Bipolaire transistors: circuits, modi, modellering

De transistor verscheen in 1948 (1947), dankzij het werk van drie ingenieurs en Shockley, Bradstein, Bardin. In die dagen werd nog niet op hun snelle ontwikkeling en populariteit gelet. In de Sovjetunie werd het prototype van de transistor in 1949 door het Krasilov-laboratorium aan de wetenschappelijke wereld gepresenteerd, het was de C1-C4-triode (germanium). De term transistor verscheen later, in de jaren 50 of 60.

Ze werden echter op grote schaal gebruikt in de late jaren 60 en vroege jaren 70, toen draagbare radio's in de mode kwamen. Trouwens, ze worden al lang de "transistor" genoemd. Deze naam bleef hangen vanwege het feit dat ze elektronische buizen hebben vervangen door halfgeleiderelementen, wat een revolutie in de radiotechniek heeft veroorzaakt.

Wat is een halfgeleider?

Transistoren zijn gemaakt van halfgeleidermaterialen, bijvoorbeeld silicium, germanium was voorheen populair, maar nu wordt het zelden gevonden vanwege de hoge kosten en slechtere parameters, in termen van temperatuur en andere dingen.

Halfgeleiders zijn materialen die een geleider zijn tussen geleiders en diëlektrica. Hun weerstand is een miljoen keer groter dan geleiders en honderden miljoenen keren minder dan diëlektrica. Om de stroom erdoorheen te laten vloeien, is het bovendien noodzakelijk om een ​​spanning aan te leggen die de bandafstand overschrijdt, zodat de ladingsdragers van de valentieband naar de geleidingsband gaan.

De geleiders van de verboden zone zijn niet als zodanig aanwezig. Een ladingsdrager (elektron) kan niet alleen onder invloed van externe spanning, maar ook van warmte in de geleidingsband bewegen - dit wordt thermische stroom genoemd. De stroom veroorzaakt door de bestraling van de lichtstroom van de halfgeleider wordt de fotostroom genoemd. Fotoresistors, fotodiodes en andere lichtgevoelige elementen werken volgens dit principe.

Kijk ter vergelijking naar die in diëlektrica en geleiders:

Vrij duidelijk. De diagrammen laten zien dat diëlektrica nog steeds stroom kan geleiden, maar dit gebeurt na het overwinnen van de verboden zone. In de praktijk wordt dit diëlektrische doorslagspanning genoemd.

Het verschil tussen germanium- en siliciumstructuren is dus dat voor germanium de bandafstand in de orde van 0,3 eV (elektronvolt) ligt en die van silicium meer dan 0,6 eV is. Enerzijds veroorzaakt dit meer verliezen, maar het gebruik van silicium is te wijten aan technologische en economische factoren.

Als gevolg van dotering ontvangt een halfgeleider extra ladingsdragers positief (gaten) of negatief (elektronen), dit wordt een p- of n-type halfgeleider genoemd. Je hebt misschien de uitdrukking 'pn junction' gehoord. Dus dit is de grens tussen halfgeleiders van verschillende typen. Als gevolg van de beweging van ladingen, de vorming van geïoniseerde deeltjes van elk type onzuiverheid naar de hoofdhalfgeleider, vormt een potentiële barrière, het laat de stroom niet in beide richtingen stromen, meer hierover wordt beschreven in het boek "De transistor is eenvoudig.".

De introductie van extra ladingsdragers (dotering van halfgeleiders) maakte het mogelijk om halfgeleiderapparaten te maken: diodes, transistors, thyristors, enz. Het eenvoudigste voorbeeld is een diode, waarvan we de werking hebben onderzocht in het vorige artikel.

Als u een spanning toepast in een voorwaartse voorspanning, d.w.z. Ik zal positief naar de p-regio stromen, en een negatieve stroom zal naar de n-regio stromen, en als het tegenovergestelde waar is, zal de stroom niet stromen. Het feit is dat met directe voorspanning de belangrijkste ladingsdragers van het p-gebied (gat) positief zijn en afstoten van het positieve potentieel van de stroombron, neigen naar het gebied met een negatiever potentieel.

Tegelijkertijd stoten negatieve dragers van het n-gebied af van de negatieve pool van de stroombron. Beide dragers neigen naar de interface (pn junction).De overgang wordt smaller en dragers overwinnen de potentiële barrière en verplaatsen zich in gebieden met tegengestelde ladingen, waar ze met hen combineren ...

