Tranzistoare bipolare: circuite, moduri, modelare

Tranzistorul a apărut în 1948 (1947), datorită muncii a trei ingineri și Shockley, Bradstein, Bardin. În acele zile, dezvoltarea rapidă și popularizarea lor nu erau încă anticipate. În 1949, în Uniunea Sovietică, prototipul tranzistorului a fost prezentat lumii științifice de către laboratorul Krasilov, era un triod C1-C4 (germaniu). Termenul de tranzistor a apărut mai târziu, în anii 50 sau 60.

Cu toate acestea, au găsit o utilizare pe scară largă la sfârșitul anilor '60, începutul anilor '70, când au intrat la modă radiouri portabile. Apropo, au fost numiți de mult „tranzistorul”. Acest nume s-a blocat datorită faptului că au înlocuit tuburile electronice cu elemente semiconductoare, ceea ce a provocat o revoluție în inginerie radio.

Ce este un semiconductor?

Tranzistoarele sunt fabricate din materiale semiconductoare, de exemplu, din siliciu, germaniul era anterior popular, dar acum se găsește rar, datorită costurilor ridicate și parametrilor mai răi, în ceea ce privește temperatura și alte lucruri.

Semiconductorii sunt materiale care ocupă un loc între conductori și dielectrici în conductivitate. Rezistența lor este de un milion de ori mai mare decât conductorii și de sute de milioane de ori mai mică decât dielectrica. În plus, pentru ca curentul să înceapă să curgă prin ele, este necesar să se aplice o tensiune care să depășească distanța de bandă, astfel încât purtătorii de încărcare să se deplaseze de la banda de valență la banda de conducere.

Conductoarele zonei interzise nu sunt prezente ca atare. Un purtător de sarcină (electron) se poate deplasa în banda de conducere nu numai sub influența tensiunii externe, ci și din căldură - aceasta se numește curent termic. Curentul cauzat de iradierea fluxului de lumină al semiconductorului se numește fotocurent. Fotorezistori, fotodioduri iar alte elemente fotosensibile funcționează pe acest principiu.

Pentru comparație, uitați-vă la cele din dielectrice și conductoare:

Destul de evident. Diagramele arată că dielectricele mai pot conduce curent, dar acest lucru se întâmplă după depășirea zonei interzise. În practică, aceasta se numește tensiune de defecțiune dielectrică.

Deci, diferența dintre structurile de germaniu și siliciu este că, pentru germaniu, intervalul de bandă este de ordinul 0,3 eV (electroni volți), iar cel al siliciului este mai mare de 0,6 eV. Pe de o parte, acest lucru provoacă mai multe pierderi, dar utilizarea siliciului se datorează factorilor tehnologici și economici.

Ca urmare a dopajului, un semiconductor primește purtători de sarcină suplimentari pozitivi (găuri) sau negative (electroni), acesta este numit semiconductor de tip p sau n. Este posibil să fi auzit expresia „pn joncțiune”. Deci aceasta este granița dintre semiconductorii de diferite tipuri. Ca urmare a mișcării sarcinilor, formarea particulelor ionizate din fiecare tip de impuritate către semiconductorul principal, se formează o barieră potențială, nu permite ca curentul să curgă în ambele direcții, mai mult despre acest lucru este descris în carte. "Tranzistorul este ușor.".

Introducerea transportatorilor de încărcare suplimentară (doparea semiconductorilor) a făcut posibilă crearea dispozitivelor semiconductoare: diode, tranzistoare, tiristoare, etc. Cel mai simplu exemplu este o diodă, a cărei operație am fost examinată în articolul precedent.

Dacă aplicați o tensiune într-o prejudecată înainte, adică Voi curge pozitiv în regiunea p și va curge un curent negativ în regiunea n, iar dacă este contrar, curentul nu va curge. Faptul este că, cu o prejudecată directă, principalii purtători de încărcare ai regiunii p (gaura) sunt pozitivi și se resping din potențialul pozitiv al sursei de energie, tind către regiunea cu un potențial mai negativ.

În același timp, transportatorii negativi ai regiunii n se resping de la polul negativ al sursei de energie. Ambii acești transportatori tind spre interfață (joncțiunea pn).Tranziția devine mai îngustă, iar transportatorii depășesc bariera potențială, deplasându-se în zone cu sarcini opuse, unde se recombină cu ele ...

