Bipolära transistoromkopplare

En transistor är en halvledaranordning som kan förstärka, konvertera och generera elektriska signaler. Den första operativa bipolära transistorn uppfanns 1947. Materialet för dess tillverkning var germanium. Och redan 1956 föddes en kiseltransistor.

En bipolär transistor använder två typer av laddningsbärare - elektroner och hål, varför sådana transistorer kallas bipolära. Förutom bipolär finns det unipolära (fält) transistorer där endast en typ av bärare används - elektroner eller hål. Den här artikeln kommer att behandlas bipolära transistorer.

Lång tid transistorer de var huvudsakligen germanium och hade en p-n-p-struktur, vilket förklarades av kapaciteten för teknologierna från den tiden. Men parametrarna för germanium-transistorer var instabila, deras största nackdel är den låga driftstemperaturen - inte mer än 60..70 grader Celsius. Vid högre temperaturer blev transistorer okontrollerbara och misslyckades sedan helt.

Med tiden började kiseltransistorer förskjuta Germanium-motsvarigheter. För närvarande är de främst kisel och används, och detta är inte förvånande. När allt kommer omkring, kiseltransistorer och dioder (nästan alla typer) förblir i drift upp till 150 ... 170 grader. Kiseltransistorer är också "stoppningen" av alla integrerade kretsar.

Transistorer anses med rätta vara en av mänsklighetens stora upptäckter. Efter att ha bytt ut de elektroniska lamporna, ersatte de inte bara dem, utan gjorde en revolution inom elektronik, förvånade och chockade världen. Om det inte fanns några transistorer, skulle många moderna apparater och enheter, så bekanta och nära, helt enkelt inte ha födts: tänk dig till exempel en mobiltelefon med elektroniska lampor! För mer information om transistorns historia, se här.

De flesta kiseltransistorer har en n-p-n-struktur, vilket också förklaras av produktionstekniken, även om det finns kisel-p-n-p-typtransistorer, men de är något mindre än n-p-n-strukturerna. Sådana transistorer används som del av komplementära par (transistorer med olika konduktivitet med samma elektriska parametrar). Till exempel KT315 och KT361, KT815 och KT814 och i utgångsstegen för transistorn UMZCH KT819 och KT818. I importerade förstärkare används ofta ett kraftfullt komplementärt par av 2SA1943 och 2SC5200.

Ofta kallas transistorer med en p-n-p-struktur framåtkonduktivitetstransistorer, och n-p-n-strukturer är omvända transistorer. Av någon anledning finns ett sådant namn nästan aldrig i litteraturen, men i kretsen av radioingenjörer och radioentusiaster används det överallt, alla förstår omedelbart vad som står på spel. Figur 1 visar en schematisk struktur av transistorer och deras grafiska symboler.

Figur 1

Förutom skillnader i konduktivitetstyp och material klassificeras bipolära transistorer efter effekt och driftsfrekvens. Om spridningseffekten på transistorn inte överstiger 0,3 W anses en sådan transistor vara låg effekt. Med en effekt på 0,3 ... 3 W kallas transistorn en medeleffekttransistor, och med en effekt på mer än 3 W anses kraften vara stor. Moderna transistorer kan sprida effekten på flera tiotals eller till och med hundratals watt.

Transistorer förstärker elektriska signaler inte lika bra: när frekvensen ökar sjunker transistorstegets förstärkning och stannar vid en viss frekvens. Därför är transistorer tillgängliga för olika frekvensfrekvenser med olika frekvensegenskaper.

Enligt driftsfrekvensen är transistorer uppdelade i lågfrekventa frekvenser, - driftsfrekvensen är inte mer än 3 MHz, mittfrekvensen - 3 ... 30 MHz, högfrekvens - mer än 30 MHz.Om driftsfrekvensen överstiger 300 MHz är det mikrovågstransistorer.

I allvarliga tjocka referensböcker finns det i allmänhet mer än 100 olika parametrar för transistorer, vilket också indikerar ett stort antal modeller. Och antalet moderna transistorer är sådana att de i sin helhet inte längre kan placeras i någon katalog. Och sortimentet växer ständigt, vilket gör att vi kan lösa nästan alla uppgifter som utvecklarna ställer.

Det finns många transistorkretsar (kom bara ihåg antalet åtminstone hushållsutrustning) för att förstärka och omvandla elektriska signaler, men med all mångfald består dessa kretsar av separata steg, vars grund är transistorer. För att uppnå den nödvändiga signalförstärkningen är det nödvändigt att använda flera steg för förstärkning, anslutna i serie. För att förstå hur förstärkningssteg fungerar måste du bli mer bekant med transistorkopplingskretsar.

