Транзисторы NPN и PNP: подробное руководство

Транзисторы выполняют такие функции, как переключение, усиление, обработка сигналов и управление питанием в схемах. Существует множество типов транзисторов. Среди них наиболее широко используются n-p-n-транзисторы и p-n-p-транзисторы. Оба относятся к типу биполярных транзисторов (BJT). Между n-p-n- и p-n-p-транзисторами есть различия, и они не взаимозаменяемы. Важно понимать структуру, условное обозначение, режим работы и различия между ними.

Далее в этой статье мы рассмотрим их с точки зрения принципов работы, условных обозначений и областей применения. Прежде чем подробно рассмотреть эти два типа транзисторов, давайте сначала дадим общее представление о них.

Что такое транзисторы?

Транзисторы являются одним из основных компонентов современных электронных устройств. Они могут выполнять такие функции, как логическое управление, управление питанием и обработка сигналов. Транзисторы используются в микродатчиках, бытовой электронике и сложных промышленных системах.

Основы транзисторов

Транзистор — это устройство из полупроводниковых материалов, способное коммутировать, усиливать или регулировать электронные сигналы, управляя током или напряжением. Он состоит из трёх слоёв полупроводниковых материалов, которые легированы. Легированные материалы обладают двумя типами характеристик:

N-тип: содержит дополнительные электроны

P-тип: имеет «дырки», то есть позиции, в которых отсутствуют электроны.

Одной из наиболее распространённых структур транзисторов является биполярный транзистор (БПТ). Биполярный транзистор состоит из двух попеременно используемых полупроводниковых материалов. Типичный БПТ-транзистор состоит из трёх электродов:

Основание: Управляющий терминал для транзистора

Коллекционер: Терминал, куда входит обычный ток

Излучатель: Терминал, где выходит обычный ток

В реальных схемах транзисторы обычно имеют три общих режима работы:

Отрезать: Это эквивалентно разомкнутой цепи, при которой ток почти не протекает через конденсатор C.–Перекрёсток E.

Усиление: Он может линейно усиливать сигналы.

Насыщенность: Это эквивалентно замкнутому переключателю, при этом ток между C–Переход E полностью проводящий.

Транзисторы могут выполнять различные функции в электронных системах. Существуют различные типы транзисторов. Ниже мы познакомим вас с основными типами транзисторов.

Типы транзисторов

В зависимости от различных механизмов проводимости, структур и областей применения транзисторы можно классифицировать на следующие основные группы: типэто:

Итак, после получения общего представления о транзисторах, далее мы по отдельности рассмотрим транзисторы NPN и PNP.

Понимание NPN-транзисторов

NPN-транзистор — одна из двух базовых структур биполярных транзисторов (БПТ). Как следует из названия, он состоит из слоя полупроводника p-типа, расположенного между двумя слоями материалов n-типа. Эта структура определяет путь тока в устройстве и его реакцию на входной сигнал.

Внутри n-p-n-транзистора эти три слоя полупроводниковых материалов соответствуют эмиттеру, базе и коллектору. Эмиттер сильно легирован для обеспечения большого количества электронов; база слабо легирована для обеспечения беспрепятственного прохождения большей части электронов; а коллектор используется для поглощения и сбора носителей заряда. Такая структурная конструкция позволяет транзистору регулировать больший ток от коллектора к эмиттеру посредством малого тока в базе. Теперь рассмотрим принцип работы n-p-n-транзистора.

Принцип работы NPN-транзисторов

Принцип работы n-p-n-транзистора заключается в управлении большим током между коллектором и эмиттером посредством малого тока в базе. При подаче небольшого прямого напряжения на переход база-эмиттер переход смещается в прямом направлении, и электроны инжектируются из эмиттера в базу. В этом случае, благодаря очень тонкой и слаболегированной области базы, лишь небольшое количество электронов будет объединяться с дырками в базе, в то время как большинство электронов продолжит движение вперёд и перетечет к обратно смещенному переходу база-коллектор. Обратное смещение создает на этом переходе электрическое поле,llПеремещение электронов из базы в коллектор, тем самым создавая больший ток между коллектором и эмиттером. Это принцип работы n-p-n-транзистора. Этот рабочий процесс можно просто понять как:

Добавляем немного положительного напряжения к базе

→ Электроны в эмиттере будут «поступать» в базу.

Основание очень тонкое.

→ Большинство электронов не задерживаются, а быстро проходят.

Между базой и коллектором имеется обратное смещение.

→ Там есть электрическое поле, которое «притягивает» электроны к коллектору.

Результат: небольшой ток базы управляет гораздо большим током коллектора.

