Transistores bipolares: circuitos, modos, modelado.

El transistor apareció en 1948 (1947), gracias al trabajo de tres ingenieros y Shockley, Bradstein, Bardin. En aquellos días, su rápido desarrollo y popularización aún no se habían previsto. En la Unión Soviética en 1949, el prototipo del transistor fue presentado al mundo científico por el laboratorio Krasilov, era el triodo C1-C4 (germanio). El término transistor apareció más tarde, en los años 50 o 60.

Sin embargo, encontraron un uso generalizado a fines de los años 60 y principios de los 70, cuando las radios portátiles se pusieron de moda. Por cierto, durante mucho tiempo se les ha llamado el "transistor". Este nombre se mantuvo debido al hecho de que reemplazaron los tubos electrónicos con elementos semiconductores, lo que causó una revolución en la ingeniería de radio.

¿Qué es un semiconductor?

Los transistores están hechos de materiales semiconductores, por ejemplo, el silicio, el germanio era anteriormente popular, pero ahora rara vez se encuentra, debido a su alto costo y sus peores parámetros, en términos de temperatura y otras cosas.

Los semiconductores son materiales que ocupan un lugar entre conductores y dieléctricos en conductividad. Su resistencia es un millón de veces mayor que la de los conductores, y cientos de millones de veces menor que la de los dieléctricos. Además, para que la corriente fluya a través de ellos, es necesario aplicar un voltaje que exceda el intervalo de banda para que los portadores de carga pasen de la banda de valencia a la banda de conducción.

Los conductores de la zona prohibida no están presentes como tales. Un portador de carga (electrón) puede moverse dentro de la banda de conducción no solo bajo la influencia del voltaje externo, sino también del calor, esto se llama corriente térmica. La corriente causada por la irradiación del flujo de luz del semiconductor se denomina fotocorriente. Fotoresistores, fotodiodos y otros elementos fotosensibles funcionan según este principio.

A modo de comparación, mire aquellos en dieléctricos y conductores:

Bastante obvio. Los diagramas muestran que los dieléctricos aún pueden conducir corriente, pero esto sucede después de superar la zona prohibida. En la práctica, esto se llama tensión de ruptura dieléctrica.

Entonces, la diferencia entre las estructuras de germanio y silicio es que para el germanio el intervalo de banda es del orden de 0.3 eV (electronvoltios), y el del silicio es más de 0.6 eV. Por un lado, esto causa más pérdidas, pero el uso de silicio se debe a factores tecnológicos y económicos.

Como resultado del dopaje, un semiconductor recibe portadores de carga adicionales positivos (agujeros) o negativos (electrones), esto se denomina semiconductor de tipo p o n. Es posible que haya escuchado la frase "pn junction". Este es el límite entre semiconductores de diferentes tipos. Como resultado del movimiento de las cargas, la formación de partículas ionizadas de cada tipo de impureza en el semiconductor principal, se forma una barrera potencial, no permite que la corriente fluya en ambas direcciones, más sobre esto se describe en el libro "El transistor es fácil"..

La introducción de portadores de carga adicionales (dopaje de semiconductores) permitió crear dispositivos semiconductores: diodos, transistores, tiristores, etc. El ejemplo más simple es un diodo, cuya operación examinamos en el artículo anterior.

Si aplica un voltaje en una polarización directa, es decir Fluiré positivo a la región p, y una corriente negativa fluirá a la región n, y si lo contrario es cierto, la corriente no fluirá. El hecho es que con un sesgo directo, los portadores principales de la región p (agujero) son positivos y se repelen del potencial positivo de la fuente de energía, tienden a la región con un potencial más negativo.

Al mismo tiempo, los portadores negativos de la región n se repelen del polo negativo de la fuente de energía. Ambos operadores tienden a la interfaz (unión pn).La transición se vuelve más estrecha y los transportistas superan la barrera potencial, moviéndose en áreas con cargas opuestas, donde se recombinan con ellos ...

