Bipolartransistoren: Schaltungen, Moden, Modellierung

Der Transistor erschien 1948 (1947) dank der Arbeit von drei Ingenieuren und Shockley, Bradstein, Bardin. In jenen Tagen war ihre rasche Entwicklung und Popularisierung noch nicht erwartet worden. In der Sowjetunion wurde 1949 der Prototyp des Transistors vom Krasilov-Labor der wissenschaftlichen Welt vorgestellt, es war die C1-C4-Triode (Germanium). Der Begriff Transistor tauchte später in den 50er oder 60er Jahren auf.

Sie fanden jedoch in den späten 60er und frühen 70er Jahren, als tragbare Radios in Mode kamen, breite Verwendung. Sie werden übrigens schon lange als "Transistor" bezeichnet. Dieser Name blieb aufgrund der Tatsache erhalten, dass sie elektronische Röhren durch Halbleiterelemente ersetzten, was eine Revolution in der Funktechnik verursachte.

Was ist ein Halbleiter?

Transistoren bestehen aus Halbleitermaterialien, zum Beispiel Silizium, Germanium war früher beliebt, aber jetzt wird es aufgrund seiner hohen Kosten und schlechteren Parameter in Bezug auf Temperatur und andere Dinge selten gefunden.

Halbleiter sind Materialien, die in ihrer Leitfähigkeit einen Platz zwischen Leitern und Dielektrika einnehmen. Ihr Widerstand ist millionenfach höher als der von Leitern und hunderttausendmal geringer als der von Dielektrika. Damit der Strom durch sie fließen kann, muss außerdem eine Spannung angelegt werden, die die Bandlücke überschreitet, damit die Ladungsträger vom Valenzband zum Leitungsband gelangen.

Die Leiter der verbotenen Zone sind als solche nicht vorhanden. Ein Ladungsträger (Elektron) kann sich nicht nur unter dem Einfluss externer Spannung, sondern auch durch Wärme in das Leitungsband bewegen - dies wird als thermischer Strom bezeichnet. Der durch die Bestrahlung des Lichtflusses des Halbleiters verursachte Strom wird als Photostrom bezeichnet. Fotowiderstände, Fotodioden und andere lichtempfindliche Elemente arbeiten nach diesem Prinzip.

Schauen Sie sich zum Vergleich die Dielektrika und Leiter an:

Ziemlich offensichtlich. Die Diagramme zeigen, dass Dielektrika immer noch Strom leiten können, dies geschieht jedoch nach Überwindung der verbotenen Zone. In der Praxis wird dies als dielektrische Durchbruchspannung bezeichnet.

Der Unterschied zwischen Germanium- und Siliziumstrukturen besteht also darin, dass für Germanium die Bandlücke in der Größenordnung von 0,3 eV (Elektronenvolt) liegt und die von Silizium mehr als 0,6 eV beträgt. Dies verursacht einerseits mehr Verluste, die Verwendung von Silizium ist jedoch auf technologische und wirtschaftliche Faktoren zurückzuführen.

Infolge der Dotierung erhält ein Halbleiter zusätzliche Ladungsträger positiv (Löcher) oder negativ (Elektronen), was als Halbleiter vom p- oder n-Typ bezeichnet wird. Möglicherweise haben Sie den Satz "pn junction" gehört. Dies ist also die Grenze zwischen Halbleitern verschiedener Typen. Infolge der Ladungsbewegung, der Bildung ionisierter Teilchen jeder Art von Verunreinigung zum Haupthalbleiter bildet sich eine Potentialbarriere, die den Strom nicht in beide Richtungen fließen lässt, mehr dazu wird in dem Buch beschrieben "Der Transistor ist einfach.".

Die Einführung zusätzlicher Ladungsträger (Dotierung von Halbleitern) ermöglichte die Herstellung von Halbleiterbauelementen: Dioden, Transistoren, Thyristoren usw. Das einfachste Beispiel ist eine Diode, deren Betrieb wir untersucht haben im vorherigen Artikel.

