Transistor Bipolar: Litar, Mod, Pemodelan

Transistor muncul pada tahun 1948 (1947), berkat karya tiga jurutera dan Shockley, Bradstein, Bardin. Pada masa itu, perkembangan pesat dan popularisasi mereka belum dijangka. Di Kesatuan Soviet pada tahun 1949, prototaip transistor telah dibentangkan ke dunia saintifik oleh makmal Krasilov, ia adalah trioda C1-C4 (germanium). Istilah transistor muncul kemudian, pada tahun 50an atau 60an.

Walau bagaimanapun, mereka mendapati penggunaan yang meluas pada lewat 60-an, awal 70-an, apabila radio mudah alih menjadi fesyen. By the way, mereka telah lama dikenali sebagai "transistor". Nama ini terperangkap kerana fakta bahawa mereka menggantikan tiub elektronik dengan elemen semikonduktor, yang menyebabkan revolusi dalam bidang kejuruteraan radio.

Apakah semikonduktor?

Transistor diperbuat daripada bahan semikonduktor, contohnya, silikon, germanium sebelum ini popular, tetapi kini jarang dijumpai, kerana kosnya yang tinggi dan parameter yang lebih buruk, dari segi suhu dan lain-lain.

Semikonduktor adalah bahan yang menempati tempat di antara konduktor dan dielektrik dalam konduktiviti. Ketahanan mereka adalah sejuta kali lebih besar daripada konduktor, dan ratusan juta kali kurang daripada dielektrik. Di samping itu, agar arus mula mengalir melalui mereka, adalah perlu untuk menggunakan voltan melebihi jurang band supaya pembawa caj bergerak dari jalur valensi ke jalur konduksi.

Konduktor zon terlarang tidak hadir demikian. Pengangkut caj (elektron) boleh bergerak ke dalam jalur konduksi bukan sahaja di bawah pengaruh voltan luaran, tetapi juga dari haba - ini dipanggil arus terma. Arus yang disebabkan oleh penyinaran aliran cahaya semikonduktor dipanggil fotokopi. Photoresistors, fotodiodi dan unsur-unsur fotosensitif yang lain berfungsi dengan prinsip ini.

Sebagai perbandingan, lihat di dalam dielektrik dan konduktor:

Cukup jelas. Gambar rajah menunjukkan bahawa dielektrik masih boleh menjalankan arus, tetapi ini berlaku selepas mengatasi zon terlarang. Dalam amalan, ini dipanggil voltan kerosakan dielektrik.

Oleh itu, perbezaan antara struktur germanium dan silikon adalah bahawa untuk germanium jurang band adalah pesanan 0.3 eV (voltan elektron), dan silikon lebih daripada 0.6 eV. Di satu pihak, ini menyebabkan lebih banyak kerugian, tetapi penggunaan silikon adalah disebabkan oleh faktor teknologi dan ekonomi.

Hasil daripada doping, semikonduktor menerima pembawa caj tambahan positif (lubang) atau negatif (elektron), ini dipanggil semikonduktor p-atau n-jenis. Anda mungkin pernah mendengar frasa "persimpangan pn." Jadi ini adalah sempadan antara semikonduktor pelbagai jenis. Hasil daripada pergerakan tuduhan, pembentukan zarah terion setiap jenis kekotoran ke semikonduktor utama, bentuk penghalang yang berpotensi, ia tidak membenarkan arus mengalir dalam kedua-dua arah, lebih lanjut mengenai hal ini dijelaskan dalam buku "Transistor mudah.".

Pengenalan pembawa caj tambahan (doping semikonduktor) memungkinkan untuk mencipta peranti semikonduktor: diod, transistor, thyristor, dan lain-lain. Contoh paling mudah ialah diod, operasi yang kami periksa dalam artikel sebelumnya.

Jika anda menggunakan voltan dalam kecenderungan ke hadapan, i.e. Saya akan mengalir secara positif ke kawasan r, dan arus negatif akan mengalir ke rantau n, dan sebaliknya, arus tidak akan mengalir. Hakikatnya adalah dengan kecenderungan langsung, pembawa caj utama di rantau (lubang) adalah positif, dan menangkis dari potensi positif sumber kuasa, cenderung ke rantau ini dengan potensi yang lebih negatif.

Pada masa yang sama, pembawa negatif di wilayah n ditolak dari kutub negatif sumber kuasa. Kedua-dua syarikat penerbangan cenderung kepada persimpangan (persimpangan pn).Peralihan semakin sempit, dan syarikat penerbangan mengatasi halangan yang berpotensi, bergerak di kawasan dengan caj yang bertentangan, di mana mereka bergabung dengan mereka ...

