Биполарни склопови транзистора

Транзистор је полуводички уређај који може појачати, претворити и генерирати електричне сигнале. Први оперативни биполарни транзистор изумљен је 1947. Материјал за његову израду био је германијум. А већ 1956. године рођен је силиконски транзистор.

Биполарни транзистор користи две врсте носача набоја - електроне и рупе, због чега се такви транзистори називају биполарни. Поред биполарних, постоје униполарни (теренски) транзистори у којима се користи само једна врста носача - електрони или рупе. Овај чланак ће покрити биполарни транзистори.

Дуго времена транзистора углавном су били германијуми и имали су п-н-п структуру, што је објашњено способностима тадашњих технологија. Али параметри германијумских транзистора су били нестабилни, њихов највећи недостатак је ниска радна температура - не више од 60..70 степени Целзијуса. На вишим температурама, транзистори су постали неконтролирани, а затим потпуно пропали.

Временом, силицијумски транзистори су почели да расељавају германије. Тренутно су углавном силикони и користе се, па то и не чуди. На крају, силицијумски транзистори и диоде (скоро свих врста) остају у функцији до 150 ... 170 степени. Силицијумски транзистори су такође "пуњење" свих интегрисаних кола.

Транзистори се с правом сматрају једним од великих открића човечанства. Након што су заменили електронске лампе, не само да су их заменили, већ су направили револуцију у електроници, изненадили и шокирали свет. Да нема транзистора, многи модерни уређаји и уређаји, толико познати и блиски, једноставно се не би родили: замислите, на пример, мобилни телефон са електронским лампама! За више информација о историји транзистора, погледајте овде.

Већина транзистора силицијума има н-п-н структуру, што се објашњава и производном технологијом, мада постоје силиконски транзистори типа п-н-п, али су нешто мањи од н-п-н структура. Такви транзистори се користе као део комплементарних парова (транзистора различите проводљивости са истим електричним параметрима). На пример, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а у излазним фазама транзистора УМЗЦХ КТ819 и КТ818. У увозним појачалима често се користи снажни комплементарни пар 2СА1943 и 2СЦ5200.

Често се транзистори п-н-п структуре називају транзистори предње проводљивости, а н-п-н структуре транзистори. Из неког разлога, такво име готово да није пронађено у литератури, али у кругу радио инжењера и радио ентузијаста користи се свуда, сви одмах схватају о чему је реч. Слика 1 приказује шему структуре транзистора и њихових графичких симбола.

Слика 1

Поред разлика у врсти и материјалу проводљивости, биполарни транзистори су класификовани по снази и радној фреквенцији. Ако снага дисипације на транзистору не прелази 0,3 В, такав транзистор сматра се ниском снагом. Са снагом од 0,3 ... 3 В, транзистор се назива транзистор средње снаге, а са снагом већом од 3 В, снага се сматра великом. Савремени транзистори могу да раседе снагу неколико десетина, па чак и стотина вата.

Транзистори не појачавају електричне сигнале једнако добро: с порастом фреквенције, појачање степена транзистора пада, а на одређеној фреквенцији потпуно се зауставља. Због тога, за рад у широком распону фреквенција, доступни су транзистори са различитим својствима фреквенције.

Према радној фреквенцији, транзистори се деле на нискофреквентне, - радна фреквенција није већа од 3 МХз, средња фреквенција - 3 ... 30 МХз, високофреквентна - више од 30 МХз.Ако радна фреквенција прелази 300 МХз, то су микроталасни транзистори.

Генерално, у озбиљним дебелим референтним књигама постоји више од 100 различитих параметара транзистора, што такође указује на огроман број модела. А број савремених транзистора је такав да се они у потпуности не могу сместити ни у један директориј. А линија непрестано расте, што нам омогућава да решимо скоро све задатке које су поставили програмери.

Постоји много транзисторских склопова (само се сјетите броја најмање опреме за домаћинство) за појачавање и претварање електричних сигнала, али, уз сву разноликост, ти се склопови састоје од засебних ступњева, чија су основа транзистори. Да би се постигло потребно појачавање сигнала, потребно је користити неколико фаза појачања, спојених у низу. Да бисте схватили како функционишу фазе појачала, морате се боље упознати са склопним склопкама транзистора.