Dacă se aplică o tensiune de polarizare inversă, atunci purtătorii pozitivi ai regiunii p se deplasează spre electrodul negativ al sursei de energie, iar electronii din regiunea n se deplasează spre electrodul pozitiv. Tranziția se extinde, curentul nu curge.

Dacă nu intrați în detalii, acest lucru este suficient pentru a înțelege procesele care au loc într-un semiconductor.

Desemnarea grafică condiționată a tranzistorului

În Federația Rusă, o astfel de denumire a tranzistorului este adoptată așa cum vedeți în imaginea de mai jos. Colectorul este fără săgeată, emițătorul este cu o săgeată, iar baza este perpendiculară pe linia dintre emițător și colector. Săgeata de pe emițător indică direcția de curgere a curentului (de la plus la minus). Pentru structura NPN, săgeata emițătorului este direcționată de la bază, iar pentru PNP, este direcționată spre bază.

Mai mult, aceeași desemnare este adesea întâlnită în scheme, dar fără un cerc. Desemnarea standard a literei este „VT” și numărul în ordine în diagrama, uneori scrie pur și simplu „T”.

 

Imaginea tranzistorilor fără cerc

Ce este un tranzistor?

Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor activ conceput pentru a amplifica un semnal și a genera oscilații. El a înlocuit tuburile de vid - triode. Tranzistoarele au de obicei trei picioare - un colector, emițător și bază. Baza este electrodul de control, care furnizează curent, controlăm curentul colectorului. Astfel, cu ajutorul unui mic curent de bază, reglăm curenți mari în circuitul de alimentare, iar semnalul este amplificat.

Tranzistoarele bipolare sunt direct înainte (PNP) și conductivitate inversă (NPN). Structura lor este descrisă mai jos. De obicei, baza ocupă un volum mai mic de cristal cu semiconductor.

caracteristicile

Principalele caracteristici ale tranzistoarelor bipolare:

• Ic - curentul maxim al colectorului (nu poate fi mai mare - va arde);

• Ucemax - tensiunea maximă care poate fi aplicată între colector și emițător (este imposibil de sus - se va rupe);

• Ucesat este tensiunea de saturație a tranzistorului. Scăderea tensiunii în modul de saturație (cu cât este mai mică, cu atât mai puține pierderi în stare deschisă și încălzire);

• Β sau H21E - câștigul tranzistorului, egal cu Ik / Ib. Depinde de modelul tranzistorului. De exemplu, la un câștig de 100, la un curent prin baza de 1 mA, un curent de 100 mA va curge prin colector etc.

Merită spus despre curenții tranzistorului, există trei dintre acestea:

1. Curentul de bază.

2. Curentul colectorului.

3. Curentul emițătorului - conține curentul de bază și curentul emițătorului.

Cel mai adesea, curentul emițător scade deoarece aproape că nu diferă de dimensiunea curentului colectorului. Singura diferență este că curentul de colector este mai mic decât curentul emițător cu valoarea curentului de bază și de când tranzistoarele au un câștig mare (să zicem 100), apoi la un curent de 1A prin emițător, 10mA vor curge prin bază și 990mA prin colector. De acord, aceasta este o diferență suficient de mică pentru a petrece timp cu ea când studiați electronica. Prin urmare, în caracteristicile și indicat Icmax.

Moduri de operare

Tranzistorul poate funcționa în diferite moduri:

1. Modul de saturație. În cuvinte simple, acesta este modul în care tranzistorul este în stare maximă deschisă (ambele tranziții sunt părtinitoare în direcția înainte).

2. Modul de întrerupere este atunci când curentul nu curge și tranzistorul este închis (ambele tranziții sunt părtinitoare în direcția opusă).

3. Mod activ (baza colectorului este părtinitoare în direcția opusă, iar baza emițătorului este părtinitoare în direcția înainte).

4. Mod activ invers (colectorul-bază este părtinitor în direcția înainte, iar baza emițătorului este părtinitoare în direcția opusă), dar este rar folosită.

Circuite tipice de comutare a tranzistorului

Există trei circuite tipice de comutare a tranzistorului:

1. Baza generală.

2. emițător general.