Wenn Sie eine Spannung in Vorwärtsrichtung anlegen, d. H. Ich werde positiv in den p-Bereich fließen und negativer Strom wird in den n-Bereich fließen und umgekehrt wird der Strom nicht fließen. Tatsache ist, dass bei direkter Vorspannung die Hauptträger des p-Bereichs (Loch) positiv sind und sich vom positiven Potential der Stromquelle abstoßen, zu dem Bereich mit einem negativeren Potential tendieren.

Gleichzeitig stoßen negative Ladungsträger des n-Bereichs vom negativen Pol der Stromquelle ab. Beide Träger tendieren zur Grenzfläche (pn-Übergang).Der Übergang wird enger und die Träger überwinden die potenzielle Barriere und bewegen sich in Gebieten mit entgegengesetzten Ladungen, wo sie sich mit ihnen rekombinieren ...

Wenn eine Sperrvorspannung angelegt wird, bewegen sich die positiven Ladungsträger des p-Bereichs in Richtung der negativen Elektrode der Stromquelle, und die Elektronen aus dem n-Bereich bewegen sich in Richtung der positiven Elektrode. Der Übergang dehnt sich aus, der Strom fließt nicht.

Wenn Sie nicht auf Details eingehen, reicht dies aus, um die in einem Halbleiter ablaufenden Prozesse zu verstehen.

Bedingte grafische Bezeichnung des Transistors

In der Russischen Föderation wird eine solche Transistorbezeichnung übernommen, wie Sie im Bild unten sehen. Der Kollektor ist ohne Pfeil, der Emitter ist mit einem Pfeil und die Basis ist senkrecht zur Linie zwischen Emitter und Kollektor. Der Pfeil auf dem Emitter zeigt die Richtung des Stromflusses an (von Plus nach Minus). Für die NPN-Struktur ist der Emitterpfeil von der Basis und für das PNP zur Basis gerichtet.

Darüber hinaus findet sich die gleiche Bezeichnung häufig in Schemata, jedoch ohne Kreis. Die Standardbuchstabenbezeichnung ist "VT" und die Nummer in der Reihenfolge auf dem Diagramm, manchmal schreiben sie einfach "T".

 

Bild von Transistoren ohne Kreis

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist eine aktive Halbleitervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, ein Signal zu verstärken und Schwingungen zu erzeugen. Er ersetzte die Vakuumröhren - Trioden. Transistoren haben normalerweise drei Beine - einen Kollektor, einen Emitter und eine Basis. Die Basis ist die Steuerelektrode, die Strom liefert, wir steuern den Kollektorstrom. Mit Hilfe eines kleinen Basisstroms regeln wir also große Ströme im Stromkreis und das Signal wird verstärkt.

Bipolartransistoren sind direkt vorwärts (PNP) und rückwärts leitend (NPN). Ihre Struktur ist unten dargestellt. Typischerweise nimmt die Basis ein kleineres Volumen des Halbleiterkristalls ein.

Eigenschaften

Die Hauptmerkmale von Bipolartransistoren:

• Ic - maximaler Kollektorstrom (kann nicht höher sein - er brennt);

• Ucemax - maximale Spannung, die zwischen dem Kollektor und dem Emitter angelegt werden kann (es ist unmöglich, darüber zu sprechen - es wird brechen);

• Ucesat ist die Sättigungsspannung des Transistors. Spannungsabfall im Sättigungsmodus (je kleiner, desto weniger Verluste im offenen Zustand und bei Erwärmung);

• Β oder H21E - Verstärkung des Transistors gleich Ik / Ib. Kommt auf das Transistormodell an. Beispielsweise fließt bei einer Verstärkung von 100 bei einem Strom durch die Basis von 1 mA ein Strom von 100 mA durch den Kollektor usw.