Als een omgekeerde voorspanning wordt aangelegd, bewegen de positieve dragers van het p-gebied naar de negatieve elektrode van de krachtbron, en bewegen de elektronen van het n-gebied naar de positieve elektrode. De overgang wordt groter, de stroom vloeit niet.

Als u niet op details ingaat, is dit voldoende om de processen te begrijpen die zich in een halfgeleider voordoen.

Voorwaardelijke grafische aanduiding van de transistor

In de Russische Federatie wordt een dergelijke transistoraanduiding overgenomen, zoals u op de onderstaande afbeelding ziet. De collector is zonder pijl, de emitter is met een pijl en de basis staat loodrecht op de lijn tussen de emitter en de collector. De pijl op de zender geeft de stroomrichting aan (van plus tot min). Voor de NPN-structuur wordt de emitterpijl van de basis en voor de PNP naar de basis gericht.

Bovendien wordt dezelfde aanduiding vaak gevonden in schema's, maar zonder cirkel. De standaardletteraanduiding is "VT" en het nummer op volgorde in het diagram, soms schrijven ze gewoon "T".

 

Afbeelding van transistors zonder cirkel

Wat is een transistor?

Een transistor is een actieve halfgeleiderinrichting die is ontworpen om een ​​signaal te versterken en oscillaties te genereren. Hij verving de vacuümbuizen - triodes. Transistors hebben meestal drie poten - een collector, emitter en basis. De basis is de stuurelektrode, die stroom levert, wij regelen de collectorstroom. Dus regelen we met behulp van een kleine basisstroom grote stromen in het stroomcircuit en wordt het signaal versterkt.

Bipolaire transistoren zijn direct forward (PNP) en reverse conductivity (NPN). Hun structuur is hieronder afgebeeld. Typisch neemt de basis een kleiner volume van het halfgeleiderkristal in.

kenmerken van

De belangrijkste kenmerken van bipolaire transistoren:

• Ic - maximale collectorstroom (kan niet hoger zijn - deze zal branden);

• Ucemax - maximale spanning die kan worden aangelegd tussen de collector en de zender (het is onmogelijk om erboven - het zal breken);

• Ucesat is de verzadigingsspanning van de transistor. Spanningsval in verzadigingsmodus (hoe kleiner, hoe minder verliezen in open toestand en verwarming);

• Β of H21E - versterking van de transistor, gelijk aan Ik / Ib. Hangt af van het transistormodel. Bijvoorbeeld, bij een versterking van 100, bij een stroom door de basis van 1 mA, zal een stroom van 100 mA door de collector vloeien, enz.

Het is de moeite waard om te zeggen over de transistorstromen, er zijn er drie:

1. De basisstroom.

2. Collectorstroom.

3. Zenderstroom - bevat de basisstroom en zenderstroom.

Meestal daalt de emitterstroom omdat het verschilt bijna niet van de collectorstroom in grootte. Het enige verschil is dat de collectorstroom kleiner is dan de emitterstroom door de waarde van de basisstroom en sindsdien transistors hebben een hoge versterking (zeg 100), vervolgens stroomt bij een stroom van 1A door de emitter 10mA door de basis en 990mA door de collector. Mee eens, dit is een klein genoeg verschil om er tijd aan te besteden bij het bestuderen van elektronica. Daarom, in de kenmerken en aangegeven Icmax.

Bedrijfsmodi

De transistor kan in verschillende modi werken:

1. Verzadigingsmodus. In eenvoudige woorden, dit is de modus waarin de transistor zich in de maximale open toestand bevindt (beide overgangen zijn voorgespannen in de voorwaartse richting).

2. De cutoff-modus is wanneer de stroom niet vloeit en de transistor gesloten is (beide overgangen staan ​​onder voorspanning in de tegenovergestelde richting).

3. Actieve modus (collectorbasis is vooringenomen in de tegenovergestelde richting, en de zenderbasis is vooringenomen in de voorwaartse richting).

4. Omgekeerde actieve modus (collectorbasis is bevooroordeeld in de voorwaartse richting, en de zenderbasis is bevooroordeeld in de tegenovergestelde richting), maar het wordt zelden gebruikt.

Typische transistor schakelcircuits

Er zijn drie typische transistorschakelschakelingen:

1. De algemene basis.

2. Algemene zender.

3. De gemeenschappelijke verzamelaar.

Het ingangscircuit wordt beschouwd als de emitterbasis en het uitgangscircuit is de collector-emitter. Terwijl de ingangsstroom de basisstroom is en de uitgang respectievelijk de collectorstroom.

