \cdot I_\text{к} / h_\text{21э\,min} = 3 \cdot 80 / 50 = 4{,}8$ мА.
4. Резистор базы. На нём падает напряжение управления минус $U_\text{бэ}$. У P2N2222A $U_\text{бэ нас}$ при 150 мА — от 0,6 до 1,2 В; берём 0,8 В: $R_\text{б} = (3{,}3 - 0{,}8) / 4{,}8\ \text{мА} = 521$ Ом. Округляем вниз до номинала E24 — 510 Ом, и ток базы получается 4,9 мА. Ошибка в $U_\text{бэ}$ на ±0,2 В меняет ток базы на ±8 % — запас $k$ = 3 её покрывает.
5. Проверка. Отношение $I_\text{к}/I_\text{б}$ = 16 — между 10 и 20, где производители нормируют напряжение насыщения. Мощность на транзисторе: $0{,}3 \cdot 0{,}08 + 0{,}8 \cdot 0{,}0049 \approx 28$ мВт. Вывод микроконтроллера отдаёт 4,9 мА — немного: у ATmega328P, например, выходные уровни нормированы при 20 мА.

Резистор R2 = 10 кОм между базой и эмиттером держит транзистор закрытым, пока вывод не настроен на выход: после сброса выводы микроконтроллеров обычно находятся в высокоимпедансном состоянии, и база «висит в воздухе». От тока базы R2 отбирает $0{,}8\ \text{В} / 10\ \text{кОм} = 80$ мкА — меньше 2 %.

Рассчитать ключ для своих значений можно прямо здесь или на отдельной странице калькулятора транзисторного ключа.

Защитный диод

Катушка реле — индуктивность, и ток в ней не может прекратиться мгновенно. Когда транзистор закрывается, ЭДС самоиндукции стремится поддержать ток, и напряжение на коллекторе подскакивает. Без защиты выброс легко превышает $U_\text{кэо}$, и транзистор пробивается. Диод VD1 параллельно катушке, катодом к плюсу, замыкает ток катушки на неё саму: напряжение на коллекторе не поднимается выше напряжения питания плюс прямое падение на диоде. Диод должен выдерживать ток катушки — те же 80 мА в первый момент — и обратное напряжение питания. У 1N4148 это 300 мА постоянного прямого тока и 100 В, запас большой.

С простым диодом ток в катушке спадает медленно, и реле отпускает позже. Если время отпускания важно, последовательно с диодом включают стабилитрон: выброс ограничивается напряжением стабилизации, и энергия катушки рассеивается быстрее. Напряжение стабилизации плюс напряжение питания должно оставаться ниже $U_\text{кэо}$ транзистора.

Нагрузка 150 мА: расчёт по точке из даташита

Надёжнее всего ключ работает в той точке, где производитель гарантирует напряжение насыщения. Для P2N2222A это 150 мА при токе базы 15 мА: $U_\text{кэ нас}$ ≤ 0,3 В, $U_\text{бэ нас}$ ≤ 1,2 В. Пусть светодиодная лента 150 мА управляется от ATmega328P с питанием 5 В. Выход порта ATmega328P при токе 20 мА держит высокий уровень не ниже 4,2 В. Тогда $R_\text{б} = (4{,}2 - 1{,}2) / 15\ \text{мА} = 200$ Ом — это номинал ряда E24, и $I_\text{к}/I_\text{б}$ = 10 ровно как в даташите. Мощность на транзисторе — не больше $0{,}3 \cdot 0{,}15 + 1{,}2 \cdot 0{,}015 = 63$ мВт.

Ток базы 15 мА для вывода микроконтроллера уже велик: у ATmega328P выходы нормированы при 20 мА, но суммарный ток групп выводов ограничен. Если таких ключей несколько или ток нагрузки ещё больше, берут транзистор с большим $h_\text{21э}$, составной транзистор или MOSFET.

Ключ на PNP в плюсовом проводе

Иногда нагрузку нужно коммутировать по плюсу: у неё общий минус с другими цепями или она питается от отдельного источника. Тогда ставят PNP-транзистор: эмиттер — к плюсу питания, коллектор — к нагрузке. Он открывается, когда база ниже эмиттера на 0,6–0,7 В, и закрывается, когда напряжения на базе и эмиттере равны.

Если нагрузка питается от того же напряжения, что и микроконтроллер, базу PNP можно подключить к выводу через резистор: низкий уровень открывает транзистор, высокий закрывает. Если же питание нагрузки выше — например, 12 В при микроконтроллере на 3,3 В, — вывод не может поднять базу до 12 В, и PNP не закроется никогда. Нужен промежуточный NPN-транзистор, который подключает базу PNP к общему проводу.