Сам транзистор не може ништа појачати. Његова појачавајућа својства су да мале промене улазног сигнала (струје или напона) доводе до значајних промена напона или струје на излазу каскаде услед трошења енергије из спољног извора. Управо се ово својство широко користи у аналогним склоповима - појачавачима, телевизији, радију, комуникацији итд.

Да бисмо поједноставили презентацију, овде ћемо размотрити склопове на транзисторима н-п-н структуре. Све што ће се рећи о тим транзисторима подједнако се односи и на п-н-п транзисторе. Само промените поларитет извора напајања, електролитички кондензатори и диодеако постоји, да би се добио радни круг.

Транзисторска склопна кола

Укупно постоје три такве шеме: круг са заједничким емитером (ОЕ), склоп са заједничким сакупљачем (ОК) и склоп са заједничком базом (ОБ). Све ове шеме приказане су на слици 2.

Слика 2

Пре него што пређете на разматрање ових кола, требало би да се упознате са начином на који транзистор делује у кључном режиму. Ово познанство би требало да олакша разумевање. рад транзистора у појачаном режиму. У одређеном смислу, кључна шема може се сматрати својеврсном шемом са ОУ.

Рад транзистора у тастеру

Пре проучавања рада транзистора у режиму појачања сигнала, вреди запамтити да се транзистори често користе у режиму кључа.

О овом начину рада транзистора дуго се размишљало. У броју часописа Радио за август 1959. године објављен је чланак Г. Лаврова „Полупроводничка триода у кључном моду“. Аутор чланка је предложио подесите брзину мотора колектора промена у трајању импулса у управљачком намоту (ОС). Сада се ова метода регулације назива ПВМ и користи се прилично често. Дијаграм из тог времена приказан је на слици 3.

Слика 3

Али кључни режим се користи не само у ПВМ системима. Често транзистор нешто укључи и искључи.

У овом случају, релеј се може користити као оптерећење: дали су улазни сигнал - релеј је укључен, не - релејни сигнал је искључен. Уместо релеја у кључном режиму често се користе сијалице. Обично се то ради да би се указало: или је светло укључено или искључено. Дијаграм такве кључне фазе је приказан на слици 4. Кључне фазе се такође користе за рад са ЛЕД или оптопарима.

Слика 4

На слици је каскада контролисана нормалним контактом, иако може постојати дигитални чип или микроконтролер. Аутомобилска сијалица, ова се користи за осветљавање командне табле у "Лади". Треба напоменути да се за управљање користи 5В, а напон комутацијског колектора је 12В.

Нема ништа чудно у томе, јер напони не играју никакву улогу у овом кругу, важни су само струје.Због тога сијалица може бити најмање 220В ако је транзистор дизајниран да делује на таквим напонима. Напон извора на колектору мора такође да одговара радном напону оптерећења. Помоћу ових каскада оптерећење је повезано са дигиталним микровезама или микроконтролерима.

У овој шеми, основна струја управља колекторском струјом која је, због енергије напајања, неколико десетина или чак стотина пута (у зависности од оптерећења колектора) од основне струје. Лако је видети да долази до појачаног струјања. Када транзистор ради у кључном режиму, вредност која се користи за израчунавање каскаде обично се назива "тренутни добитак у режиму великог сигнала" у референтним књигама, назначеним словом β у референтним књигама. Ово је однос струје колектора, одређен оптерећењем, и најмање могуће основне струје. У облику математичке формуле изгледа овако: β = Ик / Иб.

За већину савремених транзистора коефицијент β прилично је велика, у правилу, од 50 и више, па се при израчунавању кључне фазе може узети као само 10. Чак и ако се основна струја покаже већом од израчунате струје, транзистор се неће више отварати од тога, тада је то и кључни режим.

Да бисте упалили сијалицу приказану на слици 3, Иб = Ик / β = 100мА / 10 = 10мА, то је најмање. Са контролним напоном од 5 В на базном отпорнику Рб, умањеном за пад напона у БЕ секцији, 5В ће остати - 0,6 В = 4,4 В. Отпор основног отпорника је: 4.4В / 10мА = 440 Охм. Отпор отпорности од 430 охма одабран је из стандардне серије. Напон од 0,6 В је напон на прикључку Б - Е и не треба га заборавити приликом рачунања!