Si se aplica un voltaje de polarización inversa, los portadores positivos de la región p se mueven hacia el electrodo negativo de la fuente de energía, y los electrones de la región n se mueven hacia el electrodo positivo. La transición se expande, la corriente no fluye.

Si no entra en detalles, esto es suficiente para comprender los procesos que tienen lugar en un semiconductor.

Designación gráfica condicional del transistor

En la Federación de Rusia, tal designación de transistor se adopta como se ve en la imagen a continuación. El colector no tiene flecha, el emisor tiene una flecha y la base es perpendicular a la línea entre el emisor y el colector. La flecha en el emisor indica la dirección del flujo de corriente (de más a menos). Para la estructura NPN, la flecha del emisor se dirige desde la base, y para el PNP, hacia la base.

Además, la misma designación se encuentra a menudo en los esquemas, pero sin un círculo. La designación de letra estándar es "VT" y el número en orden en el diagrama, a veces simplemente escriben "T".

 

Imagen de transistores sin círculo.

¿Qué es un transistor?

Un transistor es un dispositivo semiconductor activo diseñado para amplificar una señal y generar oscilaciones. Reemplazó los tubos de vacío: triodos. Los transistores generalmente tienen tres patas: un colector, un emisor y una base. La base es el electrodo de control, al suministrarle corriente, controlamos la corriente del colector. Por lo tanto, con la ayuda de una pequeña corriente de base, regulamos grandes corrientes en el circuito de alimentación y la señal se amplifica.

Los transistores bipolares son conductividad directa (PNP) y conductividad inversa (NPN). Su estructura se muestra a continuación. Típicamente, la base ocupa un volumen menor del cristal semiconductor.

Caracteristicas

Las principales características de los transistores bipolares:

• Ic: corriente máxima del colector (no puede ser mayor, se quemará);

• Ucemax: voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y el emisor (es imposible arriba, se romperá);

• Ucesat es el voltaje de saturación del transistor. Caída de voltaje en modo de saturación (cuanto más pequeñas, menos pérdidas en estado abierto y calefacción);

• Β o H21E - ganancia del transistor, igual a Ik / Ib. Depende del modelo de transistor. Por ejemplo, con una ganancia de 100, a una corriente a través de la base de 1 mA, una corriente de 100 mA fluirá a través del colector, etc.

Vale la pena decir sobre las corrientes de transistores, hay tres de ellas:

1. La corriente base.

2. Colector actual.

3. Corriente del emisor: contiene la corriente base y la corriente del emisor.

Muy a menudo, la corriente del emisor cae porque casi no difiere de la corriente del colector en magnitud. La única diferencia es que la corriente del colector es menor que la corriente del emisor por el valor de la corriente base, y desde los transistores tienen una alta ganancia (digamos 100), luego a una corriente de 1A a través del emisor, 10mA fluirá a través de la base y 990mA a través del colector. De acuerdo, esta es una diferencia lo suficientemente pequeña como para dedicar tiempo a estudiar electrónica. Por lo tanto, en las características e indicadas Icmax.

Modos de funcionamiento

El transistor puede funcionar en diferentes modos:

1. Modo de saturación. En palabras simples, este es el modo en el que el transistor está en el estado abierto máximo (ambas transiciones están sesgadas en la dirección hacia adelante).

2. El modo de corte es cuando la corriente no fluye y el transistor está cerrado (ambas transiciones están sesgadas en la dirección opuesta).

3. Modo activo (la base del colector está sesgada en la dirección opuesta, y la base del emisor está sesgada en la dirección hacia adelante).

4. Modo activo inverso (la base del colector está sesgada en la dirección hacia adelante, y la base del emisor está sesgada en la dirección opuesta), pero rara vez se usa.

Circuitos de conmutación de transistores típicos

Hay tres circuitos de conmutación de transistores típicos:

1. La base general.

2. Emisor general.

3. El coleccionista común.

El circuito de entrada se considera la base del emisor, y el circuito de salida es el colector-emisor. Mientras que la corriente de entrada es la corriente base, y la salida es la corriente del colector, respectivamente.

