Биполарни транзистори: склопови, начини рада, моделирање

Транзистор се појавио 1948. (1947), захваљујући раду три инжењера и Схоцклеија, Брадстеина, Бардина. У то време њихов брзи развој и популаризација још нису били предвиђени. У Совјетском Савезу 1949. године прототип транзистора је научном свету представљен од стране лабораторија Красилов, био је то триода Ц1-Ц4 (германијум). Термин транзистор појавио се касније, 50-их или 60-их.

Међутим, широку употребу су нашли у касним 60-има, раним 70-има, када су преносиви радио ступили у моду. Успут, они су их дуго звали "транзистор". Овај назив се задржао због чињенице да су замењивали електронске цеви са полуводичким елементима, што је изазвало револуцију у радиотехници.

Шта је полуводич?

Транзистори су направљени од полуводичких материјала, на пример, силицијум, германијум је раније био популаран, али сада се ретко проналази, због високих трошкова и лоших параметара, у погледу температуре и других ствари.

Полупроводници су материјали који заузимају место између проводника и диелектрика у проводљивости. Њихов отпор је милион пута већи од проводника и стотине милиона пута мањи од диелектрика. Поред тога, да би струја почела да тече кроз њих, неопходно је да примените напон који прелази завој распона, тако да се носачи набоја премештају из валентне траке у проводни опсег.

Проводници забрањене зоне нису такви. Носач набоја (електрон) може се кретати у проводном појасу не само под утицајем спољног напона, већ и од топлоте - то се назива топлотна струја. Струја изазвана зрачењем светлосног тока полуводича назива се фототок. Фоторесистори, фотодиоди и други фотосензитивни елементи раде на овом принципу.

За поређење погледајте оне у диелектрицима и проводницима:

Прилично очигледно. Из дијаграма се види да диелектричари и даље могу да врше струју, али то се дешава након превазилажења забрањене зоне. У пракси се то назива диелектрични пробој напона.

Дакле, разлика између структура германијума и силицијума је у томе што је за германијум размак између око 0,3 еВ (електронски волти), а силицијум више од 0,6 еВ. С једне стране, то узрокује веће губитке, али употреба силицијума настаје због технолошких и економских фактора.

Као резултат допинга, полуводич прима додатне носаче наелектрисања позитивне (рупе) или негативне (електрони), што се назива полупроводник п-или н-типа. Можда сте чули фразу "пн јунцтион." Дакле, ово је граница између полуводича различитих типова. Као резултат кретања набоја, стварања јонизованих честица сваке врсте нечистоће до главног полуводича, потенцијалне баријере, не дозвољава струји да тече у оба смера, више о томе описано је у књизи "Транзистор је лак.".

Увођење додатних носача набоја (допинг полуводича) омогућило је стварање полуводичких уређаја: диоде, транзистора, тиристора итд. Најједноставнији пример је диода, чију смо рад испитали у претходном чланку.

Ако примените напон у нагибу према напријед, тј. Позитивно ћу тећи према п-региону, а негативна струја ће тећи у н-региону и обрнуто, струја неће тећи. Чињеница је да су, уз директну пристраност, главни носачи набоја п-регије (рупе) позитивни и одбијају се од позитивног потенцијала извора енергије, склони региону са више негативног потенцијала.

Истовремено, негативни носачи н-региона се одбијају од негативног пола извора енергије. Оба ова носача имају тенденцију ка интерфејсу (пн спој).Прелаз постаје ужи, а превозници превазилазе потенцијалну баријеру, крећући се у областима супротних набоја, где се поново комбинују са њима ...

Ако се примени обрнути напон пристраности, тада се позитивни носачи п-региона крећу према негативној електроди извора енергије, а електрони из н-регије крећу се према позитивној електроди. Прелаз се шири, струја не тече.

Ако не улазите у детаље, то је довољно да разумете процесе који се одвијају у полуводичу.

Условно графичко означавање транзистора

У Руској Федерацији је такво означавање транзистора усвојено као што видите на слици испод. Колектор је без стрелице, емитер је са стрелицом, а основа је окомита на линију између емитера и колектора. Стрелица на емитеру означава смер струје струје (од плус до минус). За НПН структуру, стрелица за емитер је усмерена од базе, а за ПНП усмерена је на базу.

Штавише, иста ознака се често налази у схемама, али без круга. Ознака стандардног слова је „ВТ“, а редни број на дијаграму, понекад једноставно пишу „Т“.

 

Слика транзистора без круга

Шта је транзистор?

Транзистор је активни полуводички уређај дизајниран да појача сигнал и генерира осцилације. Заменио је вакуумске цеви - триоде. Транзистори обично имају три ноге - колектор, емитер и базу. Основа је управљачка електрода, напајајући је струјом, управљамо струјом колектора. На тај начин, помоћу мале базне струје, регулирамо велике струје у струјном кругу, а сигнал се појачава.