Понимание механизма протекания тока в NPN также помогает выявить различия между NPN и PNP.

Применение npn-транзистора

NPN-транзистор играет центральную роль в современной электронной разработке. Крайне важно понимать его применение в реальных схемах. Его применение широко, и далее будут рассмотрены некоторые из основных вариантов его применения:

1. Цифровые переключатели и логическое управление

Одно из самых основных применений NPN транзистор - это низкочастотныйсторона Цифровой ключ. Этого можно добиться с помощью очень малого тока базы, что позволяет транзистору проводить ток, тем самым обеспечивая прохождение большего тока коллектор-эмиттер. NPN-устройства обычно используются в следующих областях:

Выходной переключатель для микроконтроллеров (MCU)

Светодиодный драйвер

Преобразование логического уровня

Инверсия сигнала

Реле и привод электромагнитного клапана

2. Аналоговое усиление сигнала

Электроны в n-p-n-транзисторе легко проходят через очень тонкую базовую область, что делает его широко используемым в области аналогового усиления. В области усиления слабый входной сигнал может быть усилен до более сильного выходного. Типичные области применения:

Аудиопредусилитель и каскад усиления

Схема усиления инструмента

Усилитель радиочастоты

Формирование сигнала датчика

Схема смешивания и генератора

3. Двигатели, реле и управление сильноточной нагрузкой

Другим важным применением NPN-транзисторов является управление индуктивными или сильноточными нагрузками. В качестве драйвера низкого уровня NPN-транзистор может управлять следующими нагрузками:

Двигатель постоянного тока

Катушка реле

Электромагнитный клапан

Зуммер или вибратор

Мощный светодиод или световая лента

4. Высокоскоростные коммутаторы в силовой электронике

Хотя в современных источниках питания в основном используются МОП-транзисторы, высокоскоростные биполярные транзисторы NPN по-прежнему широко используются в:

Импульсные источники питания

Схемы инвертора

Драйверные каскады МОП-транзисторов и IGBT

Схемы управления ШИМ

Модули высокочастотных колебаний

5. Интерфейс сенсора и обнаружение логического уровня

Транзисторы NPN обычно используются для преобразования слабых или аналоговых сигналов датчиков в чистые логические выходы. Типичные области применения:

Инфракрасный приемный модуль

Фоторезистивная схема

Магнитный датчик Холла

Интерфейс датчика газа и температуры

Схема обнаружения порога

6. Защита и изоляция цифрового выхода

NPN-транзистор также может использоваться для защиты интерфейса и буферизации тока. Во многих схемах транзисторов вы увидите каскад NPN, расположенный между слабым логическим выходом и сильноточной нагрузкой, который служит для:

Обеспечить усиление тока

Предотвратить обратный ток

Изолировать чувствительные выводы ИС

Выполнять преобразование уровней между системами 3.3 В и 12 В

7. NPN–Дополнительная схема PNP

В более сложных схемах транзисторы NPN и PNP объединяются, образуя дополнительную структуру, например:

Двухтактный выходной каскад

усилитель типа AB

Комплементарная пара Дарлингтона

Буфер и инвертор

Симметричный аналоговый каскад

Понимание PNP-транзисторов

PNP-транзистор — это ещё одна базовая структура биполярного транзистора (БПТ). PNP-транзистор является комплементарной структурой NPN-транзистора, и его P-транзистор–N–Иерархическая структура определяет направление движения груза. При рассмотрении клиентаs" Для определения схемы транзистора или условного обозначения транзистора необходимо сначала подтвердить, использует ли схема NPN или PNP, поскольку разница между NPN и PNP напрямую влияет на полярность, путь тока и пайка направление компонента на печатной плате.

В отличие от NPN-транзистора, который использует электроны в качестве основного носителя заряда, PNP-транзистор использует дырки. Стрелка на символе PNP-транзистора направлена ​​к базе, в отличие от стрелки, направленной наружу на символе NPN-транзистора. Внимательно проверьте, указано ли в схеме направление выводов PNP-транзистора, так как неправильные обозначения направления выводов, выводов или корпуса приведут к сбою при включении схемы.

Принцип работы PNP-транзисторов

PNP-транзистор работает, позволяя дыркам течь от эмиттера к коллектору, причем этот поток управляется очень малым базовым током. Он имеет механизм управления, аналогичный NPN-транзистору, но полярность тока полностью противоположна.