Расчёт для нагрузки 12 В, 50 мА на 2N3906:

1. Точка из даташита 2N3906: при $I_\text{к}$ = 50 мА и $I_\text{б}$ = 5 мА напряжение насыщения не больше 0,4 В, $U_\text{бэ нас}$ — не больше 0,95 В. Минимальный $h_\text{21э}$ при 50 мА — 60, так что ток базы 5 мА даёт запас в 6 раз.
2. Ток базы VT2 течёт через R3 и открытый VT1 (на нём около 0,1 В): $R_3 = (12 - 0{,}1 - 0{,}95) / 5\ \text{мА} = 2190$ Ом, ставим 2 кОм. Ток базы — 5,5 мА, $I_\text{к}/I_\text{б} \approx 9$.
3. VT1 (BC547) пропускает эти 5,5 мА. Ток его базы от вывода 3,3 В через R1 = 10 кОм — $(3{,}3 - 0{,}7) / 10\ \text{кОм} = 0{,}26$ мА, то есть $I_\text{к}/I_\text{б} \approx 21$ — практически точка, в которой нормировано напряжение насыщения BC547 (10 мА при токе базы 0,5 мА).
4. R2 = 10 кОм держит VT2 закрытым, когда VT1 закрыт, R4 = 100 кОм — VT1, пока вывод не настроен. Мощность на R3 — около 60 мВт, на VT2 — не больше $0{,}4 \cdot 0{,}05 = 20$ мВт плюс мощность базового тока.

VT1 в закрытом состоянии выдерживает все 12 В — у BC547 предел 45 В. Тем же способом коммутируют и более высокие напряжения, если подобрать транзисторы по $U_\text{кэо}$ и пересчитать R3.

Скорость переключения

Транзистор открывается и закрывается не мгновенно. В даташите P2N2222A при токе 150 мА и токе базы 15 мА задержка включения — не больше 10 нс, нарастание — 25 нс, а при выключении время рассасывания $t_s$ — до 225 нс и спад — до 60 нс. Время рассасывания здесь измерено с обратным током базы 15 мА, который активно вытягивает заряд. Если база просто отключается через резистор, заряд уходит медленнее, и задержка выключения получается больше табличной.

Для ключа реле или светодиода это неважно, но при ШИМ с частотой в десятки килогерц время рассасывания искажает скважность, а каждое переключение добавляет потери. Помогают три приёма: не завышать запас по току базы, ставить параллельно резистору базы небольшой конденсатор (он даёт короткий импульс тока при включении и выключении) и не давать транзистору глубоко насыщаться, например диодом Шоттки между базой и коллектором. Для быстрой ШИМ больших токов обычно выбирают MOSFET.

Усилитель с общим эмиттером

Чтобы транзистор усиливал переменный сигнал, его выводят в активный режим: задают постоянный ток коллектора (рабочую точку), а сигнал подают поверх него через разделительный конденсатор. Классическая схема — делитель на базе и резистор в эмиттере.

Рабочая точка. Делитель 100 кОм и 16 кОм от 12 В даёт без нагрузки 1,655 В при эквивалентном сопротивлении $R_1 \parallel R_2 = 13{,}8$ кОм. Ток базы немного «просаживает» это напряжение: при $h_\text{21э}$ = 200 (минимум BC547B) и $U_\text{бэ}$ = 0,65 В напряжение базы — 1,59 В, эмиттера — 0,94 В. Ток эмиттера $I_\text{э} = 0{,}94\ \text{В} / 1\ \text{кОм} = 0{,}94$ мА, падение на $R_\text{к}$ = 5,6 кОм — 5,24 В, напряжение коллектора — 6,76 В, почти середина между эмиттером и питанием.

Почему рабочая точка стабильна. Ток задаёт не $h_\text{21э}$, а напряжение на $R_\text{э}$: если ток растёт, растёт и напряжение эмиттера, и напряжение между базой и эмиттером уменьшается. Если поставить BC547B с максимальным $h_\text{21э}$ = 450, напряжение коллектора изменится всего с 6,76 до 6,55 В. Нагрев на 50 °C уменьшит $U_\text{бэ}$ примерно на 0,1 В — ток вырастет примерно на 0,09 мА, а коллектор опустится на 0,5 В. Без резистора в эмиттере такое же изменение $U_\text{бэ}$ увеличило бы ток в десятки раз: напомним, 59 мВ — это уже десятикратный рост тока.