Sekiranya voltan bias terbalik digunakan, maka pembawa positif r-rantau bergerak ke arah elektrod negatif sumber kuasa, dan elektron-elektron dari rantau n-rantau bergerak ke arah elektrod positif. Peralihan mengembang, arus tidak mengalir.

Sekiranya anda tidak membuat butiran, ini cukup untuk memahami proses-proses yang berlaku dalam semikonduktor.

Penentuan graf bersyarat transistor

Di Persekutuan Rusia, sebutan transistor seperti itu dapat diguna pakai seperti yang anda lihat dalam gambar di bawah. Pemungut tanpa anak panah, pemancar adalah dengan anak panah, dan pangkalan itu berserenjang dengan garis antara pemancar dan pengumpul. Anak panah pada pemancar menandakan arah aliran semasa (dari tambah ke tolak). Untuk struktur NPN, anak panah pemancar diarahkan dari pangkalan, dan untuk PNP, ia diarahkan ke pangkalan.

Selain itu, penamaan yang sama sering dijumpai dalam skim, tetapi tanpa bulatan. Penandaan surat standard ialah "VT" dan nombor dalam susunan pada rajah, kadangkala mereka hanya menulis "T".

 

Imej transistor tanpa bulatan

Apakah transistor?

Transistor adalah peranti semikonduktor aktif yang direka untuk menguatkan isyarat dan menghasilkan ayunan. Dia menggantikan tiub vakum - trioda. Transistor biasanya mempunyai tiga kaki - pengumpul, pemancar dan pangkalan. Asas adalah elektrod kawalan, membekalkan arus padanya, kita mengawal arus pengumpul. Oleh itu, dengan bantuan arus asas kecil, kita mengawal arus besar dalam litar kuasa, dan isyarat itu diperkuatkan.

Transistor bipolar adalah ke hadapan langsung (PNP) dan konduktiviti terbalik (NPN). Struktur mereka digambarkan di bawah. Biasanya, pangkalan itu menduduki jumlah yang lebih kecil daripada kristal semikonduktor.

Ciri-ciri

Ciri-ciri utama transistor bipolar:

• Ic - semasa pemungut maksimum (tidak boleh lebih tinggi - ia akan membakar);

• Ucemax - voltan maksimum yang boleh diaplikasikan di antara pemungut dan pemancar (tidak mungkin di atas - ia akan pecah);

• Ucesat ialah voltan tepu transistor. Penurunan voltan dalam mod tepu (yang lebih kecil, kerugian yang kurang dalam keadaan terbuka dan pemanasan);

• Β atau H21E - keuntungan daripada transistor, sama dengan Ik / Ib. Bergantung pada model transistor. Sebagai contoh, pada keuntungan sebanyak 100, pada arus melalui pangkalan 1 mA, arus 100 mA akan mengalir melalui pemungut, dsb.

Perlu dikatakan tentang arus transistor, terdapat tiga daripada mereka:

1. Aras pangkalan.

2. Pengumpul semasa.

3. Pemancar semasa - mengandungi arus pangkalan dan arus pemancar.

Selalunya, semasa pemancar jatuh kerana ia hampir tidak berbeza daripada arus pemungut dalam magnitud. Satu-satunya perbezaan ialah arus pemungut adalah kurang daripada arus pemancar dengan nilai pangkalan arus, dan sejak itu transistor mempunyai keuntungan yang tinggi (katakan 100), kemudian pada arus 1A melalui pemancar, 10mA akan mengalir melalui pangkalan, dan 990mA melalui pemungut. Setuju, ini adalah perbezaan yang cukup kecil untuk meluangkan masa apabila mengkaji elektronik. Oleh itu, dalam ciri-ciri dan menunjukkan Icmax.

Mod operasi

Transistor boleh berfungsi dalam mod yang berbeza:

1. Mod tepu. Dalam kata yang mudah, ini adalah mod yang mana transistor berada dalam keadaan terbuka maksimum (kedua-dua peralihan adalah berat sebelah pada arah hadapan).

2. Mod pemotongan adalah apabila arus tidak mengalir dan transistor ditutup (kedua-dua peralihan adalah berat sebelah arah yang bertentangan).

3. Mod aktif (pangkalan pemungut adalah berat sebelah arah yang bertentangan, dan pangkalan pemancar bias di arah hadapan).

4. Mod aktif songsang (pangkalan pengumpul adalah berat sebelah arah ke hadapan, dan pangkalan pemancar adalah berat sebelah arah yang bertentangan), tetapi jarang digunakan.