Es lohnt sich, über die Transistorströme zu sprechen, es gibt drei davon:

1. Der Basisstrom.

2. Kollektorstrom.

3. Emitterstrom - enthält den Basisstrom und den Emitterstrom.

Meistens fällt der Emitterstrom ab, weil es unterscheidet sich fast nicht vom Kollektorstrom in der Größe. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Kollektorstrom um den Wert des Basisstroms und seitdem kleiner als der Emitterstrom ist Transistoren haben eine hohe Verstärkung (z. B. 100). Bei einem Strom von 1 A durch den Emitter fließen 10 mA durch die Basis und 990 mA durch den Kollektor. Stimmen Sie zu, dies ist ein Unterschied, der klein genug ist, um beim Studium der Elektronik Zeit damit zu verbringen. Daher in den Eigenschaften und angegeben Icmax.

Betriebsarten

Der Transistor kann in verschiedenen Modi arbeiten:

1. Sättigungsmodus. In einfachen Worten ist dies der Modus, in dem sich der Transistor im maximal offenen Zustand befindet (beide Übergänge sind in Vorwärtsrichtung vorgespannt).

2. Der Abschaltmodus ist, wenn der Strom nicht fließt und der Transistor geschlossen ist (beide Übergänge sind in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt).

3. Aktiver Modus (die Kollektorbasis ist in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt, und die Emitterbasis ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt).

4. Inverser aktiver Modus (Kollektorbasis ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt und Emitterbasis ist in Gegenrichtung vorgespannt), wird jedoch selten verwendet.

Typische Transistorschaltkreise

Es gibt drei typische Transistorschaltkreise:

1. Die allgemeine Basis.

2. Generalemitter.

3. Der gemeinsame Sammler.

Die Eingangsschaltung wird als Emitterbasis betrachtet, und die Ausgangsschaltung ist der Kollektor-Emitter. Während der Eingangsstrom der Basisstrom und der Ausgang der Kollektorstrom ist.

Je nach Schaltkreis verstärken wir den Strom oder die Spannung.In Lehrbüchern ist es üblich, nur solche Einschlussschemata zu berücksichtigen, aber in der Praxis sehen sie nicht so offensichtlich aus.

Es ist anzumerken, dass wir, wenn wir an eine Schaltung mit einem gemeinsamen Kollektor angeschlossen sind, den Strom verstärken und am Eingang und Ausgang eine gleichphasige Spannung (die gleiche wie der Eingang in Polarität) erhalten, und in der Schaltung mit einem gemeinsamen Emitter die Spannung und die inverse Spannungsverstärkung erhalten (der Ausgang ist relativ zu invertiert) Eingabe). Am Ende des Artikels werden wir solche Schaltungen simulieren und dies deutlich sehen.

Modellierung von Transistorschlüsseln

Das erste Modell, das wir uns ansehen werden, ist Schlüsselmodus-Transistor. Dazu müssen Sie eine Schaltung wie in der folgenden Abbildung erstellen. Angenommen, wir schließen eine Last mit einem Strom von 0,1 A ein, deren Rolle der in der Kollektorschaltung installierte Widerstand R3 spielt.

Als Ergebnis von Experimenten fand ich heraus, dass der h21E des ausgewählten Transistormodells im Datenblatt zu MJE13007 übrigens etwa 20 von 8 bis 40 beträgt.

Der Basisstrom sollte ca. 5mA betragen. Der Teiler wird so berechnet, dass der Basisstrom einen minimalen Einfluss auf den Teilerstrom hat. Damit die angegebene Spannung beim Einschalten des Transistors nicht schwimmt. Daher stellte der Stromteiler 100mA ein.

Rbrosch = (12 V - 0,6 V) / 0,005 = 2280 Ohm

Dies ist ein berechneter Wert, dessen Ströme sich wie folgt ergaben:

Bei einem Basisstrom von 5 mA betrug der Strom in der Last etwa 100 mA, die Spannung fällt am Transistor auf 0,27 V ab. Die Berechnungen sind korrekt.

Was haben wir bekommen?