Afhankelijk van het schakelcircuit versterken we de stroom of spanning.In studieboeken is het gebruikelijk om dergelijke inclusieschema's te overwegen, maar in de praktijk zien ze er niet zo vanzelfsprekend uit.

Het is vermeldenswaard dat wanneer we worden aangesloten op een circuit met een gemeenschappelijke collector, we de stroom versterken en in fase (hetzelfde als de ingang in polariteit) spanning aan de ingang en uitgang krijgen, en in het circuit met een gemeenschappelijke emitter, we de spanning en omgekeerde spanningsversterking krijgen (de uitgang is omgekeerd ten opzichte van input). Aan het einde van het artikel zullen we dergelijke circuits simuleren en dit duidelijk zien.

Transistor Key Modelling

Het eerste model dat we zullen bekijken is key mode transistor. Om dit te doen, moet u een circuit bouwen zoals in de onderstaande afbeelding. Stel dat we een belasting met een stroom van 0,1 A opnemen, de rol wordt gespeeld door de weerstand R3 die in het collectorcircuit is geïnstalleerd.

Als resultaat van experimenten ontdekte ik dat de h21E van het geselecteerde transistormodel trouwens ongeveer 20 is in het gegevensblad op MJE13007, van 8 tot 40.

Basisstroom moet ongeveer 5 mA zijn. De deler wordt zo berekend dat de basisstroom een ​​minimaal effect heeft op de delerstroom. Zodat de opgegeven spanning niet zweeft wanneer de transistor wordt ingeschakeld. Daarom heeft de huidige deler 100mA ingesteld.

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

Dit is een berekende waarde, de stromen als gevolg hiervan zijn als volgt uitgekomen:

Met een basisstroom van 5 mA was de stroom in de belasting ongeveer 100 mA, de spanning daalt tot 0,27 V. De transistor is correct.

Wat hebben we gekregen?

We kunnen een belasting regelen waarvan de stroom 20 keer de stuurstroom is. Om verder te versterken, kunt u de cascade dupliceren, waardoor de stuurstroom wordt verminderd. Of gebruik een andere transistor.

De collectorstroom werd beperkt door de belastingsweerstand, voor het experiment besloot ik om de belastingsweerstand 0 Ohm te maken, waarna de stroom door de transistor wordt ingesteld door de basisstroom en versterking. Als gevolg hiervan verschillen de stromingen praktisch niet, zoals u kunt zien.

Om het effect van het type transistor en zijn versterking op stromen te volgen, vervangen we het zonder de circuitparameters te wijzigen.

Na het vervangen van de transistor van MJE13007 naar MJE18006, bleef het circuit werken, maar viel 0,14 V op de transistor, wat betekent dat deze transistor bij dezelfde stroom minder zal opwarmen, omdat zal opvallen in warmte

Pot = 0,14 V * 0,1 A = 0,014 W,

En in het vorige geval:

Potprevious = 0.27V * 0.1A = 0.027W

Het verschil is bijna tweeledig, als het niet zo significant is bij tienden van watt, stel je voor wat er zal gebeuren bij stromen van tientallen ampères, dan zal de kracht van verliezen 100 keer toenemen. Dit leidt ertoe dat de toetsen oververhit raken en falen.

De warmte die vrijkomt tijdens het verwarmen, verspreidt zich door het apparaat en kan problemen veroorzaken bij de werking van aangrenzende componenten. Hiervoor worden alle voedingselementen op radiatoren geïnstalleerd en soms worden actieve koelsystemen (koeler, vloeistof, enz.) Gebruikt.

Bovendien neemt bij stijgende temperatuur de geleidbaarheid van de halfgeleider toe, evenals de stroom die erdoorheen stroomt, wat weer een toename van de temperatuur veroorzaakt. Het lawine-achtige proces van het verhogen van stroom en temperatuur zal uiteindelijk de sleutel doden.

De conclusie is deze: hoe kleiner de spanningsval over de transistor in de open toestand, hoe minder de verwarming en hoe hoger de efficiëntie van het hele circuit.

De spanningsval op de sleutel werd kleiner vanwege het feit dat we een krachtigere sleutel, met een hogere versterking, plaatsen om hier zeker van te zijn, we de belasting van het circuit verwijderen. Om dit te doen, stel ik opnieuw R3 = 0 Ohm in. De collectorstroom werd 219mA, op de MJE13003 in hetzelfde circuit was deze ongeveer 130mA, wat betekent dat de H21E in het model van deze transistor twee keer zo groot is.