Transistorn ensam kan inte förstärka någonting. Dess förstärkande egenskaper är att små förändringar i insignalen (ström eller spänning) leder till betydande förändringar i spänning eller ström vid utgången från kaskaden på grund av energiförbrukningen från en extern källa. Det är den här egenskapen som används allmänt i analoga kretsar - förstärkare, TV, radio, kommunikation etc.

För att förenkla presentationen kommer vi att överväga kretsar på transistorer av n-p-n-strukturen här. Allt som sägs om dessa transistorer gäller lika mycket för p-n-p-transistorer. Ändra bara kraftkällans polaritet, elektrolytiska kondensatorer och dioderför att få en fungerande krets.

Transistor switching Circuits

Det finns tre sådana scheman totalt: en krets med en gemensam emitter (OE), en krets med en gemensam kollektor (OK) och en krets med en gemensam bas (OB). Alla dessa scheman visas i figur 2.

Figur 2

Men innan du går vidare med att överväga dessa kretsar, bör du bekanta dig med hur transistorn fungerar i nyckelläge. Denna bekanta bör underlätta förståelse. transistordrift i förstärkningsläge. I en viss mening kan ett nyckelschema betraktas som ett slags schema med MA.

Transistordrift i tangentläge

Innan man studerar driften av en transistor i signalförstärkningsläge är det värt att komma ihåg att transistorer ofta används i tangentläge.

Detta transistors funktionssätt har beaktats under lång tid. I augusti 1959 av Radio magazine publicerades en artikel av G. Lavrov "Semiconductor triode in key mode". Författaren till artikeln föreslog justera hastigheten på kollektormotorn ändring av varaktigheten på pulserna i styrlindningen (OS). Nu kallas denna regleringsmetod PWM och används ganska ofta. Diagrammet från tidpunkten för den tiden visas i figur 3.

Figur 3

Men nyckelläget används inte bara i PWM-system. Ofta slår en transistor bara på och stänger av något.

I detta fall kan reläet användas som en belastning: de gav en insignal - reläet är på, nej - reläsignalen stängd av. Istället för reläer i tangentläge används ofta glödlampor. Vanligtvis görs detta för att indikera: ljuset är antingen på eller av. Ett diagram över ett sådant nyckelsteg visas i figur 4. Nyckelsteg används också för att arbeta med lysdioder eller optokopplare.

Figur 4

I figuren styrs kaskaden av en normal kontakt, även om det kan finnas ett digitalt chip eller mikrokontroller. Glödlampa i bil, den här används för att belysa instrumentbrädan i "Lada". Det bör noteras att 5V används för styrning och den kommuterade kollektorspänningen är 12V.

Det är inget konstigt i detta, eftersom spänningar inte spelar någon roll i denna krets, är det bara strömmar av betydelse.Därför kan lampan vara minst 220V om transistorn är utformad för att arbeta vid sådana spänningar. Spänningen på kollektorkällan måste också motsvara driftspänningen för lasten. Med hjälp av sådana kaskader är lasten ansluten till digitala mikrokretsar eller mikrokontroller.

I detta schema styr basströmmen kollektorströmmen, som på grund av energiförsörjningen är flera tiotals eller till och med hundratals gånger (beroende på kollektorbelastningen) än basströmmen. Det är lätt att se att strömförstärkning sker. När transistorn arbetar i tangentläget hänvisas vanligtvis värdet som används för att beräkna kaskaden som "strömförstärkning i stor signalläge" i referensböckerna, indikerade med bokstaven ß i referensböckerna. Detta är förhållandet mellan kollektorströmmen, bestämd av lasten, till minsta möjliga basström. I form av en matematisk formel ser det ut så här: β = Iк / Iб.

För de flesta moderna transistorer är koefficienten β den är ganska stor, som regel, från 50 och högre, därför kan man vid beräkning av nyckelsteget endast tas som 10. Även om basströmmen visar sig vara mer än den beräknade strömmen kommer transistorn inte att öppnas mer från detta, då är det också ett tangentläge.

För att tända lampan som visas i figur 3, Ib = Ik / β = 100 mA / 10 = 10 mA, är detta åtminstone. Med en styrspänning på 5V vid basmotståndet Rb minus spänningsfallet i BE-avsnittet kommer 5V att förbli - 0,6V = 4,4V. Basmotståndets motstånd är: 4,4V / 10mA = 440 Ohm. En motstånd med ett motstånd på 430 ohm väljs från standardserien. En spänning på 0,6 V är spänningen vid B-E-korsningen och bör inte glömmas när man beräknar den!

För att förhindra att transistorbasen "hänger i luften" när man öppnar styrkontakten, växlas B-E-övergången vanligtvis av motståndet Rbe, som tillförlitligt stänger transistorn. Detta motstånd bör inte glömmas, även om det av någon anledning inte är av någon anledning, vilket kan leda till en felaktig funktion av kaskaden från störningar. Egentligen visste alla om detta motstånd, men av någon anledning glömde de och gick igen på "raken".

