Биполярный транзистор (BJT)

Транзистор — первый активный компонент курса: маленьким сигналом он управляет большим током. Наш учебный мультивибратор построен ровно на двух таких транзисторах — BC547.

Выводы и типы

У биполярного транзистора (BJT, bipolar junction transistor) три вывода: база (Б, B), коллектор (К, C) и эмиттер (Э, E). Бывают два типа:

• NPN — управляется втекающим в базу током, ток течёт от коллектора к эмиттеру. Стрелка эмиттера на символе направлена наружу. BC547 и 2N3904 — NPN.
• PNP — всё зеркально: ток вытекает из базы, стрелка направлена внутрь. Пара к BC547 — BC557.

Условные графические обозначения: ГОСТ ↔ IEC ↔ ANSI

Поиск по таблице

Элемент	ГОСТ	IEC 60617	ANSI / IEEE 315	Поз. обозначение ГОСТ 2.710 / за рубежом
Биполярный транзистор NPNNPN transistorГОСТ 2.730Стрелка эмиттера у NPN направлена наружу, у PNP — внутрь.				VTQ

Символы упрощены для сравнения формы; размеры и пропорции для чертежей — по указанным ГОСТ. Стандартные библиотеки Altium рисуют символы ближе к IEC/ANSI, поэтому для схем по ЕСКД обычно делают свою библиотеку (модуль 8).

Правила работы (по Хоровицу)

Для NPN-транзистора:

1. Коллектор должен быть положительнее эмиттера.
2. Переходы база–эмиттер и база–коллектор ведут себя как диоды. В рабочем режиме диод база–эмиттер открыт (на нём ~0,6–0,7 В), а база–коллектор закрыт.
3. У каждого транзистора есть предельные значения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор–эмиттер. Превысил — покупай новый.
4. Если правила 1–3 выполнены, ток коллектора пропорционален току базы: Iк ≈ h21э · Iб.

h21э (в англоязычных даташитах — hFE или β) — коэффициент усиления по току, обычно от десятков до сотен. Важно: он сильно плавает — от экземпляра к экземпляру, с температурой и с током. Хорошая схема не должна зависеть от его точного значения.

Аналогия: транзистор — водопроводный кран с сервоприводом. Тонкая струйка в управляющей трубке (база) открывает заслонку в толстой магистрали (коллектор–эмиттер). Но больше, чем пропускает магистраль (нагрузка и питание), кран не даст, как его ни открывай.

📖Из учебникагл. 2, §2.01–2.02, с. 69–71

Четыре правила выше — пересказ «первой модели транзистора» Хоровица. Он сразу предупреждает: правило 4 работает, только пока выполнено правило 1. В примере с лампой на рис. 2.3 через резистор 1 кОм в базу течёт 9,4 мА, и «по правилу 4» коллектор должен был бы дать 940 мА. Но лампе нужно всего 100 мА, коллектор опускается почти до земли, и транзистор просто насыщается. Избыточный ток базы здесь полезен — это запас.

Три режима

Режим	Что происходит	Зачем
Отсечка	Iб ≈ 0 → Iк ≈ 0. Транзистор закрыт	«ключ выключен»
Активный	Iк ≈ h21э·Iб, Uкэ заметно больше нуля	усилители (модуль 3, Хоровиц гл. 2)
Насыщение	ток базы с запасом, Uкэ падает до Uкэ(нас) ≈ 0,1–0,3 В, ток определяет нагрузка	«ключ включён»

На платах чаще всего встречается режим ключа: транзистор либо в отсечке, либо в насыщении. Так он почти не греется: в отсечке нет тока, в насыщении мало напряжения.

Расчёт ключа

Рис. 2.6. Маленький ток базы управляет большим током коллектора: Iк ≈ h21э·Iб, пока транзистор не насытился. В режиме ключа базу «перекармливают» током с запасом, и транзистор полностью открывается: Uкэ падает до десятых долей вольта.

Пусть нужно включать нагрузку током Iк от сигнала Uупр (вывод микроконтроллера или логика).

1. Проверь предельные значения транзистора: Iк меньше допустимого тока коллектора, напряжение питания нагрузки меньше Uкэ0.
2. Задай ток базы с запасом. Минимально нужно Iк / h21э(min). Для надёжного насыщения берут в 3–10 раз больше. Удобное правило — Iб ≈ Iк / 10: именно при таком соотношении производители указывают Uкэ(нас) в даташитах.
3. Резистор базы: Rб = (Uупр − 0,7 В) / Iб. Округли до ряда в меньшую сторону.
4. Проверь ток вывода, который отдаёт управляющий сигнал, и мощность транзистора P ≈ Uкэ(нас) · Iк.
5. Подтяжка базы к эмиттеру (10–100 кОм) держит транзистор закрытым, пока управляющий вывод не настроен.
6. Индуктивная нагрузка (реле, мотор) — обязательно обратный диод (урок 2.4).