При прямом смещении перехода база-эмиттер, когда напряжение базы немного ниже, чем эмиттерное (около 0.6 В)–При напряжении 0.7 В дырки из эмиттера P-типа попадают в слаболегированную базовую область N-типа. Из-за малой толщины базовой области большинство дырок не рекомбинируют, а продолжают двигаться к коллектору с обратным смещением. Электрическое поле коллектора притягивает эти дырки, позволяя очень малому току базы управлять значительно большим током эмиттер-коллектор.

В процессе сборки и тестирования печатной платы в PCBasic инженеры проверят, работают ли компоненты PNP в правильном рабочем диапазоне:

Активная рабочая зона

Излучатель–Базовый переход смещен вперед, база–Коллекторный переход смещен в обратном направлении. PCBasic использует AOI для проверки ориентации транзистора и качества пайки, в то время как ICT/FCT используется для подтверждения соответствия электрических параметров-такие как усиление и смещение-находятся в пределах нормального рабочего диапазона.

Зона отсечения

Оба перехода смещены в обратном направлении, ток не течет.

Зона насыщения

Оба перехода смещены в прямом направлении, транзистор полностью проводит ток. Во многих случаяхs" В силовых платах и ​​платах управления PNP-транзистор используется в качестве переключателя высокого плеча. PCBasic обеспечит надлежащий отвод тепла и медную изоляцию. распространение предложений по дизайну этих устройств.

Понимание этих принципов помогает избежать ошибок при сборке и обеспечивает надлежащее функционирование печатной платы.

Применение PNP-транзисторов

Фактически, в производстве печатных плат совместное использование PNP- и NPN-транзисторов весьма распространено. Ранее мы уже рассматривали применение NPN-транзисторов. Теперь мы рассмотрим распространённые области применения PNP-транзисторов.

1. Переключатель высокого уровня в управлении питанием

В схеме управления верхнего плеча используются PNP-транзисторы, которые подключают нагрузку к положительному полюсу питания и обеспечивают подачу тока через PNP-транзистор. Эта характеристика PNP-транзистора интуитивно понятна. Наиболее распространённые области применения:

Модуль управления автомобилем

Интеллектуальная аккумуляторная система

Промышленный шкаф управления

Датчик распределительного щита

Схема обхода и переключения питания

2. Комплементарный двухтактный выходной каскад

PNP и NPN часто используются вместе в двухтактных схемах усиления. К распространённым устройствам относятся:

Усилитель мощности звука

Модуль усиления системы управления

Прецизионный измерительный прибор

Аналоговый привод с высокой линейностью

3. Линейное регулирование напряжения и регулировка напряжения

PNP-транзисторы используются в качестве компонентов регулировки высокого напряжения во многих линейных стабилизаторах напряжения для поддержания стабильного выходного напряжения. Примеры:

Источник питания датчика с низким уровнем шума

Аналоговый опорный источник питания

Медицинская электронная схема управления

Интерфейс регулятора напряжения для преобразования 24 В в 5 В   индустрии

4. Токовое зеркало и цепь смещения

В высокоточных аналоговых схемах PNP-транзистор является важным компонентом для формирования токового зеркала и часто используется совместно с NPN-транзистором. Типичные области применения:

Дифференциальное смещение усиления

Точный опорный источник тока

Схема температурной компенсации

Аналоговая входная схема

5. Выход промышленного датчика (выход типа источника)

Во многих промышленных датчиках в качестве «источника» используется PNP-контакт. При срабатывании датчика выходной контакт поднимается.

6. Интеграция логических схем и схем управления питанием

В сложных схемах PNP используется для управления:

Последовательность включения

Переключение нагрузки

Мягкий старт

Защита от обратного подключения

Переключение в режим ожидания с низким энергопотреблением

Различия между NPN- и PNP-транзисторами

Вот различия между NPN- и PNP-транзисторами.

Транзисторы NPN и PNP существенно различаются по функциям и поведению. Помимо понимания того, как они переключаются и как их смещать, необходимо также правильно определить выводы транзисторов. См. следующий текст.

Заключение

Транзисторы NPN и PNP являются очень важными компонентами в разработке электронных схем. В PCBasic часто возникают функциональные сбои из-за неправильной ориентации или расположения выводов транзисторов. По характеристикам, преимуществам и сферам применения транзисторы NPN и PNP различаются. Транзисторы NPN обычно используются в низкоуровневых ключах, логических схемах управления и усилителях сигналов, в то время как транзисторы PNP больше подходят для высокоуровневых драйверов, выходов типа «источник» и некоторых аналоговых или силовых функций. Необходимо досконально понимать принципы их работы, направления тока, методы смещения и типичные области применения, что поможет нам выбрать подходящие транзисторы для различных схем.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCBasic это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий Производитель печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.