Värdet på detta motstånd måste vara sådant att när kontakten öppnas, spänningen vid basen inte visar sig vara mindre än 0,6 V, annars kommer kaskaden att vara okontrollerbar, som om sektion B - E helt enkelt kortsluts. I praktiken är RBe-motståndet inställt på ett värde av ungefär tio gånger mer än RB. Men även om Rb-värdet är 10K, kommer kretsen att fungera ganska tillförlitligt: ​​bas- och emitterpotentialen är lika, vilket kommer att leda till stängning av transistorn.

En sådan nyckelkaskad kan, om den fungerar, slå på lampan på full värme eller stänga av den helt. I detta fall kan transistorn vara helt öppen (mättnadstillstånd) eller helt stängd (avstängningstillstånd). Omedelbart tyder naturligtvis slutsatsen på att mellan dessa "gräns" -stater finns det något sådant när glödlampan lyser helt. Är transistorn halvt öppen eller halv stängd i detta fall? Det är som i problemet med att fylla glaset: optimisten ser glaset halvfullt, medan pessimisten anser att det är halvtomt. Detta transistors funktionssätt kallas förstärkning eller linjär.

Transistordrift i signalförstärkningsläge

Nästan all modern elektronisk utrustning består av mikrokretsar där transistorer är "dolda". Välj helt enkelt driftsättet för operationsförstärkaren för att få önskad förstärkning eller bandbredd. Men trots detta används kaskader ofta på diskreta ("lösa") transistorer, och därför är en förståelse för funktionen hos förstärkarsteget helt enkelt nödvändig.

Den vanligaste införandet av en transistor jämfört med OK och OB är en vanlig emitterkrets. Anledningen till denna prevalens är först och främst en hög förstärkning av spänning och ström.Den högsta förstärkningen av OE-kaskaden uppnås när halva spänningen i kraftförsörjningen Epit / 2 sjunker vid kollektorbelastningen. Följaktligen faller den andra halvan på K-E-delen av transistorn. Detta uppnås genom att ställa in kaskaden, som kommer att beskrivas nedan. Detta förstärkningsläge kallas klass A.

När du slår på transistorn med OE, är utsignalen på kollektorn antifas med ingången. Som nackdelar kan det noteras att ingångsimpedansen för OE är liten (högst flera hundra ohm) och utgångsimpedansen ligger i intervallet tiotals KOhms.

Om transistorn i tangentläget kännetecknas av en strömförstärkning i stor signalläge  βsedan i förstärkningsläget används "strömförstärkningen i det lilla signalläget", betecknat i h21e-referensböckerna. Denna beteckning kom från representationen av en transistor i form av en fyra-terminal enhet. Bokstaven "e" indikerar att mätningarna gjordes när transistorn med en gemensam sändare slogs på.

Koefficienten h21e är som regel något större än ß, även om du i beräkningar, som en första tillnärmning, kan använda den. Hur som helst är spridningen av parametrarna β och h21e så stor även för en typ av transistor att beräkningarna endast är ungefärliga. Efter sådana beräkningar krävs som regel konfiguration av kretsen.

Transistorns förstärkning beror på basens tjocklek, så du kan inte ändra den. Därför den stora spridningen av vinsten hos transistorer tagna till och med från en ruta (läs en sats). För lågeffekttransistorer varierar denna koefficient mellan 100 ... 1000 och för kraftfulla 5 ... 200. Ju tunnare bas, desto högre förhållande.

Den enklaste tillkopplingskretsen för en OE-transistor visas i figur 5. Detta är bara ett litet stycke från figur 2, som visas i artikelns andra del. Denna krets kallas en fast basströmkrets.

Figur 5

Systemet är extremt enkelt. Insignalen tillförs transistorns bas genom en isoleringskondensator Cl, och, förstärkt, avlägsnas från transistorns kollektor genom en kondensator C2. Syftet med kondensatorerna är att skydda ingångskretsarna från konstantkomponenten i insignalen (kom bara ihåg kol- eller elektretmikrofonen) och tillhandahålla den nödvändiga bandbredden för kaskaden.

Motstånd R2 är kaskadens kollektorbelastning, och R1 levererar en konstant förspänning till basen. Med hjälp av detta motstånd försöker de att spänningen på kollektorn ska vara Epit / 2. Detta tillstånd kallas transistorns arbetspunkt, i detta fall är kaskadens förstärkning maximalt.

