Урок 4: Транзисторы

Транзистор — это активный полупроводниковый прибор, который может усиливать сигналы и работать как электронный ключ. Транзисторы являются основой современной электроники.

Типы транзисторов

Существует два основных типа транзисторов.

Биполярные (BJT) — управляются током (NPN и PNP)
Полевые (FET/MOSFET) — управляются напряжением
BJT чаще используются для усиления
MOSFET — для ключевых режимов и высокой мощности

Биполярный транзистор NPN

NPN-транзистор имеет три вывода: коллектор (C), база (B), эмиттер (E).

        Структура NPN:
       Коллектор (C)
            |
         [  NPN  ]
       /    |    \
    База(B) |  Эмиттер(E)

Принцип работы:
- Малый ток базы управляет большим током коллектора
- Ток течет от коллектора к эмиттеру
- U_BE ≈ 0.6-0.7 В (кремний)

Основные параметры:
- β (бета) — коэффициент усиления по току
- I_C = β × I_B
- Типичное β = 100-300
    

NPN открывается положительным напряжением на базе
Эмиттер обычно подключается к земле
Популярные NPN: 2N2222, BC547, 2N3904

Транзистор как ключ

Самое распространенное применение — управление нагрузкой.

        Схема ключа на NPN:
                    +Vcc
                     |
                   Нагрузка (LED + резистор)
                     |
                     C
        R_base      /
+3.3V ---/\/\/\---B  NPN
                    \E
                     |
                    GND

Расчет:
Пусть β = 100, I_C = 20 мА (ток через LED)

I_B = I_C / β = 20 мА / 100 = 0.2 мА

С запасом: I_B = 2 мА

R_base = (V_in - V_BE) / I_B
R_base = (3.3 В - 0.7 В) / 0.002 А = 1300 Ом

Выбор: 1.2 кОм или 1.5 кОм
    

Резистор базы ограничивает ток базы
Берем запас по току базы (×5-10)
Транзистор полностью открыт (режим насыщения)

MOSFET транзистор

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) — полевой транзистор с изолированным затвором.

        N-канальный MOSFET:
       Сток (Drain - D)
            |
         [ MOSFET ]
       /    |    \
 Затвор(G) |  Исток(Source - S)

Преимущества:
- Управляется напряжением (почти нет тока затвора)
- Малое сопротивление в открытом состоянии
- Высокая скорость переключения
- Выдерживают большие токи

Типы:
- Enhancement mode (обогащенный) — нормально закрыт
- Depletion mode (обедненный) — нормально открыт

Популярные: IRF520, IRF540, IRLZ44N (logic level)
    

MOSFET открывается напряжением на затворе (обычно >4В)
Logic-level MOSFET открывается от 3.3В или 5В
Важно: используйте резистор pull-down на затворе

Управление мотором через MOSFET

Пример схемы для управления DC мотором.

        Схема:
            +12V
             |
           Мотор
             |
             D ----< Диод (1N4007)
        IRF540 |
        G----| |----S
  10кОм |      |
        |     GND
+5V от MCU

Элементы:
1. MOSFET IRF540 (N-канал)
2. Резистор 10 кОм (pull-down)
3. Обратный диод 1N4007 (защита от ЭДС)

Почему диод?
При выключении мотора возникает обратная ЭДС,
которая может повредить транзистор.
Диод шунтирует этот импульс.
    

Pull-down резистор удерживает затвор в LOW
Диод обязателен для индуктивных нагрузок
MOSFET может коммутировать десятки ампер

Транзистор Дарлингтона

Пара транзисторов для очень высокого коэффициента усиления.

        Схема Дарлингтона:
      C1       C2
       |        |
      [T1]    [T2]
       |        |
    B1-+    B2-+
           |
          E1=B2
           |
          E2

β_total = β1 × β2

Пример: β1 = 100, β2 = 100
β_total = 10000

Применение:
- Когда нужен очень малый ток управления
- TIP120, TIP122 (готовые модули)
- Минус: большое падение напряжения ≈1.4В
    

Два транзистора усиливают ток последовательно
Можно управлять большой нагрузкой малым током
Недостаток: медленное выключение

Практический пример: Драйвер реле

Управление реле от микроконтроллера через транзистор.

        Схема:
            +12V
             |
           Катушка реле
             |<----< Диод 1N4007
             C
        1кОм /
+3.3V ---/\/--B  BC547 (NPN)
              \E
               |
              GND

Расчет:
Ток катушки реле: 50 мА
β транзистора: 200

I_B = 50 мА / 200 = 0.25 мА
С запасом (×10): I_B = 2.5 мА

R = (3.3 - 0.7) / 0.0025 = 1040 Ом ≈ 1 кОм
    

Реле позволяет управлять высоковольтной нагрузкой
Диод защищает от обратной ЭДС катушки
Микроконтроллер не нагружается (малый ток базы)

Техника безопасности

Важные правила при работе с транзисторами.

Максимальный ток — не превышайте I_C max
Максимальное напряжение — проверяйте V_CE max
Мощность — P = V_CE × I_C, используйте радиатор
ESD — MOSFET чувствительны к статике
Диод — всегда ставьте для индуктивной нагрузки