Пример: светодиод 20 мА от вывода МК на 3,3 В через BC547

• Iк = 20 мА — укладывается в допустимые 100 мА для BC547.
• Iб = Iк / 10 = 2 мА.
• Rб = (3,3 − 0,7) / 2 мА = 1,3 кОм → 1,2 кОм (ток базы ≈ 2,2 мА, для вывода МК это немного).
• Мощность транзистора: ≈ 0,2 В · 20 мА = 4 мВт — копейки.

BC547 в цифрах (по даташиту onsemi)

Параметр	Значение
Uкэ0 (VCEO) — максимальное напряжение коллектор–эмиттер	45 В
Uэб0 (VEBO) — максимальное обратное напряжение эмиттер–база	6 В
Iк (IC) — максимальный постоянный ток коллектора	100 мА
Рассеиваемая мощность при 25 °C	625 мВт
h21э при Iк = 2 мА, Uкэ = 5 В	группа A: 110–220, B: 200–450, C: 420–800
Uкэ(нас) при Iк = 10 мА, Iб = 0,5 мА	≤ 0,25 В
Цоколёвка TO-92	1 — коллектор, 2 — база, 3 — эмиттер

Буква после номера (BC547B, BC547C) — группа по h21э. В учебном проекте Altium используется BC547C с самым высоким усилением.

⚠️Внимание

Цоколёвка у «похожих» транзисторов разная. У BC547 в корпусе TO-92 порядок выводов — К-Б-Э, а у популярного 2N3904 — Э-Б-К. Замена одного на другой без переделки посадочного места даст перевёрнутый транзистор. Всегда сверяй цоколёвку с даташитом конкретного производителя: для одного и того же номера она изредка бывает разной.

🛠Особенность Altium

В Altium номера выводов символа (1, 2, 3) связываются с номерами площадок посадочного места. Для BC547 символ с выводами C=1, B=2, E=3 и посадочное место TO-92 с той же нумерацией. Если взять символ от 2N3904 (E=1, B=2, C=3) и посадочное место от BC547 — плата будет неправильной, хотя DRC ничего не заметит. Проверка соответствия выводов — урок 8.1.

Практика

1. Ключ на BC547 включает реле с катушкой 12 В / 40 мА от вывода МК 5 В. Посчитай Rб и нарисуй схему с диодом. (Iб = 4 мА; Rб = 4,3 / 4 мА ≈ 1,08 кОм → 1 кОм; диод катодом к +12 В.)
2. Можно ли BC547 коммутировать нагрузку 150 мА? (Нет: допустимый Iк — 100 мА. Нужен транзистор мощнее или MOSFET, урок 2.7.)
3. У транзистора h21э(min) = 110. Какой минимальный ток базы для Iк = 50 мА? Какой возьмёшь на практике? (0,45 мА; на практике 2–5 мА.)

🧯 Типичные ошибки

Транзистор греется, нагрузка светит или тянет вполсилы

Почему Мал ток базы: транзистор в активном режиме вместо насыщения, на нём падает несколько вольт.

Как исправить Увеличь ток базы (Iб ≈ Iк/10), уменьши Rб.

Базу подключили к выводу МК напрямую, без резистора

Почему Переход база–эмиттер — это диод: ток ограничен только выводом МК, и МК или транзистор страдают.

Как исправить Резистор базы обязателен.

Транзистор на плате стоит, но схема не работает

Почему Перепутана цоколёвка (К-Б-Э у BC547 и Э-Б-К у 2N3904) или неверное посадочное место.

Как исправить Сверь нумерацию выводов в даташите, символе и посадочном месте.

Проверь себя

1. 1. Чему примерно равно напряжение база–эмиттер открытого кремниевого транзистора?

   0,1 В0,6–0,7 В3,3 ВРавно напряжению питания
2. 2. Что значит «транзистор в насыщении»?

   Ток коллектора равен h21э·IбUкэ упало до долей вольта, ток коллектора определяется нагрузкойТранзистор закрыт
3. 3. Какой максимальный постоянный ток коллектора у BC547?

   20 мА100 мА200 мА1 А
4. 4. Какой ток базы взять для надёжного ключа на Iк = 30 мА?

   0,03 мАоколо 3 мА (Iк/10)30 мА

🎯Практическое задание~30 мин

Открой даташит BC547 (ссылка внизу) и найди в нём: VCEO, IC, группы hFE, VCE(sat) при двух токах и цоколёвку. Затем открой даташит 2N3904 и сравни те же параметры. Составь таблицу «BC547 vs 2N3904» и напиши, в каких случаях один можно заменить другим и что при этом надо поменять на плате.