Dependiendo del circuito de conmutación, amplificamos la corriente o el voltaje.En los libros de texto, es habitual considerar tales esquemas de inclusión, pero en la práctica no parecen tan obvios.

Vale la pena señalar que cuando encendemos el circuito con un colector común, amplificamos la corriente y obtenemos voltaje en fase (igual que la entrada en polaridad) en la entrada y salida, y en el circuito con un emisor común obtenemos el voltaje y la ganancia de voltaje inverso (la salida se invierte en relación con entrada). Al final del artículo, simularemos dichos circuitos y lo veremos claramente.

Transistor Key Modeling

El primer modelo que veremos es transistor de modo clave. Para hacer esto, necesita construir un circuito como en la figura a continuación. Supongamos que incluiremos una carga con una corriente de 0.1A, su papel será desempeñado por la resistencia R3 instalada en el circuito colector.

Como resultado de los experimentos, descubrí que la h21E del modelo de transistor seleccionado es de aproximadamente 20, por cierto, en la hoja de datos en MJE13007 que dice de 8 a 40.

La corriente base debe ser de alrededor de 5 mA. El divisor se calcula de modo que la corriente base tenga un efecto mínimo en la corriente del divisor. Para que el voltaje especificado no flote cuando se enciende el transistor. Por lo tanto, el divisor actual establece 100mA.

Rbrosch = (12V - 0.6v) /0.005= 2280 Ohm

Este es un valor calculado, las corrientes como resultado de esto salieron de la siguiente manera:

Con una corriente base de 5 mA, la corriente en la carga era de aproximadamente 100 mA, el voltaje cae a 0.27 V en el transistor. Los cálculos son correctos.

Que conseguimos

Podemos controlar una carga cuya corriente es 20 veces la corriente de control. Para amplificar aún más, puede duplicar la cascada, reduciendo la corriente de control. O usa otro transistor.

La corriente del colector estaba limitada por la resistencia de carga, para el experimento decidí hacer que la resistencia de carga fuera de 0 ohmios, luego la corriente a través del transistor se establece por la corriente base y la ganancia. Como resultado, las corrientes prácticamente no difieren, como puede ver.

Para rastrear el efecto del tipo de transistor y su ganancia en las corrientes, lo reemplazamos sin cambiar los parámetros del circuito.

Después de reemplazar el transistor de MJE13007 a MJE18006, el circuito continuó funcionando, pero 0.14 V cae sobre el transistor, lo que significa que a la misma corriente este transistor se calentará menos, porque se destacará en calor

Pot = 0.14V * 0.1A = 0.014W,

Y en el caso anterior:

Potprevious = 0.27V * 0.1A = 0.027W

La diferencia es casi doble, si no es tan significativa a décimas de vatios, imagine lo que sucederá con corrientes de decenas de amperios, entonces el poder de las pérdidas aumentará 100 veces. Esto lleva al hecho de que las teclas se sobrecalientan y fallan.

El calor que se libera durante el calentamiento se propaga a través del dispositivo y puede causar problemas en el funcionamiento de los componentes vecinos. Para esto, todos los elementos de potencia se instalan en radiadores, y a veces se utilizan sistemas de enfriamiento activos (enfriadores, líquidos, etc.).

Además, al aumentar la temperatura, aumenta la conductividad del semiconductor, al igual que la corriente que fluye a través de ellos, lo que nuevamente provoca un aumento de la temperatura. El proceso de avalancha de aumentar la corriente y la temperatura finalmente matará la llave.

La conclusión es la siguiente: cuanto menor es la caída de voltaje a través del transistor en estado abierto, menor es su calentamiento y mayor es la eficiencia de todo el circuito.

La caída de voltaje en la llave se hizo más pequeña debido al hecho de que colocamos una llave más potente, con una ganancia más alta, para asegurarnos de esto, eliminamos la carga del circuito. Para hacer esto, configuré nuevamente R3 = 0 Ohms. La corriente del colector se convirtió en 219 mA, en el MJE13003 en el mismo circuito era de aproximadamente 130 mA, lo que significa que el H21E en el modelo de este transistor es dos veces más grande.