Да би се спречило да база транзистора "виси у ваздуху" приликом отварања управљачког контакта, Б-Е прелаз обично се квари отпорником Рбе, који поуздано затвара транзистор. Овај отпорник не треба заборавити, иако из неког разлога није из неког разлога, што може довести до лажног рада каскаде од сметњи. Заправо, сви су знали за овај отпорник, али из неког разлога су заборавили и још једном закорачили на „грабље“.

Вриједност овог отпорника мора бити таква да када се контакт отвори, напон у бази не испадне мањи од 0,6 В, у супротном ће каскада бити неконтролирана, као да је дио Б - Е једноставно кратког споја. У пракси је отпорник РБе постављен на вредност око десет пута већа од РБ. Али чак и ако је вредност Рб 10К, круг ће радити прилично поуздано: основни и емитерски потенцијали биће једнаки, што ће довести до затварања транзистора.

Таква кључна каскада, ако ради, може да упали жаруљу у пуној топлоти или да је потпуно искључи. У том случају транзистор може бити потпуно отворен (стање засићења) или потпуно затворен (стање прекида). Одмах, наравно, сам закључак сугерира да између ових "граничних" стања постоји нешто када сијалица потпуно засја. Да ли је транзистор напола отворен или напола затворен? Као да је проблем са пуњењем чаше: оптимиста види чашу напола пуну, док песимиста сматра да је напола празна. Овај начин рада транзистора назива се појачавајућим или линеарним.

Рад транзистора у режиму појачања сигнала

Скоро сва модерна електронска опрема састоји се од микрострујних кола у којима су транзистори „скривени“. Једноставно изаберите режим рада оперативног појачала да бисте постигли жељени појачање или ширину појаса. Но, упркос томе, каскаде се често користе на дискретним ("лабавим") транзисторима, и зато је разумевање рада степена појачала једноставно неопходно.

Најчешће укључивање транзистора у поређењу са ОК и ОБ је заједнички круг емитер (ОЕ). Разлог ове преваленције је, пре свега, велико појачање напона и струје.Највећи добитак ОЕ каскаде постиже се када половина напона напајања Епит / 2 падне на оптерећењу колектора. Према томе, друго полувреме пада на К-Е део транзистора. То се постиже постављањем каскаде, која ће бити описана у наставку. Овај начин појачања назива се класа А.

Када укључите транзистор са ОЕ, излазни сигнал на колектору је у антифази са улазом. Као недостатке може се приметити да је улазна импеданција ОЕ мала (не више од неколико стотина Охма), а излазна импеданција је у опсегу неколико десетина КОхмс.

Ако је у тастеру за транзистор карактеристично појачање струје у великом сигналном режиму  β, тада се у режиму појачања користи "тренутни добитак у режиму малих сигнала", означен у х21е референтним књигама. Ова ознака је потекла од представљања транзистора у облику уређаја са четири терминала. Слово "е" означава да су мерења извршена када је укључен транзистор са заједничким емитером.

Коефицијент х21е је у правилу нешто већи од β, мада у прорачунима као прву апроксимацију можете да га употребите. У сваком случају, расипање параметара β и х21е је толико велико чак и за једну врсту транзистора да су прорачуни само приближни. Након таквих израчунавања, по правилу је потребна конфигурација круга.

Појачање транзистора зависи од дебљине базе, тако да га не можете променити. Отуда велико ширење пораста транзистора узетих чак из једне кутије (прочитајте једну партију). За транзисторе мале снаге овај коефицијент варира између 100 ... 1000, а за моћне 5 ... 200. Што је основа тања, то је већи однос.

Најједноставнији круг за укључивање ОЕ транзистора приказан је на слици 5. Ово је само мали део са слике 2, приказан у другом делу чланка. Овај круг назива се фиксни основни струјни круг.

Слика 5

Шема је крајње једноставна. Улазни сигнал се доводи у базу транзистора путем изолационог кондензатора Ц1, и, појачан, уклања се из колектора транзистора преко кондензатора Ц2. Намена кондензатора је да заштите улазне кругове од константне компоненте улазног сигнала (само запамтите угљенични или електронски микрофон) и обезбеде потребну ширину опсега каскаде.

Отпорник Р2 је оптерећење каскаде сакупљача, а Р1 доводи до сталне пристраности базе. Помоћу овог отпорника покушавају да направе напон колектора Епит / 2. Ово стање се назива радна тачка транзистора, у том случају је добитак каскаде максималан.