Litar pensuisan beralih biasa

Terdapat tiga sirkuit yang beralih transistor biasa:

1. Pangkalan umum.

2. Pengangkut am.

3. Pemungut biasa.

Litar input dianggap sebagai pangkalan pemancar, dan litar output adalah pemancar pemancar. Manakala arus input adalah arus pangkalan, dan output adalah arus pemungut, masing-masing.

Bergantung kepada litar beralih, kita menguatkan arus atau voltan.Dalam buku teks, adalah kebiasaan untuk mempertimbangkan skim kemasukan sedemikian, tetapi dalam praktiknya mereka tidak kelihatan begitu jelas.

Perlu diingat bahawa apabila kita menghidupkan litar dengan pemungut biasa, kita menguatkan arus dan mendapatkan in-phase (sama dengan masukan dalam polariti) voltan pada input dan output, dan dalam litar dengan pemancar biasa kita mendapat voltan dan voltan yang diperolehi (output terbalik berbanding dengan input). Pada akhir artikel, kita akan mensimulasikan litar seperti ini dan dengan jelas melihatnya.

Pemodelan Utama Transistor

Model pertama yang akan kita lihat ialah transistor mod utama. Untuk melakukan ini, anda perlu membina litar seperti dalam gambar di bawah. Katakan kita akan memasukkan beban dengan arus 0.1A, peranannya akan dimainkan oleh perintang R3 yang dipasang di litar pemungut.

Hasil daripada eksperimen, saya mendapati bahawa h21E model transistor yang dipilih adalah sekitar 20, dengan cara itu, dalam datasheet pada MJE13007 ia mengatakan dari 8 hingga 40.

Arus pangkalan harus sekitar 5mA. Pembahagi dikira supaya arus asas mempunyai kesan minima pada arus pembahagi. Jadi voltan yang dinyatakan tidak terapung apabila transistor dihidupkan. Oleh itu, pembahagi semasa menetapkan 100mA.

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

Ini adalah nilai yang dikira, arus akibat dari ini keluar seperti berikut:

Dengan arus asas 5mA, semasa dalam beban adalah kira-kira 100mA, voltan jatuh ke 0.27V pada transistor. Pengiraan adalah betul.

Apa yang kita dapat?

Kita boleh mengawal beban yang arusnya adalah 20 kali arus kawalan. Untuk menguatkan lagi, anda boleh menduplikasi lata, mengurangkan arus kawalan. Atau gunakan transistor lain.

Arus pengumpul adalah terhad oleh rintangan beban, untuk eksperimen yang saya memutuskan untuk membuat rintangan beban 0 Ohm, maka arus melalui transistor ditetapkan oleh arus asas dan keuntungan. Akibatnya, arus praktikal tidak berbeza, seperti yang anda lihat.

Untuk mengesan kesan jenis transistor dan keuntungan pada arus, kita menggantikannya tanpa mengubah parameter litar.

Selepas menggantikan transistor dari MJE13007 hingga MJE18006, litar terus berfungsi, tetapi 0.14 V jatuh pada transistor, yang bermaksud bahawa pada arus yang sama, transistor ini akan menjadi panas kurang, kerana akan menonjol dalam keadaan panas

Pot = 0.14V * 0.1A = 0.014W,

Dan dalam kes yang terdahulu:

Potprevious = 0.27V * 0.1A = 0.027W

Perbezaannya hampir dua kali ganda, jika tidak begitu penting pada sepuluh watt, bayangkan apa yang akan terjadi pada arus puluhan amperes, maka kuasa kerugian akan meningkat 100 kali. Ini membawa kepada hakikat bahawa kunci terlalu panas dan gagal.

Haba yang dikeluarkan semasa pemanasan merebak melalui peranti dan boleh menyebabkan masalah dalam operasi komponen jiran. Untuk ini, semua elemen kuasa dipasang pada radiator, dan kadang-kadang sistem penyejukan aktif (sejuk, cair, dan sebagainya) digunakan.

Di samping itu, dengan suhu yang semakin meningkat, kekonduksian semikonduktor bertambah, begitu juga arus yang mengalir melalui mereka, yang sekali lagi menyebabkan peningkatan suhu. Proses menyerupai seperti salji runtuh akan membunuh kunci.

Kesimpulannya ialah: Lebih kecil kejatuhan voltan melintasi transistor dalam keadaan terbuka, kurang pemanasannya dan semakin tinggi kecekapan litar keseluruhannya.

Penurunan voltan pada kekunci menjadi lebih kecil disebabkan oleh fakta bahawa kami meletakkan kunci yang lebih kuat, dengan keuntungan yang lebih tinggi, untuk memastikan ini, kami mengeluarkan beban dari litar. Untuk melakukan ini, saya sekali lagi menetapkan R3 = 0 Ohms. Pengumpul semasa menjadi 219mA, pada MJE13003 dalam litar yang sama ia adalah kira-kira 130mA, yang bermaksud bahawa H21E dalam model transistor ini dua kali lebih besar.