Wir können eine Last steuern, deren Strom das 20-fache des Steuerstroms beträgt. Zur weiteren Verstärkung können Sie die Kaskade duplizieren und so den Steuerstrom reduzieren. Oder verwenden Sie einen anderen Transistor.

Der Kollektorstrom wurde durch den Lastwiderstand begrenzt. Für das Experiment habe ich beschlossen, den Lastwiderstand auf 0 Ohm zu setzen. Dann wird der Strom durch den Transistor durch den Basisstrom und die Verstärkung eingestellt. Infolgedessen unterscheiden sich die Ströme praktisch nicht, wie Sie sehen können.

Um die Auswirkung des Transistortyps und seiner Verstärkung auf die Ströme zu verfolgen, ersetzen wir ihn, ohne die Schaltungsparameter zu ändern.

Nach dem Austausch des Transistors von MJE13007 auf MJE18006 arbeitete die Schaltung weiter, aber 0,14 V fallen am Transistor ab, was bedeutet, dass sich dieser Transistor bei gleichem Strom weniger erwärmt, weil wird in der Hitze auffallen

Topf = 0,14 V · 0,1 A = 0,014 W,

Und im vorherigen Fall:

Potprevious = 0,27 V * 0,1 A = 0,027 W.

Der Unterschied ist fast zweifach. Wenn er bei Zehntel Watt nicht so bedeutend ist, stellen Sie sich vor, was bei Strömen von mehreren zehn Ampere passieren wird, dann steigt die Verlustleistung um das 100-fache. Dies führt dazu, dass die Tasten überhitzen und ausfallen.

Die beim Erhitzen freigesetzte Wärme verteilt sich im Gerät und kann Probleme beim Betrieb benachbarter Komponenten verursachen. Hierzu werden alle Leistungselemente auf Heizkörpern installiert und manchmal werden aktive Kühlsysteme (Kühler, Flüssigkeit usw.) verwendet.

Zusätzlich nimmt mit zunehmender Temperatur die Leitfähigkeit des Halbleiters zu, ebenso wie der Strom, der durch sie fließt, was wiederum einen Temperaturanstieg verursacht. Der Lawinen-ähnliche Prozess der Erhöhung von Strom und Temperatur wird letztendlich den Schlüssel töten.

Die Schlussfolgerung lautet: Je kleiner der Spannungsabfall am Transistor im offenen Zustand ist, desto geringer ist seine Erwärmung und desto höher ist der Wirkungsgrad der gesamten Schaltung.

Der Spannungsabfall am Schlüssel ist kleiner geworden, da wir einen leistungsstärkeren Schlüssel mit einer höheren Verstärkung einsetzen. Um dies sicherzustellen, entfernen wir die Last aus dem Stromkreis. Dazu setze ich wieder R3 = 0 Ohm. Der Kollektorstrom betrug 219 mA, beim MJE13003 in derselben Schaltung etwa 130 mA, was bedeutet, dass der H21E im Modell dieses Transistors doppelt so groß ist.

Es ist erwähnenswert, dass der Gewinn eines Modells abhängig von einer bestimmten Instanz um das Zehn- oder Hundertfache variieren kann. Dies erfordert die Abstimmung und Einstellung von analogen Schaltungen. In diesem Programm werden feste Koeffizienten in Transistormodellen verwendet, ich kenne die Logik ihrer Wahl. Beim MJE18006 im Datenblatt beträgt das maximale H21E-Verhältnis 36.

AC-Verstärkersimulation

Das gegebene Modell zeigt das Verhalten des Schlüssels an, wenn ein Wechselsignal und eine einfache Schaltung für seine Aufnahme in die Schaltung an ihn angelegt werden. Es ähnelt einer musikalischen Leistungsverstärkerschaltung.

