Bipoláris tranzisztorok: áramkörök, üzemmódok, modellezés

A tranzisztor 1948-ban (1947) jelent meg, három mérnök és Shockley, Bradstein, Bardin munkájának köszönhetően. Akkoriban még nem várták gyors fejlődésüket és népszerűsítésüket. A Szovjetunióban 1949-ben a transzisztor prototípusát a Kraszilov laboratórium mutatta be a tudományos világ számára, ez egy C1-C4-trioda (germánium) volt. A tranzisztor kifejezés később, az 50-es vagy 60-as években jelent meg.

A 60-as évek végén és a 70-es évek elején azonban széles körben alkalmazták, amikor a hordozható rádiók megjelentek a divatban. Mellesleg, régóta "tranzisztornak" hívják őket. Ez a név elakadt annak a ténynek köszönhetően, hogy az elektronikus csöveket félvezető elemekkel cserélték, ami forradalmat okozott a rádiótechnikában.

Mi az a félvezető?

A tranzisztorok félvezető alapanyagokból készültek, például a szilíciumból, a germániumból korábban népszerűek voltak, de manapság ritkán találják meg, magas költségeik és rosszabb paramétereik miatt, a hőmérsékletet és más tényezőket tekintve.

A félvezetők olyan anyagok, amelyek vezetőképességben helyet foglalnak el a vezetők és az dielektrikumok között. Ellenállásuk egymilliószor nagyobb, mint a vezetőknél, és több százmilliószor kevesebb, mint az dielektrikumok. Ezenkívül annak érdekében, hogy az áram áthaladjon rajta, a frekvenciaváltót meghaladó feszültséget kell alkalmazni, hogy a töltéshordozók a valencia sávról a vezető sávra mozogjanak.

A tiltott zóna vezetői mint ilyenek nincsenek jelen. A töltő hordozó (elektron) nemcsak külső feszültség, hanem hő hatására is bejuthat a vezető sávba. Ezt hőhatásnak nevezzük. A félvezető fényáramának besugárzása által okozott áramot fotoáramnak nevezzük. Fotómérők, fotodiodok és más fényérzékeny elemek ezen az elven működnek.

Összehasonlításképpen nézzük meg az dielektrikában és a vezetőkben dolgozókat:

Nagyon nyilvánvaló. A diagramok azt mutatják, hogy az dielektrikusok továbbra is áramot vezethetnek, de ez akkor történik, amikor a tiltott zónát túllépik. A gyakorlatban ezt dielektromos bontási feszültségnek hívják.

Tehát a germánium és a szilícium struktúrák közötti különbség az, hogy a germánium számára a sávrés 0,3 eV (elektronvolta) nagyságrendű, a szilíciumé pedig több mint 0,6 eV. Egyrészt ez további veszteségeket okoz, de a szilícium felhasználását technológiai és gazdasági tényezők okozzák.

A doppingetés eredményeként egy félvezető további pozitív (lyukak) vagy negatív (elektronok) töltéshordozókat kap, ezt p-vagy n-típusú félvezetőnek hívják. Lehet, hogy hallotta a „pn junction” kifejezést. Tehát ez a határ a különféle félvezetők között. A töltések mozgásának eredményeként az egyes szennyeződéstípusok ionizált részecskéi a fő félvezetőn képződnek, potenciális gát alakul ki, ez nem engedi az áramnak mindkét irányba áramolni, erről bővebben a könyvben "A tranzisztor könnyű.".

Kiegészítő töltőhordozók (félvezetők doppingja) bevezetése lehetővé tette félvezető eszközök: diódák, tranzisztorok, tirisztorok stb. Létrehozását. A legegyszerűbb példa egy dióda, amelynek működését megvizsgáltuk az előző cikkben.

Ha egy előremeneti előfeszültséggel feszültséget alkalmaz, azaz Pozitíváramú leszek a p-régióval szemben, és negatív áram fog az n-régióba folyni, és ha az ellenkezője igaz, akkor az áram nem áramlik. A tény az, hogy közvetlen elfogultság mellett a p-régió (lyuk) fő hordozói pozitívak és visszatükrözik az energiaforrás pozitív potenciáljától, inkább egy negatív potenciállal rendelkező régióra mutatnak.

Ugyanakkor az n-régió negatív hordozói visszaszorítják az áramforrás negatív pólusát. Mindkét vivő hajlamos az interfészre (pn csomópont).Az átmenet szűkebbé válik, és a hordozók legyőzik a potenciális akadályt, és ellentétes töltésű területeken mozognak, ahol velük rekombinálnak ...