Усиление. Для сигнала конденсатор $C_\text{э}$ = 470 мкФ закорачивает $R_\text{э}$, и усиление определяет крутизна: $K_U = -g_m R_\text{к} = -R_\text{к} / r_\text{э}$. При токе 0,94 мА $r_\text{э}$ = 27 Ом, и $K_U \approx -5600 / 27{,}3 \approx -205$ (около 46 дБ). Без $C_\text{э}$ усиление падает до $-R_\text{к} / (R_\text{э} + r_\text{э}) \approx -5{,}5$, зато почти не зависит от транзистора и тока. Промежуточный вариант — зашунтировать только часть $R_\text{э}$: если оставить незашунтированными 100 Ом из 1 кОм, усиление будет около −44, а нелинейные искажения — намного меньше, чем при −205.

Входное сопротивление и конденсаторы. Со стороны базы вход каскада с $C_\text{э}$ — это $R_1 \parallel R_2 \parallel h_\text{21э} r_\text{э} \approx 13{,}8 \parallel 5{,}5 \approx 3{,}9$ кОм. Вместе с $C_1$ = 1 мкФ оно образует фильтр верхних частот с частотой среза $1 / (2\pi \cdot 3{,}9\ \text{кОм} \cdot 1\ \text{мкФ}) \approx 40$ Гц. Выходное сопротивление каскада примерно равно $R_\text{к}$ = 5,6 кОм, поэтому нагрузку меньше нескольких десятков килоом подключают через эмиттерный повторитель.

Усиление каскада с зашунтированным $R_\text{э}$ пропорционально току и обратно пропорционально температуре, а при большом сигнале экспонента транзистора даёт заметные искажения. Когда нужно точное и линейное усиление, его задают обратной связью — как в усилителях на операционных усилителях.

Эмиттерный повторитель

В схеме с общим коллектором выходом служит эмиттер. Его напряжение повторяет напряжение базы за вычетом $U_\text{бэ}$, а ток, который отдаёт источник сигнала, в $h_\text{21э} + 1$ раз меньше тока нагрузки. Повторитель усиливает ток: маломощный источник — делитель, стабилитрон, выход ОУ — может питать нагрузку в сотни миллиампер.

Пример — простой стабилизатор 4,9 В на 100 мА от 12 В. Стабилитрон VD1 на 5,6 В питается через балластный резистор 820 Ом: ток через резистор $(12 - 5{,}6) / 820 = 7{,}8$ мА. Напряжение на нагрузке — $5{,}6 - U_\text{бэ} \approx 4{,}9$ В.

• Ток базы. У BD139 минимальный $h_\text{21э}$ — 40 при 150 мА и 25 при 5 мА и 500 мА. При токе нагрузки 100 мА ток базы — от 2,5 мА (если $h_\text{21э}$ = 40) до 4 мА (если 25). Стабилитрону остаётся 3,8–5,3 мА — проверьте по его даташиту, что при таком токе напряжение стабилизации держится; балластный резистор подбирается в калькуляторе стабилитрона.
• Мощность. На транзисторе падает $12 - 4{,}9 = 7{,}1$ В, при 100 мА это 0,71 Вт. Тепловое сопротивление BD139 от кристалла до воздуха — 100 °C/Вт, так что без радиатора кристалл будет на 71 °C горячее окружающего воздуха. Предел — 150 °C, но корпус прибора внутри бывает тёплым, и небольшой радиатор не помешает; посчитать его поможет калькулятор радиатора.
• Точность. $U_\text{бэ}$ меняется с током (на 59 мВ при изменении тока в 10 раз) и с температурой (около −2 мВ/°C), поэтому выходное напряжение плавает на десятки милливольт. Для точного напряжения лучше интегральный стабилизатор — например, LM317.

Выходное сопротивление повторителя — это $r_\text{э}$ плюс сопротивление источника, делённое на $h_\text{21э} + 1$; при токе 100 мА $r_\text{э}$ — около 0,26 Ом. Так повторитель отделяет нагрузку от источника, и его ставят на выход усилительных каскадов. Двухтактный повторитель из NPN и PNP транзисторов — основа выходных каскадов усилителей мощности и многих операционных усилителей.

Составной транзистор Дарлингтона

Если эмиттер одного транзистора соединить с базой второго, а коллекторы объединить, получится составной транзистор (схема Дарлингтона). Его коэффициент передачи примерно равен произведению коэффициентов двух транзисторов — тысячи, поэтому ток базы в амперную нагрузку измеряется единицами миллиампер.