Normalerweise verwenden sie mehrere solcher in Reihe geschalteten Kaskaden. Die Anzahl und das Schema der Kaskaden sowie deren Stromkreise hängen von der Klasse ab, in der der Verstärker arbeitet (A, B usw.). Ich werde den einfachsten Klasse-A-Verstärker simulieren, der im linearen Modus arbeitet, sowie Wellenformen der Eingangs- und Ausgangsspannung aufnehmen.

Der Widerstand R1 stellt den Arbeitspunkt des Transistors ein. In den Lehrbüchern schreiben sie, dass Sie einen solchen Punkt auf einem geraden Segment des CVC des Transistors finden müssen. Wenn die Vorspannung zu niedrig ist, wird die untere Halbwelle des Signals verzerrt.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondensatoren werden benötigt, um die variable Komponente von der Konstanten zu trennen. Die Widerstände R2 werden installiert, um den Betriebsmodus des Schlüssels und die Betriebsströme einzustellen. Schauen wir uns die Wellenformen an. Wir geben ein Signal mit einer Amplitude von 10 mV und einer Frequenz von 10.000 Hz. Die Ausgangsamplitude beträgt fast 2V.

Magenta zeigt die Ausgangswellenform an, Rot zeigt die Eingangswellenform an.

Bitte beachten Sie, dass das Signal invertiert ist, d. H. Das Ausgangssignal wird relativ zum Eingang invertiert. Dies ist ein Merkmal einer gemeinsamen Emitterschaltung. Gemäß dem Schema wird das Signal vom Kollektor entfernt. Wenn der Transistor geöffnet wird (wenn das Eingangssignal ansteigt), fällt daher die Spannung an ihm ab. Wenn das Eingangssignal abfällt, beginnt der Transistor zu schließen und die Spannung steigt an.

Dieses Schema wird als die höchste Qualität in Bezug auf die Signalübertragungsqualität angesehen, aber Sie müssen es mit der Verlustleistung bezahlen. Tatsache ist, dass in einem Zustand, in dem kein Signal eingegeben wird, der Transistor immer offen ist und Strom leitet. Dann wird Wärme freigesetzt:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE ist ein Abfall eines Transistors ohne Eingangssignal.

Dies ist die einfachste Verstärkerschaltung, während jede andere Schaltung auf diese Weise funktioniert, nur die Verbindung der Elemente und ihre Kombination ist unterschiedlich. Beispielsweise besteht ein Transistorverstärker der Klasse B aus zwei Transistoren, von denen jeder für seine eigene Halbwelle arbeitet.

Hier werden Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeit eingesetzt:

• VT1 ist NPN;

• VT2 - PNP.

Der positive Teil des variablen Eingangssignals öffnet den oberen und der negative Teil den unteren.

Dieses Schema bietet eine größere Effizienz aufgrund der Tatsache, dass sich die Transistoren vollständig öffnen und schließen. Aufgrund der Tatsache, dass bei fehlendem Signal beide Transistoren geschlossen sind, verbraucht der Stromkreis keinen Strom, sodass keine Verluste auftreten.

Fazit

Das Verständnis der Funktionsweise des Transistors ist sehr wichtig, wenn Sie Elektronik betreiben möchten. In diesem Bereich ist es wichtig, nicht nur zu lernen, wie man Schemata zusammensetzt, sondern sie auch zu analysieren. Für ein systematisches Studium und Verständnis von Geräten müssen Sie verstehen, wo und wie Ströme fließen. Dies hilft sowohl bei der Montage als auch bei der Einstellung und Reparatur von Schaltkreisen.

Es ist erwähnenswert, dass ich viele der Nuancen und Faktoren absichtlich weggelassen habe, um den Artikel nicht zu überladen. In diesem Fall nach Berechnungen Widerstände aufnehmen. Bei der Modellierung ist dies einfach. Aber in der Praxis Messen Sie Ströme und Spannungen mit einem Multimeterund im Idealfall brauchen Oszilloskopum zu überprüfen, ob die Eingangs- und Ausgangswellenformen übereinstimmen, andernfalls treten Verzerrungen auf.