Биполарни транзистори су директни напријед (ПНП) ​​и обрнути проводљивост (НПН). Њихова структура је приказана испод. Обично база заузима мањи волумен кристала полуводича.

Карактеристике

Главне карактеристике биполарних транзистора:

• Иц - максимална струја колектора (не може бити већа - изгореће);

• Уцемак - максимални напон који се може применити између колектора и емитора (не може бити већи - пукнут ће);

• Уцесат је напон засићења транзистора. Пад напона у режиму засићења (што је мањи, то су мањи губици у отвореном стању и загревању);

• Β или Х21Е - добитак транзистора, једнак Ик / Иб. Зависи од модела транзистора. На пример, при појачању од 100, при струји кроз базу од 1 мА, струја од 100 мА ће тећи кроз колектор итд.

Вриједно је рећи о струјама транзистора, постоје три:

1. Базна струја.

2. Колекторска струја.

3. Емитерска струја - садржи базну и емитерску струју.

Најчешће, струја емитер пада јер скоро да се не разликује од величине струје колектора. Једина разлика је у томе што је струја колектора мања од струје емитера по вредности основне струје и од тада транзистори имају велико појачање (рецимо 100), тада ће при струји од 1А кроз емитер 10мА тећи кроз базу, а 990мА кроз колектор. Слажете се, ово је довољно мала разлика да на то трошите вријеме док проучавате електронику. Стога је у карактеристикама и назначено Ицмак.

Режим рада

Транзистор може радити у различитим режимима:

1. Режим засићења. Једноставним речима, ово је режим у којем је транзистор у максимално отвореном стању (оба прелаза су пристрана у смеру напред).

2. Режим искључивања је када струја не тече, а транзистор је затворен (оба прелаза су пристрана у супротном смеру).

3. Активни режим (база колектора је пристрана у супротном смеру, а база емитора је пристрана у смеру према напријед).

4. Инверзни активни режим (база колектора је пристрана у смеру напред, а база емитора је пристрана у супротном смеру), али се ретко користи.

Типична склопна склопка транзистора

Постоје три типична склопна склопка транзистора:

1. Општа основа.

2. Генерал емитер.

3. Заједнички колекционар.

Улазни круг сматра се основом одашиљача, а излазни круг колектор-емитер. Док је улазна струја основна струја, а излазна струја колектора.

У зависности од склопног круга појачавамо струју или напон.У уџбеницима је уобичајено размотрити управо такве схеме укључивања, али у пракси не изгледају тако очигледно.

Вриједно је напоменути да када смо повезани у круг са заједничким колектором, појачавамо струју и на улазу и излазу улазимо у фазни (исти као улаз у поларитету), а у кругу са заједничким емитером добијамо напон и обрнути напон (излаз је обрнут у односу на улаз). На крају чланка ћемо симулирати такве склопове и то јасно видети.

Моделирање транзисторског кључа

Први модел који ћемо погледати је транзистор кључног начина. Да бисте то учинили, морате да изградите склоп као на доњој слици. Претпоставимо да ћемо укључити оптерећење струјом 0,1А, његову улогу ће играти отпорник Р3 инсталиран у колекторском кругу.

Као резултат експеримената, установио сам да је х21Е одабраног модела транзистора, отприлике, око 20, у таблици на МЈЕ13007 пише од 8 до 40.

Базна струја би требала бити око 5мА. Шелитељ се израчунава тако да основна струја има минималан учинак на раздјелничку струју. Тако да наведени напон не лебди када је транзистор укључен. Стога је делилац струје постављен на 100мА.

Рбросцх = (12В - 0.6в) /0.005= 2280 Охм

Ово је израчуната вредност, струје као резултат тога су изашле на следећи начин:

Са основном струјом од 5мА, струја у оптерећењу је била око 100мА, напон пада на транзистору до 0,27 В. Рачуни су тачни.

Шта смо добили?

Можемо контролисати оптерећење чија је струја 20 пута већа од контролне струје. Да бисте додатно појачали, можете дуплирати каскаду, смањујући контролну струју. Или користите други транзистор.

Струја колектора била је ограничена отпором оптерећења, за експеримент сам одлучио да направим отпор оптерећења 0 Охм, а затим струја кроз транзистор се поставља основном струјом и појачањем. Као резултат, струје се практично не разликују, као што видите.

Да бисмо пратили ефекат типа транзистора и његово појачање на струју, заменимо га без промене параметара круга.

Након замене транзистора са МЈЕ13007 на МЈЕ18006, круг је наставио да ради, али 0,14 В пада на транзистор, што значи да ће се на истој струји овај транзистор мање загрејати, јер ће се истицати у топлоти

Пот = 0,14В * 0,1А = 0,014В,

И у претходном случају:

Потпревиоус = 0,27В * 0,1А = 0,027В

Разлика је готово двострука, ако није толико значајна у десетинама вата, замислите шта ће се догодити на десетинама ампера, тада ће се снага губитака повећати 100 пута. То доводи до чињенице да се тастери прегревају и отказују.