Perlu diingat bahawa keuntungan satu model, bergantung pada contoh tertentu, boleh berubah mengikut puluhan atau ratusan kali. Ini memerlukan penalaan dan penyesuaian litar analog. Dalam program ini, koefisien tetap digunakan dalam model transistor, saya tahu logik pilihan mereka. Pada MJE18006 dalam datasheet, nisbah maksimum H21E ialah 36.

Simulasi penguat AC

Model yang diberikan memaparkan tingkah laku kunci jika isyarat bersilih ganti dan litar mudah untuk kemasukannya dalam litar dikenakan kepadanya. Ia menyerupai litar penguat kuasa muzik.

Biasanya mereka menggunakan beberapa cascade yang disambungkan siri sedemikian. Nombor dan skema cascades, litar kuasa mereka bergantung kepada kelas di mana penguat beroperasi (A, B, dan sebagainya). Saya akan mensimulasikan penguat kelas yang paling sederhana, yang beroperasi dalam mod linear, serta mengambil bentuk gelombang input dan voltan output.

Resistor R1 menetapkan titik operasi transistor. Dalam buku teks mereka menulis bahawa anda perlu mencari titik sedemikian pada segmen lurus CVC transistor. Jika voltan bias terlalu rendah, gelombang separuh gelombang isyarat akan diputarbelitkan.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kapasitor diperlukan untuk memisahkan komponen berubah dari pemalar. Resistor R2 dipasang untuk menetapkan mod operasi kunci dan menetapkan arus operasi. Mari kita lihat bentuk gelombang. Kami memberi isyarat dengan amplitud 10mV dan kekerapan 10,000 Hz. Amplitud keluaran hampir 2V.

Magenta menunjukkan bentuk gelombang output, merah menandakan isyarat masukan.

Sila ambil perhatian bahawa isyarat terbalik, iaitu isyarat output terbalik berbanding dengan input. Ini adalah ciri litar pemancar biasa. Menurut skema itu, isyarat dikeluarkan dari pemungut. Oleh itu, apabila transistor dibuka (apabila isyarat input meningkat), voltan di seluruhnya akan jatuh. Apabila isyarat input jatuh, transistor mula ditutup dan voltan mula meningkat.

Skim ini dianggap sebagai kualiti tertinggi dari segi kualiti penghantaran isyarat, tetapi anda perlu membayar untuk ini dengan kuasa kerugian. Faktanya ialah dalam keadaan di mana tiada isyarat adalah input, transistor sentiasa terbuka dan menjalankan arus. Kemudian haba dilepaskan:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE adalah penurunan pada transistor jika tiada isyarat input.

Ini adalah litar penguat yang paling mudah, manakala mana-mana litar lain berfungsi dengan cara yang sama, hanya sambungan unsur-unsur dan kombinasi mereka adalah berbeza. Contohnya, penguat transistor Kelas B terdiri daripada dua transistor, masing-masing berfungsi untuk separuh gelombang sendiri.

Transistor dari kelakuan yang berbeza digunakan di sini:

• VT1 adalah NPN;

• VT2 - PNP.

Bahagian positif dari isyarat input pembolehubah membuka transistor atas, dan negatif - yang lebih rendah.

Skim ini memberikan kecekapan yang lebih besar disebabkan oleh fakta bahawa transistor terbuka dan ditutup sepenuhnya. Kerana kenyataan bahawa apabila isyarat tidak hadir - kedua-dua transistor ditutup, litar tidak menggunakan arus, jadi tidak ada kerugian.

Kesimpulannya

Memahami operasi transistor adalah sangat penting jika anda akan melakukan elektronik. Dalam bidang ini, adalah penting bukan sahaja untuk mempelajari cara memasang skema, tetapi juga untuk menganalisisnya. Untuk kajian sistematik dan pemahaman peranti, anda perlu memahami di mana dan bagaimana arus akan mengalir. Ini akan membantu kedua-dua perhimpunan dan penyesuaian dan pembaikan litar.

Perlu diingat bahawa saya dengan sengaja mengabaikan banyak nuansa dan faktor supaya tidak memuatkan artikel itu. Pada masa yang sama, selepas pengiraan, masih ada mengambil resistor. Dalam pemodelan, ini mudah dilakukan. Tetapi dalam amalan mengukur arus dan voltan dengan multimeter, dan sangat diperlukan oscilloscopeuntuk memeriksa sama ada padanan input dan output gelombang, jika tidak, anda akan mempunyai herotan.