Отприлике отпор отпорника Р1 може се одредити једноставном формулом Р1 ≈ Р2 * х21е / 1.5 ... 1.8. Коефицијент 1,5 ... 1,8 се замењује у зависности од напона напајања: код ниског напона (не више од 9В), вредност коефицијента није већа од 1,5, а почевши од 50 В, приближава се 1,8 ... 2,0. Али, заиста, формула је толико приближна да се најчешће мора одабрати отпорник Р1, јер у супротном неће бити добијена потребна вредност Епит / 2 на колектору.

Колекторски отпорник Р2 постављен је као услов проблема, јер струја колектора и појачање каскаде у целини зависе од његове величине: што је већи отпор отпорника Р2, већи је и добитак. Али морате бити опрезни с овим отпорником, струја колектора мора бити мања од максималне дозвољене за ову врсту транзистора.

Схема је веома једноставна, али ова једноставност даје јој негативна својства, а за ову једноставност морате платити. Прво, појачање каскаде зависи од конкретне инстанце транзистора: заменио је транзистор током поправке, - поново одаберите оффсет, извуците га у радну тачку.

Друго, од температуре околине, - с повећањем температуре, повратна струја колектора Ицо расте, што доводи до повећања колекторске струје. И где је, дакле, половина напонског напона на колектору Епит / 2, иста радна тачка? Као резултат, транзистор се загрева још више, а затим пропада.Да бисте се ослободили ове зависности или је барем смањили, у каскаду транзистора уводе се додатни елементи негативне повратне информације - ООС.

На слици 6 приказан је круг са фиксним напоном пристраности.

Слика 6

Чини се да ће делилац напона Рб-к, Рб-е пружити потребан почетни помак каскаде, али у ствари таква каскада има све недостатке круга фиксне струје. Према томе, приказани круг је само варијација круга фиксне струје приказаног на слици 5.

Шеме са термичком стабилизацијом

Ситуација је нешто боља у случају примјене схема приказаних на слици 7.

Слика 7

У склопу стабилизованом на колектору, пристрански отпорник Р1 није повезан са извором напајања, већ са колектором транзистора. У том случају, ако се температура повећа, реверзна струја се повећава, транзистор се јачи, напон колектора смањује. Ово смањење доводи до смањења напона пристраности који се доводи до базе кроз Р1. Транзистор се почиње затварати, струја колектора смањује се на прихватљиву вредност, враћа се положај радне тачке.

Очигледно је да таква мера стабилизације доводи до одређеног смањења појачања каскаде, али то није важно. Добивени недостатак се обично додаје повећањем броја фаза појачања. Али такав систем заштите животне средине може значајно проширити опсег радних температура каскаде.

Круг каскаде са стабилизацијом одашиљача је нешто сложенији. Ојачавајућа својства таквих каскада остају непромењена у још ширем температурном опсегу него у колектору-стабилизованом кругу. И још једна неоспорна предност - приликом замене транзистора не морате поново бирати каскадне режиме рада.

Емиторски отпорник Р4, обезбеђујући температурну стабилизацију, такође смањује добитак каскаде. Ово је за једносмерну струју. Да би се искључио утицај отпорника Р4 на појачавање наизменичне струје, отпорник Р4 премоштава кондензатор Це, који за наизменичну струју представља мали отпор. Његова вредност се одређује фреквенцијским опсегом појачала. Ако ове фреквенције леже у распону звука, тада капацитет кондензатора може бити од јединица до десетина, па чак и стотина микрофаради. За радио фреквенције то је већ стотина или хиљадама, али у неким случајевима кола функционирају у реду и без овог кондензатора.

Да бисте боље схватили како функционише стабилизација емитора, морате размотрити склоп за укључивање транзистора са заједничким ОК колектором.

Заједнички склоп колектора (ОК) приказан је на слици 8. Овај круг је одсек на слици 2, из другог дела чланка, где су приказана сва три транзисторска склопна круга.

Слика 8

Каскаду оптерећује отпорник Р2, улазни сигнал се доводи преко кондензатора Ц1, а излазни сигнал се уклања преко кондензатора Ц2. Овде се можете питати, зашто се ова шема зове ОК? Заиста, ако се присетимо ОЕ круга, тамо је јасно видљиво да је одашиљач спојен на заједничку жицу круга у односу на који се улази улазни сигнал и узима излазни сигнал.