Vale la pena señalar que la ganancia de un modelo, dependiendo de una instancia específica, puede variar decenas o cientos de veces. Esto requiere la sintonización y el ajuste de los circuitos analógicos. En este programa, los coeficientes fijos se utilizan en modelos de transistores, conozco la lógica de su elección. En el MJE18006 en la hoja de datos, la relación máxima H21E es 36.

Simulación de amplificador de CA

El modelo dado muestra el comportamiento de la clave si se le aplica una señal alterna y un circuito simple para su inclusión en el circuito. Se asemeja a un circuito amplificador de potencia musical.

Usualmente usan varias cascadas conectadas en serie. El número y los esquemas de las cascadas, sus circuitos de potencia dependen de la clase en la que opera el amplificador (A, B, etc.). Simularé el amplificador Clase A más simple, que opera en modo lineal, así como tomar formas de onda de voltaje de entrada y salida.

La resistencia R1 establece el punto de funcionamiento del transistor. En los libros de texto escriben que necesitas encontrar ese punto en un segmento recto del CVC del transistor. Si el voltaje de polarización es demasiado bajo, la media onda inferior de la señal se distorsionará.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Se necesitan condensadores para separar el componente variable de la constante. Las resistencias R2 se instalan para establecer el modo de funcionamiento de la llave y las corrientes de funcionamiento. Veamos las formas de onda. Damos una señal con una amplitud de 10mV y una frecuencia de 10,000 Hz. La amplitud de salida es de casi 2V.

Magenta indica la forma de onda de salida, el rojo indica la forma de onda de entrada.

Tenga en cuenta que la señal está invertida, es decir La señal de salida se invierte en relación con la entrada. Esta es una característica de un circuito emisor común. Según el esquema, la señal se elimina del colector. Por lo tanto, cuando se abre el transistor (cuando aumenta la señal de entrada), el voltaje a través de él caerá. Cuando la señal de entrada cae, el transistor comienza a cerrarse y el voltaje comienza a aumentar.

Se considera que este esquema es de la más alta calidad en términos de calidad de transmisión de señal, pero debe pagarlo con la pérdida de potencia. El hecho es que en un estado donde no se ingresa señal, el transistor siempre está abierto y conduce corriente. Luego se libera calor:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE es una caída en un transistor en ausencia de una señal de entrada.

Este es el circuito amplificador más simple, mientras que cualquier otro circuito funciona de esta manera, solo la conexión de los elementos y su combinación son diferentes. Por ejemplo, un amplificador de transistor de clase B consta de dos transistores, cada uno de los cuales funciona para su propia media onda.

Aquí se usan transistores de diferentes conductividades:

• VT1 es NPN;

• VT2 - PNP.

La parte positiva de la señal de entrada variable abre el transistor superior y el negativo, el inferior.

Este esquema proporciona una mayor eficiencia debido al hecho de que los transistores se abren y cierran por completo. Debido al hecho de que cuando la señal está ausente, ambos transistores están cerrados, el circuito no consume corriente, por lo que no hay pérdidas.

Conclusión

Comprender el funcionamiento del transistor es muy importante si va a hacer electrónica. En esta área, es importante no solo aprender a armar esquemas, sino también analizarlos. Para un estudio sistemático y la comprensión de los dispositivos, debe comprender dónde y cómo fluirán las corrientes. Esto ayudará tanto en el montaje como en el ajuste y reparación de circuitos.

Vale la pena señalar que intencionalmente omití muchos de los matices y factores para no sobrecargar el artículo. Al mismo tiempo, después de los cálculos, todavía es recoger resistencias. En modelado, esto es fácil de hacer. Pero en la practica medir corrientes y voltajes con un multímetroe idealmente necesita osciloscopiopara verificar si las formas de onda de entrada y salida coinciden, de lo contrario tendrá distorsión.