3. Colectorul comun.

Circuitul de intrare este considerat a fi baza emițătorului, iar circuitul de ieșire este colectorul-emițătorul. Întrucât curentul de intrare este curentul de bază, respectiv ieșirea este curentul colector.

În funcție de circuitul de comutare, amplificăm curentul sau tensiunea.În manualele este obișnuit să luăm în considerare doar astfel de scheme de incluziune, dar în practică acestea nu par atât de evidente.

Este demn de remarcat faptul că atunci când este conectat la un circuit cu un colector comun, amplificăm curentul și obținem în fază (la fel ca intrarea în polaritate) tensiune la intrare și ieșire, iar în circuitul cu un emițător comun, obținem tensiune și câștig de tensiune inversă (ieșirea este inversată în raport cu input). La sfârșitul articolului, vom simula astfel de circuite și vom vedea clar acest lucru.

Modelarea cheilor de tranzistor

Primul model pe care îl vom analiza este tranzistor mod cheie. Pentru a face acest lucru, trebuie să construiți un circuit ca în figura de mai jos. Să presupunem că vom include o sarcină cu un curent de 0.1A, rolul acesteia va fi jucat de rezistența R3 instalată în circuitul colectorului.

În urma experimentelor, am descoperit că h21E al modelului de tranzistor selectat este de aproximativ 20, apropo, în fișa tehnică de pe MJE13007 se spune de la 8 la 40.

Curentul de bază ar trebui să fie în jur de 5mA. Divizorul este calculat astfel încât curentul de bază să aibă un efect minim asupra curentului divizor. Astfel încât tensiunea specificată să nu plutească atunci când tranzistorul este pornit. Prin urmare, actualul divizor set 100mA.

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

Aceasta este o valoare calculată, curenții ca urmare a acesteia au ieșit după cum urmează:

Cu un curent de bază de 5mA, curentul în sarcină era de aproximativ 100mA, tensiunea scade la 0.27V la tranzistor. Calculele sunt corecte.

Ce am primit?

Putem controla o sarcină al cărei curent este de 20 de ori mai mult decât curentul de control. Pentru a amplifica și mai mult, puteți dubla cascada, reducând curentul de control. Sau folosiți un alt tranzistor.

Curentul colectorului a fost limitat de rezistența la sarcină, pentru experimentul am decis să fac rezistența la sarcină 0 Ohm, apoi curentul prin tranzistor este setat de curentul de bază și câștig. Ca urmare, curentii practic nu diferă, după cum puteți vedea.

Pentru a urmări efectul tipului de tranzistor și câștigul acestuia asupra curenților, îl înlocuim fără a modifica parametrii circuitului.

După înlocuirea tranzistorului de la MJE13007 la MJE18006, circuitul a continuat să funcționeze, dar 0,14 V scade pe tranzistor, ceea ce înseamnă că la același curent acest tranzistor se va încălzi mai puțin, deoarece va ieși în evidență la căldură

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

Și în cazul anterior:

Potențial = 0.27V * 0.1A = 0.027W

Diferența este aproape dublă, dacă nu este atât de semnificativă la zecimi de wați, imaginați-vă ce se va întâmpla la curentii de zeci de amperi, atunci puterea pierderilor va crește de 100 de ori. Acest lucru duce la faptul că tastele se supraîncălzesc și nu reușesc.

Căldura degajată în timpul încălzirii se răspândește prin dispozitiv și poate cauza probleme în funcționarea componentelor vecine. Pentru aceasta, toate elementele de putere sunt instalate pe calorifere și, uneori, sunt utilizate sisteme de răcire active (răcitor, lichid etc.).

În plus, odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea semiconductorului crește, la fel și curentul care curge prin ele, ceea ce provoacă din nou o creștere a temperaturii. Procesul asemănător avalanșei de creștere a curentului și a temperaturii va ucide cheia.

Concluzia este aceasta: cu cât este mai mică căderea de tensiune pe tranzistor în stare deschisă, cu atât este mai mică încălzirea acestuia și cu atât este mai mare eficiența întregului circuit.

Scăderea de tensiune pe cheie a devenit mai mică datorită faptului că am pus o cheie mai puternică, cu un câștig mai mare, pentru a ne asigura de aceasta, eliminăm sarcina din circuit. Pentru a face acest lucru, am setat din nou R3 = 0 Ohms. Curentul colectorului a devenit 219mA, pe MJE13003 în același circuit era de aproximativ 130mA, ceea ce înseamnă că H21E din modelul acestui tranzistor este de două ori mai mare.