Het is vermeldenswaard dat de winst van één model, afhankelijk van een bepaald exemplaar, tientallen of honderden keren kan variëren. Dit vereist het afstemmen en aanpassen van analoge circuits. In dit programma worden vaste coëfficiënten gebruikt in transistormodellen, ik ken de logica van hun keuze. Op de MJE18006 in de datasheet is de maximale H21E-ratio 36.

AC-versterkersimulatie

Het gegeven model toont het gedrag van de sleutel als er een alternerend signaal en een eenvoudig circuit voor opname in het circuit op worden toegepast. Het lijkt op een muzikaal eindversterkercircuit.

Gewoonlijk gebruiken ze verschillende van dergelijke in serie geschakelde cascades. Het aantal en schema's van cascades, hun stroomcircuits hangen af ​​van de klasse waarin de versterker werkt (A, B, enz.). Ik simuleer de eenvoudigste Klasse A-versterker, die in lineaire modus werkt, en neem golfvormen van ingangs- en uitgangsspanning.

Weerstand R1 stelt het werkpunt van de transistor in. In de studieboeken schrijven ze dat je zo'n punt moet vinden op een recht segment van de CVC van de transistor. Als de voorspanning te laag is, wordt de onderste halve golf van het signaal vervormd.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Condensatoren zijn nodig om de variabele component van de constante te scheiden. Weerstanden R2 worden geïnstalleerd om de bedrijfsmodus van de sleutel in te stellen en de bedrijfsstromen in te stellen. Laten we eens kijken naar de golfvormen. We geven een signaal met een amplitude van 10mV en een frequentie van 10.000 Hz. De uitgangsamplitude is bijna 2V.

Magenta geeft de golfvorm aan, rood geeft de golfvorm aan.

Let op: het signaal is omgekeerd, d.w.z. het uitgangssignaal is omgekeerd ten opzichte van de ingang. Dit is een kenmerk van een gemeenschappelijk emittercircuit. Volgens het schema wordt het signaal uit de collector verwijderd. Daarom zal, wanneer de transistor wordt geopend (wanneer het ingangssignaal stijgt), de spanning erover dalen. Wanneer het ingangssignaal daalt, begint de transistor te sluiten en begint de spanning te stijgen.

Dit schema wordt beschouwd als de hoogste kwaliteit in termen van signaaltransmissiekwaliteit, maar je moet hiervoor betalen met de kracht van verliezen. Het feit is dat in een toestand waarin geen signaal wordt ingevoerd, de transistor altijd open is en stroom geleidt. Vervolgens komt warmte vrij:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE is een druppel op een transistor bij afwezigheid van een ingangssignaal.

Dit is het eenvoudigste versterkercircuit, terwijl elk ander circuit op deze manier werkt, alleen de verbinding van de elementen en hun combinatie is anders. Een klasse B-transistorversterker bestaat bijvoorbeeld uit twee transistoren, die elk voor hun eigen halve golf werken.

Transistors van verschillende geleidbaarheden worden hier gebruikt:

• VT1 is NPN;

• VT2 - PNP.

Het positieve deel van het variabele ingangssignaal opent de bovenste transistor en het negatieve - de onderste.

Dit schema geeft meer efficiëntie vanwege het feit dat de transistoren volledig openen en sluiten. Vanwege het feit dat wanneer het signaal afwezig is - beide transistoren gesloten zijn, het circuit geen stroom verbruikt, dus er zijn geen verliezen.

conclusie

Het begrijpen van de werking van de transistor is erg belangrijk als je elektronica gaat doen. Op dit gebied is het niet alleen belangrijk om schema's te leren samenstellen, maar ook om ze te analyseren. Voor een systematische studie en begrip van apparaten, moet u begrijpen waar en hoe stromingen zullen stromen. Dit helpt zowel bij de montage als bij het aanpassen en repareren van circuits.

Het is vermeldenswaard dat ik opzettelijk veel van de nuances en factoren heb weggelaten om het artikel niet te overbelasten. Tegelijkertijd is het na de berekeningen nog steeds neem weerstanden op. Bij het modelleren is dit eenvoudig te doen. Maar in de praktijk meet stromen en spanningen met een multimeter, en idealiter nodig oscilloscoopom te controleren of de invoer- en uitvoergolfvormen overeenkomen, anders krijgt u vervorming.