Топлина која се ослобађа током загревања шири се кроз уређај и може проузроковати проблеме у раду сусједних компоненти. За то су сви елементи напајања уграђени на радијаторе, а понекад се користе и активни расхладни системи (хладњак, течност итд.).

Штавише, с порастом температуре, проводљивост полуводича се повећава, као и струја која струји кроз њих, што опет изазива пораст температуре. Процес повећања струје и температуре попут лавине на крају ће убити кључ.

Закључак је следећи: Мањи пад напона преко транзистора у отвореном стању, мање је његово загревање и већа ефикасност целог кола.

Пад напона на кључу постао је мањи због чињенице да ставимо моћнији тастер, са већим појачањем, да бисмо се уверили у то, уклањамо оптерећење из круга. Да бих то учинио, поново сам поставио Р3 = 0 Охма. Струја колектора постала је 219мА, на МЈЕ13003 у истом кругу је била око 130мА, што значи да је Х21Е у моделу овог транзистора двоструко већи.

Вриједно је напоменути да добитак једног модела, зависно од поједине инстанце, може варирати у десетинама или стотинама пута. Ово захтева подешавање и подешавање аналогних кола. У овом програму се у моделима транзистора користе фиксни коефицијенти, знам логику њиховог избора. На МЈЕ18006 у листу података, максимални омјер Х21Е је 36.

Симулација АЦ појачала

Дати модел приказује понашање кључа ако се на њега примене наизменични сигнал и једноставан круг за његово укључивање у круг. Подсећа на музичко коло појачавача снаге.

Обично користе неколико таквих серијски повезаних каскада. Број и шеме каскада, њихови кругови снаге зависе од класе у којој појачало делује (А, Б, итд.). Симулирам најједноставније појачало класе А, које ради у линеарном режиму, као и узети таласне облике улазног и излазног напона.

Отпорник Р1 поставља радну тачку транзистора. У уџбеницима пишу да такву тачку требате пронаћи на правом сегменту ЦВЦ-а транзистора. Ако је напон пристраности пренизак, доњи половина сигнала ће бити изобличена.

Рпит = (Упит-Уб) / Иб

Уб≈0,7В

Иб = ИК / Х21Е

Кондензатори су потребни за одвајање варијабилне компоненте од константе. Отпорници Р2 се инсталирају како би се подесио режим рада кључа и подесила радна струја. Погледајмо таласне облике. Дајемо сигнал с амплитудом од 10мВ и фреквенцијом од 10 000 Хз. Излазна амплитуда је скоро 2В.

Магента означава излазни таласни облик, црвена означава улазни таласни облик.

Имајте на уму да је сигнал обрнут, тј. излазни сигнал је обрнут у односу на улаз. Ово је карактеристика заједничког емитерског круга. Према шеми, сигнал се уклања из колектора. Стога, када се транзистор отвори (када се улазни сигнал повећа), напон преко њега опада. Када падне улазни сигнал, транзистор се почиње затварати и напон почиње да расте.

Ова шема се сматра најквалитетнијом у погледу квалитета преноса сигнала, али то морате платити снагом губитака. Чињеница је да је у стању у којем не улази сигнал, транзистор увек отворен и води струју. Тада се ослобађа топлота:

Ппот = (УКЕ) / Ик

УКЕ је пад на транзистору у одсуству улазног сигнала.

Ово је најједноставнији круг појачала, док било који други круг ради на сличан начин, само је повезивање елемената и њихова комбинација различита. На пример, транзисторско појачало класе Б састоји се од два транзистора од којих сваки ради за сопствени пол-талас.

Овде се користе транзистори различите проводљивости:

• ВТ1 је НПН;

• ВТ2 - ПНП.

Позитивни део променљивог улазног сигнала отвара горњи транзистор, а негативни - доњи.

Ова шема даје већу ефикасност због чињенице да се транзистори у потпуности отварају и затварају. Због чињенице да када је сигнал одсутан - оба транзистора затворена, круг не троши струју, па нема губитака.

Закључак

Разумевање рада транзистора је веома важно ако се бавите електроником. У овој области је важно не само научити како да саставите шеме, већ и да их анализирате. За систематско проучавање и разумевање уређаја, морате да разумете где ће и како тећи струја. Ово ће помоћи како у састављању, тако и у подешавању и поправци склопова.

Вриједи напоменути да сам намјерно изоставио многе нијансе и факторе како не бих преоптеретио чланак. У исто време, после израчуна, још увек је покупите отпорнике. У моделирању је то лако учинити. Али у пракси мерите струје и напоне мултиметроми идеално треба осцилоскопда проверите да ли се улазна и излазна таласна форма подударају, иначе ћете имати дисторзију.