De remarcat că câștigul unui model, în funcție de o anumită instanță, poate varia de zeci sau de sute de ori. Acest lucru necesită reglarea și reglarea circuitelor analogice. În acest program, la modelele de tranzistor se folosesc coeficienți fixi, știu logica alegerii lor. Pe MJE18006 din fișa tehnică, raportul H21E maxim este de 36.

Simulare amplificator de curent alternativ

Modelul dat afișează comportamentul tastei dacă i se aplică un semnal alternativ și un circuit simplu pentru includerea sa în circuit. Seamănă cu un circuit amplificator de putere muzicală.

De obicei, utilizează mai multe astfel de cascade conectate în serie. Numărul și schemele cascadelor, circuitele lor de putere depind de clasa în care funcționează amplificatorul (A, B etc.). Voi simula cel mai simplu amplificator de clasa A, care funcționează în modul liniar, precum și voi lua forme de undă ale tensiunii de intrare și ieșire.

Rezistorul R1 stabilește punctul de operare al tranzistorului. În manualele scriu că trebuie să găsiți un astfel de punct pe un segment drept al CVC al tranzistorului. Dacă tensiunea de părtinire este prea mică, jumătatea undei inferioare a semnalului va fi denaturată.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Condensatoarele sunt necesare pentru a separa componenta variabilă de constantă. Rezistori R2 este instalat pentru a seta modul de operare al cheii și a seta curenții de funcționare. Să ne uităm la formele de undă. Dăm un semnal cu o amplitudine de 10mV și o frecvență de 10.000 Hz. Amplitudinea de ieșire este de aproape 2V.

Magenta indică forma de undă de ieșire, roșu indică forma de undă de intrare.

Rețineți că semnalul este inversat, adică. semnalul de ieșire este inversat în raport cu intrarea. Aceasta este o caracteristică a unui circuit emițător comun. Conform schemei, semnalul este eliminat din colector. Prin urmare, atunci când tranzistorul este deschis (când semnalul de intrare crește), tensiunea peste el va scădea. Când semnalul de intrare scade, tranzistorul începe să se închidă și tensiunea începe să crească.

Această schemă este considerată a fi cea mai înaltă calitate din punct de vedere al calității transmisiei semnalului, dar trebuie să plătiți pentru asta cu puterea pierderilor. Cert este că într-o stare în care nu este introdus niciun semnal, tranzistorul este întotdeauna deschis și conduce curent. Apoi, se eliberează căldură:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE este o cădere pe un tranzistor în absența semnalului de intrare.

Acesta este cel mai simplu circuit de amplificare, în timp ce orice alt circuit funcționează în acest mod, numai conexiunea elementelor și combinația lor este diferită. De exemplu, un amplificator de tranzistor de clasa B este format din două tranzistoare, fiecare funcționând pentru propria jumătate de undă.

Tranzistoarele cu conductivități diferite sunt utilizate aici:

• VT1 este NPN;

• VT2 - PNP.

Partea pozitivă a semnalului de intrare variabilă deschide tranzistorul superior, iar cel negativ - cel inferior.

Această schemă oferă o eficiență mai mare datorită faptului că tranzistorii se deschid și se închid complet. Datorită faptului că atunci când semnalul este absent - ambele tranzistoare sunt închise, circuitul nu consumă curent, prin urmare nu există pierderi.

concluzie

Înțelegerea funcționării tranzistorului este foarte importantă dacă veți face electronice. În acest domeniu, este important nu numai să înveți cum să asamblezi scheme, ci și să le analizezi. Pentru un studiu sistematic și înțelegerea dispozitivelor, trebuie să înțelegeți unde și cum vor curge curenții. Acest lucru va ajuta atât la montaj, cât și la reglarea și repararea circuitelor.

De remarcat că am omis în mod intenționat multe dintre nuanțe și factori pentru a nu supraîncărca articolul. În același timp, după calcule, este încă ridicați rezistențe. În modelare, acest lucru este ușor de făcut. Dar în practică măsurați curenții și tensiunile cu un multimetru, și în mod ideal au nevoie osciloscoppentru a verifica dacă formele de undă de intrare și ieșire corespund, altfel veți avea o denaturare.