За это приходится платить:

• Напряжение база–эмиттер — сумма двух, 1,2–1,5 В и больше при больших токах.
• Напряжение насыщения не меньше 0,7 В: второй транзистор не может насытиться, потому что его коллектор не опускается ниже его же базы. При больших токах это означает заметный нагрев.
• Медленное выключение: базе второго транзистора некуда отдать заряд, поэтому в готовые составные транзисторы встраивают резисторы между базами и эмиттерами.

Готовые составные транзисторы выпускают в одном корпусе. У TIP120 (TO-220, 60 В, до 5 А) коэффициент передачи — не меньше 1000 при токах 0,5 и 3 А. Напряжение насыщения — до 2 В при 3 А и токе базы 12 мА и до 4 В при 5 А и 20 мА, напряжение база–эмиттер при 3 А — до 2,5 В. При 3 А на транзисторе выделяется до 6 Вт, а без радиатора TIP120 рассеивает 2 Вт при 25 °C. На внутренней схеме в даташите показаны резисторы между базами и эмиттерами (около 8 кОм и 120 Ом) и диод между эмиттером и коллектором.

Для реле и шаговых двигателей удобна микросхема ULN2003A — семь составных ключей в одном корпусе. Каждый выход рассчитан на ток до 500 мА и напряжение до 50 В. На входе каждого канала уже стоит резистор 2,7 кОм для управления от логики 5 В, а для тока 200 мА на вход достаточно 2,4 В, так что микросхемой управляет и микроконтроллер на 3,3 В. Защитные диоды всех выходов собраны на общий вывод COM, его подключают к плюсу питания нагрузки. Напряжение насыщения выхода — до 1,1 В при 100 мА и до 1,6 В при 350 мА: для нагрузки на 5 В это заметная потеря.

Биполярный транзистор или MOSFET

Для ключей всё чаще берут полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Сравнение по главным пунктам:

Биполярный транзистор удобен для небольших токов, когда управляющее напряжение мало или неизвестно, и в аналоговых схемах: источниках тока, токовых зеркалах, малошумящих усилителях. MOSFET выигрывает при больших токах и быстрой ШИМ.

Как проверить транзистор мультиметром

Переходы база–эмиттер и база–коллектор — это два диода, включённых навстречу друг другу (у NPN — анодами к базе, у PNP — катодами). В режиме проверки диодов мультиметр показывает прямое падение напряжения на переходе — у кремниевого маломощного транзистора около 0,5–0,7 В — и обрыв в обратном направлении.

1. Найдите вывод, относительно которого два других проводят в одну сторону. Это база.
2. Если переходы проводят при плюсовом щупе на базе, транзистор NPN; если при минусовом — PNP.
3. Между коллектором и эмиттером проводимости не должно быть ни в одном направлении. Если она есть, транзистор пробит.

Отличить эмиттер от коллектора таким способом трудно: падения на двух переходах почти одинаковы. Надёжнее сверить цоколёвку с даташитом, а у мультиметра с гнездом hFE — вставить транзистор двумя способами: при правильном подключении коэффициент заметно больше, чем в инверсном режиме.

Типичные ошибки

• Нет резистора в базе. Переход база–эмиттер — это диод: без резистора ток ограничивает только выход микроконтроллера, и он работает с перегрузкой.
• Расчёт по типичному $h_\text{21э}$. Ключ, рассчитанный по среднему экземпляру, у части транзисторов и на холоде не войдёт в насыщение и будет греться.
• PNP-ключ напрямую от вывода при более высоком питании нагрузки. Транзистор не закрывается: вывод не может поднять базу до напряжения эмиттера.
• Нет диода на индуктивной нагрузке. Реле, соленоиды и двигатели при выключении дают выброс напряжения, который пробивает транзистор.
• Перепутана цоколёвка. Одно и то же название у разных производителей бывает в разных корпусах и с разным порядком выводов.
• Превышено обратное напряжение база–эмиттер. Переход база–эмиттер пробивается уже при 5–6 В обратного напряжения. Это возможно, например, когда база PNP-транзистора управляется сигналом с размахом больше напряжения питания эмиттера.
• Транзисторы включены параллельно без резисторов в эмиттерах. Транзистор, который нагрелся сильнее, открывается сильнее — у него меньше $U_\text{бэ}$, — и забирает на себя почти весь ток. Резисторы в эмиттерах в десятые доли ома выравнивают токи.