Ha fordított elõfeszültséggel feszültséget alkalmazunk, akkor a p-régió pozitív vivõi az áramforrás negatív elektródja felé mozognak, és az n-régió elektronjai a pozitív elektród felé mozognak. Az átmenet bővül, az áram nem áramlik.

Ha nem mész bele a részletekbe, akkor ez elég ahhoz, hogy megértsük a félvezetőben zajló folyamatokat.

A tranzisztor feltételes grafikus megnevezése

Az Orosz Föderációban elfogadják az ilyen tranzisztor-jelölést, amint az az alábbi képen látható. A kollektor nyíl nélkül van, az emitter nyíllal van ellátva, és az alap merőleges az emitter és a kollektor közötti vonalra. A kibocsátón lévő nyíl jelzi az áramlás irányát (plusztól mínuszig). Az NPN szerkezetnél az emitter nyíl az alaptól, a PNP esetében pedig az alaphoz van irányítva.

Sőt, ugyanaz a megjelölés gyakran megtalálható a sémákban, de kör nélkül. A szokásos betűjelölés „VT” és a szám a rajzon látható sorrendben, néha egyszerűen „T” betűt írnak.

 

Kép a tranzisztorok kör nélkül

Mi az a tranzisztor?

A tranzisztor egy aktív félvezető eszköz, melynek célja a jel erősítése és rezgések generálása. Cseréli a vákuumcsöveket - triódokat. A tranzisztoroknak általában három lába van - kollektor, emitter és alap. Az alap a vezérlő elektróda, amely áramot szolgáltat rá, a kollektor áramát vezéreljük. Így egy kis bázisáram segítségével nagy áramot szabályozunk az áramkörben, és a jel megerősítésre kerül.

A bipoláris tranzisztorok közvetlen előremenő (PNP) és fordított vezetőképességű (NPN). Szerkezetüket az alábbiakban mutatjuk be. Általában az alap a félvezető kristály kisebb térfogatát foglalja el.

jellemzői

A bipoláris tranzisztorok fő jellemzői:

• Ic - maximális kollektoráram (nem lehet nagyobb - égni fog);

• Ucemax - maximális feszültség, amelyet a kollektor és az emitter között alkalmazni lehet (ezt nem lehet följebb tenni - eltörni fog);

• Az Ucesat a tranzisztor telítési feszültsége. Feszültségcsökkenés telítettség módban (minél kisebb, annál kevesebb veszteség van nyitott állapotban és a fűtésnél);

• Β vagy H21E - a tranzisztor nyeresége, egyenlő Ik / Ib értékkel. A tranzisztor modelljétől függ. Például 100 nyereségnél, 1 mA alapon áthaladó áramerősség mellett 100 mA áram áramlik át a kollektoron stb.

Érdemes mondani a tranzisztor áramairól, ezek közül három van:

1. Az alapáram.

2. kollektor áram.

3. Emitter áram - tartalmazza az alapáramot és az emitter áramát.

Leggyakrabban az emitter árama azért esik, mert szinte nagyságrendben nem különbözik a kollektoráramtól. Az egyetlen különbség az, hogy a kollektoráram az alapáram értékével kisebb, mint az emitter árama, és azóta A tranzisztorok nagy nyereséggel rendelkeznek (mondjuk 100), akkor 1A áram mellett az emitteren 10 mA áramlik át az alapon, és 990 mA a kollektoron. Egyetértek azzal, hogy ez egy elég kicsi különbség ahhoz, hogy rá fordítson időt elektronika tanulmányozásakor. Ezért a megadott jellemzőkben az Icmax.

Üzemmódok

A tranzisztor különféle üzemmódokban működhet:

1. Telítési mód. Egyszerű szavakkal: ebben az üzemmódban a tranzisztor maximálisan nyitott állapotban van (mindkét átmenet előremenetileg elfogult).

2. A leválasztási mód akkor van, amikor az áram nem áramlik, és a tranzisztor zárva van (mindkét átmenetet ellenkező irányba torzítják).

3. Aktív üzemmód (a kollektor-alap torzítva az ellenkező irányba, és az emitter-alap torzítva az előre irányba).

4. Inverz aktív mód (a kollektor-alap előretolva van, az emitter-alap pedig ellenkező irányban van előfeszített), de ezt ritkán használják.

Tipikus tranzisztor kapcsolási áramkörök

Három tipikus tranzisztoros kapcsolási áramkör létezik:

1. Az általános bázis.

2. Általános kibocsátó.

3. A közös gyűjtő.

A bemeneti áramkört az emitter alapjának, a kimeneti áramkört a kollektor-emitternek kell tekinteni. Míg a bemeneti áram az alapáram, a kimenet pedig a kollektoráram.