У ОК кругу, колектор је једноставно повезан на извор напајања, а на први поглед чини се да нема никакве везе са улазним и излазним сигналом. У ствари, извор ЕМФ (батерија за напајање) има веома мали унутрашњи отпор, за сигнал то је скоро једна тачка, један и исти контакт.

Детаљније, рад круга ОК може се видети на слици 9.

Слика 9

Познато је да је за силицијумске транзисторе напон би-е прелаза у опсегу од 0,5 ... 0,7 В, тако да можете да га узмете у просеку 0,6 В, ако не поставите циљ да вршите прорачуне са тачношћу од десетина процента. Према томе, као што се види на слици 9, излазни напон ће увек бити мањи од улазног напона по вредности Уб-е, наиме, истих 0,6 В.За разлику од ОЕ кола, овај круг не инвертира улазни сигнал, једноставно га понавља, па чак и смањује за 0,6 В. Овај круг се такође назива следбеник емисије. Зашто је потребна таква шема, у чему се користи?

ОК склоп појачава тренутни сигнал х21е пута, што значи да је улазна импеданција круга х21е пута већа од отпора у кругу емитер. Другим речима, без страха од спаљивања транзистора, можете да примените напон директно на базу (без ограничавајућег отпора). Само узмите основни пин и повежите га са + У напајањем.

Велика улазна импеданса омогућава вам повезивање улазног извора високе импеданце (сложене импеданце), попут пиезоелектричног преузимања. Ако је такав пицкуп повезан са каскадом у складу са ОЕ схемом, онда мала улазна импеданција ове каскаде једноставно „слијеће“ сигнал преузимања - „радио се неће репродуковати“.

Изразита карактеристика ОК круга је да његова колекторска струја Ик зависи само од отпора оптерећења и напона извора улазног сигнала. У исто време, параметри транзистора уопште не играју никакву улогу. За такве склопове кажу да су прекривени стопостотном повратном везом.

Као што је приказано на слици 9, струја у оптерећењу одашиљача (то је емитирајућа струја) Ин = Ик + Иб. Узимајући у обзир да је основна струја Иб занемарљива у поређењу са колекторском струјом Ик, можемо претпоставити да је струја оптерећења једнака колекторској струји Ин = Ик. Струја у оптерећењу ће бити (Уин - Убе) / Рн. У овом случају, претпостављамо да је Убе познат и да је увек једнак 0,6 В.

Из тога слиједи да струја колектора Ик = (Уин - Убе) / Рн зависи само од улазног напона и отпора оптерећења. Отпор оптерећења се може мењати у широким границама, међутим, није потребно посебно ревносно. Заиста, ако уместо Рн ставимо ексер - стоти, ниједан транзистор не може да издржи!

ОК склоп олакшава мерење коефицијента преноса статичке струје х21е. Како се то ради приказано је на слици 10.

Слика 10

Прво измерите струју оптерећења као што је приказано на слици 10а. У овом случају, базу транзистора не треба повезати нигде, као што је приказано на слици. Након тога се мери основна струја у складу са сликом 10б. Мерења се у оба случаја морају спровести у истим количинама: или у амперима или у милиамперима. Напон и оптерећење напајања требају остати непромијењени у оба мјерења. Да бисте сазнали статички коефицијент преноса струје, довољно је да поделите струју оптерећења на базну струју: х21е ≈ Ин / ИБ.

Треба напоменути да се с порастом струје оптерећења, х21е лагано смањује, а с повећањем напона напајања повећава. Понављачи одашиљача често су уграђени у пусх-пулл кругу користећи комплементарне парове транзистора, што омогућава повећање излазне снаге уређаја. Такав сљедбеник одашиљача приказан је на слици 11.

Слика 11.

Слика 12.

Укључивање транзистора према шеми са заједничком базом ОБ

Такав круг омогућава само појачани напон, али има боља фреквенцијска својства у поређењу са ОЕ кругом: исти транзистори могу радити на вишим фреквенцијама. Главна примена ОБ схеме је УХФ антенска појачала. Дијаграм антенског појачала приказан је на слици 12.