A kapcsolási áramkörtől függően erősítjük az áramot vagy a feszültséget.A tankönyvekben szokás, hogy csak az ilyen befogadási sémákat veszik figyelembe, de a gyakorlatban nem tűnnek olyan nyilvánvalónak.

Érdemes megjegyezni, hogy amikor egy áramkört bekapcsolunk egy közös kollektorral, akkor meghosszabbítjuk az áramot, és fázisban (ugyanúgy, mint a bemenet a polaritásban) feszültséget kapunk a bemeneten és a kimeneten, és egy közös emitterrel ellátott áramkörben kapunk feszültséget és inverz feszültségnövekedést (a kimenet invertált input). A cikk végén az ilyen áramköröket szimuláljuk, és ezt világosan látjuk.

Tranzisztor kulcs modellezése

Az első modell, amelyet megvizsgálunk kulcs üzemmódú tranzisztor. Ehhez ki kell építenie egy áramkört, az alábbi ábra szerint. Tegyük fel, hogy belefoglalunk egy 0,1A áramú terhelést is, ennek szerepét a kollektoráramkörbe beépített R3 ellenállás játssza.

Kísérletek eredményeként azt tapasztaltam, hogy a kiválasztott tranzisztor modell h21E értéke körülbelül 20, az MJE13007 adatlapjában pedig 8 és 40 között van.

Az alapáramnak körülbelül 5 mA-nak kell lennie. Az elválasztót úgy kell kiszámítani, hogy az alapáram minimális hatással legyen az elválasztó áramra. Annak érdekében, hogy a megadott feszültség ne úszjon meg, amikor a tranzisztor be van kapcsolva. Ezért a jelenlegi elválasztó 100mA-t állította be.

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

Ez egy számított érték, ennek eredményeként az áramok a következők szerint alakultak ki:

5 mA alapáram mellett a terhelés árama körülbelül 100 mA volt, a feszültség 0,27 V-ra esik a tranzisztoron. A számítások helyesek.

Mit kaptunk?

Vezérlünk egy terhelést, amelynek ára hányszorosa a vezérlőáramot. A további erősítés érdekében megismételheti a kaszkádot, csökkentve ezzel a vezérlőáramot. Vagy használjon másik tranzisztort.

A kollektoráramot a terhelési ellenállás korlátozta, a kísérlethez úgy döntöttem, hogy a terhelési ellenállást 0 Ohm-ra állítom, majd a tranzisztoron átáramló áramot az alapáram és az erősítés határozza meg. Ennek eredményeként az áramok gyakorlatilag nem különböznek egymástól, amint láthatja.

A tranzisztor típusának és erõsségének az áramokra gyakorolt ​​hatásainak nyomon követése érdekében az áramkör paramétereinek megváltoztatása nélkül cseréljük ki.

A tranzisztor MJE13007-ről MJE18006-ra történő cseréje után az áramkör tovább működött, de a tranzisztorra 0,14 V-os csepp esik, ami azt jelenti, hogy ugyanabban az áramban ez a tranzisztor kevesebbre melegszik, mert kiemelkedik hővel

Fazék = 0,14 V * 0,1 A = 0,014 W,

És az előző esetben:

Fogyasztható: 0,27 V * 0,1 A = 0,027 W

A különbség majdnem kétszeres, ha ez a watt tizede nem olyan nagy, képzelje el, mi fog történni több tíz amper árammal, akkor a veszteségek ereje 100-szor növekszik. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a kulcsok túlmelegednek és meghibásodnak.

A fűtés során felszabaduló hő átterjed az eszközön, és problémákat okozhat a szomszédos alkatrészek működésében. Ehhez az összes tápelemet radiátorokra telepítik, és néha aktív hűtőrendszereket (hűtő, folyadék stb.) Használnak.

Ráadásul a hőmérséklet növekedésével a félvezető vezetőképessége növekszik, csakúgy, mint a rajtuk átáramló áram, ami ismét növeli a hőmérsékletet. Az áram és a hőmérséklet növekvő lavinaszerű folyamata végül megöli a kulcsot.

A következtetés a következõ: Minél kisebb a nyitott állapotban a tranzisztor feszültségcsökkenése, annál kevesebb a melegítése és annál nagyobb az egész áramkör hatékonysága.

A feszültségcsökkenés a kulcson kisebb lett annak köszönhetően, hogy egy nagyobb teljesítményű kulcsot, nagyobb nyereséggel helyezünk el annak biztosítása érdekében, hogy eltávolítsuk a terhelést az áramkörről. Ehhez ismét R3 = 0 ohmot állítottam be. A kollektor árama 219 mA lett, az MJE13003-on ugyanabban az áramkörben körülbelül 130 mA volt, ami azt jelenti, hogy a tranzisztor modelljében a H21E kétszer akkora.

Érdemes megjegyezni, hogy egy modell nyeresége egy adott példánytól függően tíz vagy százszor változhat. Ehhez szükség van az analóg áramkörök hangolására és beállítására. Ebben a programban rögzített együtthatókat alkalmazunk a tranzisztor modellekben, ismerem a választott logikát. Az adatlapban szereplő MJE18006-on a maximális H21E arány 36.

Hálózati erősítő szimulációja

Az adott modell megmutatja a kulcs viselkedését, ha váltakozó jelet és egy egyszerű áramkört alkalmaznak annak beépítéséhez az áramkörbe. Ez hasonlít egy zenei erősítő áramkörre.

Általában több ilyen sorozathoz kapcsolódó kaszkádot használnak. A kaszkádok száma és sémái, azok áramkörei az osztálytól függnek, amelyben az erősítő működik (A, B stb.). Szimulálom a legegyszerűbb A osztályú erősítőt, amely lineáris módban működik, valamint a bemeneti és kimeneti feszültség hullámformáit veszem fel.

Az R1 ellenállás beállítja a tranzisztor működési pontját. A tankönyvekben azt írják, hogy meg kell találni egy ilyen pontot a tranzisztor CVC egyenes szakaszában. Ha az előfeszültség túl alacsony, akkor a jel alsó félhulláma torzul.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondenzátorokra van szükség a változó komponens elkülönítéséhez az állandótól. Az R2 ellenállások telepítve vannak a kulcs működési módjának beállításához és az üzemi áramok beállításához. Nézzük meg a hullámformákat. 10mV amplitúdóval és 10 000 Hz frekvenciájú jelet adunk. A kimeneti amplitúdó szinte 2V.

A bíborvörös jelzi a kimeneti hullámformát, a piros jelzi a bemeneti hullámformát.

Felhívjuk figyelmét, hogy a jel fordított, azaz a kimeneti jel invertálva van a bemenethez képest. Ez egy közös emitter áramkör jellemzője. A séma szerint a jelet eltávolítják a kollektorról. Ezért, amikor a tranzisztor kinyílik (amikor a bemeneti jel megemelkedik), a feszültség csökken. Amikor a bemeneti jel csökken, a tranzisztor bezáródni kezd, és a feszültség emelkedni kezd.

Ezt a sémát a jelátviteli minőség szempontjából a legmagasabb minőségűnek tekintik, de ezt a veszteségek erejével kell fizetnie. A helyzet az, hogy olyan állapotban, ahol nincs bemeneti jel, a tranzisztor mindig nyitva van és áramot vezet. Ezután hő szabadul fel:

Ppot = (UKE) / Ik

Az UKE egy csepp egy tranzisztoron bemeneti jel hiányában.

Ez a legegyszerűbb erősítő áramkör, míg bármely más áramkör így működik, csak az elemek csatlakoztatása és kombinációja különbözik egymástól. Például egy B osztályú tranzisztoros erősítő két tranzisztorból áll, amelyek mindegyike a saját félhullámához működik.

Különböző vezetőképességű tranzisztorokat használunk itt:

• VT1 jelentése NPN;

• VT2 - PNP.

A változó bemeneti jel pozitív része nyitja meg a felső tranzisztort, a negatív pedig az alsót.

Ez a séma nagyobb hatékonyságot biztosít, mivel a tranzisztorok teljesen kinyílnak és bezáródnak. Annak a ténynek köszönhető, hogy amikor a jel hiányzik - mindkét tranzisztor zárva van, az áramkör nem fogyaszt áramot, így nincs veszteség.

következtetés

Nagyon fontos megérteni a tranzisztor működését, ha elektronikát fog végezni. Ezen a területen nem csak a sémák összeállításának megtanulására, hanem elemzésére is szükség van. Az eszközök szisztematikus tanulmányozásához és megértéséhez meg kell értenie, hogy hol és hogyan áramlik az áram. Ez elősegíti mind az áramkörök összeszerelését, mind a beállítását és javítását.

Érdemes megjegyezni, hogy szándékosan elhagytam az árnyalatokat és a tényezőket, hogy ne terheljem meg a cikket. Ugyanakkor, a számítások után, még mindig így van vegye fel az ellenállásokat. A modellezésnél ezt könnyű megtenni. De a gyakorlatban mérje meg az áramot és a feszültséget multiméterrel, és ideális esetben szüksége van rá oszcilloszkóphogy ellenőrizze, hogy a bemeneti és a kimeneti hullámformák megegyeznek-e, különben torzulások lépnek fel.