Ungefär motståndet för motståndet R1 kan bestämmas med den enkla formeln R1 'R2 * h21e / 1.5 ... 1.8. Koefficienten 1,5 ... 1,8 ersätts beroende på matningsspänningen: vid låg spänning (inte mer än 9V) är koefficientvärdet inte mer än 1,5 och börjar från 50V närmar det sig 1,8 ... 2,0. Men formeln är faktiskt så ungefärlig att motståndet R1 oftast måste väljas, annars kommer det erforderliga värdet för Epit / 2 på kollektorn inte att erhållas.

Samlarmotståndet R2 är inställt som ett villkor för problemet, eftersom kollektorströmmen och förstärkningen av kaskaden som helhet beror på dess storlek: ju större motstånd R2 är, desto högre förstärkning. Men du måste vara försiktig med detta motstånd, kollektorströmmen måste vara mindre än det maximalt tillåtna för denna typ av transistor.

Schemat är mycket enkelt, men denna enkelhet ger det negativa egenskaper, och du måste betala för denna enkelhet. Först beror förstärkningen av kaskaden på transistorns specifika instans: den ersatte transistorn under reparation, - välj offset igen, mata ut den till driftspunkten.

För det andra, från omgivningstemperaturen, - med ökande temperatur ökar kollektorns bakström Ico, vilket leder till en ökning av kollektorströmmen. Och var är då halva matningsspänningen på Epit / 2-kollektorn, samma arbetspunkt? Som ett resultat värms transistorn upp ännu mer, varefter den misslyckas.För att bli av med detta beroende, eller åtminstone minimera det, införs ytterligare delar av negativ feedback - OOS - i transistorkaskaden.

Figur 6 visar en krets med en fast förspänning.

Figur 6

Det verkar som om spänningsdelaren Rb-k, Rb-e kommer att ge den erforderliga initiala förskjutningen av kaskaden, men i själva verket har en sådan kaskad alla nackdelarna med en fast strömkrets. Således är den visade kretsen bara en variation av den fasta strömkretsen som visas i figur 5.

System med termisk stabilisering

Situationen är något bättre för tillämpningen av de scheman som visas i figur 7.

Figur 7

I en kollektorstabiliserad krets är förspänningsmotståndet R1 inte anslutet till kraftkällan, utan till transistorns kollektor. I detta fall, om temperaturen ökar, ökar den omvända strömmen, transistorn öppnas starkare, kollektorspänningen minskar. Denna minskning leder till en minskning av förspänningen som matas till basen genom R1. Transistorn börjar stänga, kollektorströmmen minskar till ett acceptabelt värde, arbetspunkternas position återställs.

Det är uppenbart att en sådan stabiliseringsåtgärd leder till en viss minskning av förstärkningen av kaskaden, men detta spelar ingen roll. Den saknade förstärkningen läggs vanligen till genom att öka antalet amplifieringssteg. Men ett sådant miljöskyddssystem kan utvidga kaskadens driftstemperatur betydligt.

Kaskadens kretsar med emitterstabilisering är något mer komplicerade. Förstärkningsegenskaperna för sådana kaskader förblir oförändrade inom ett ännu större temperaturområde än i den kollektorstabiliserade kretsen. Och ytterligare en obestridlig fördel - när du byter ut en transistor behöver du inte välja om kaskadens driftsätt.

Emittermotståndet R4, som ger temperaturstabilisering, minskar också förstärkningen av kaskaden. Detta är för likström. För att utesluta påverkan från motståndet R4 på förstärkningen av växelström överbryggas motståndet R4 av kondensatorn Ce, vilket är ett obetydligt motstånd för växelström. Dess värde bestäms av förstärkarens frekvensområde. Om dessa frekvenser ligger inom ljudområdet kan kondensatorns kapacitet vara från enheter till tiotals eller till och med hundratals mikrofarader. För radiofrekvenser är detta redan hundratals eller tusendelar, men i vissa fall fungerar kretsen bra även utan denna kondensator.

För att bättre förstå hur emitterstabilisering fungerar måste du överväga kretsen för att slå på en transistor med en gemensam OK-kollektor.

Den gemensamma kollektorkretsen (OK) visas i figur 8. Denna krets är en skiva i figur 2, från den andra delen av artikeln, där alla tre transistoromkopplingskretsar visas.

Figur 8

Kaskaden laddas av emittermotståndet R2, insignalen tillförs genom kondensatorn Cl, och utsignalen tas bort genom kondensatorn C2. Här kan du fråga, varför kallas detta schema OK? Faktum är att om vi minns OE-kretsen är det tydligt där att emittern är ansluten till en gemensam kretsledning relativt vilken insignalen matas och utsignalen tas.

I OK-kretsen är kollektorn helt enkelt ansluten till en strömkälla, och vid första anblicken verkar det som om det inte har något att göra med ingångs- och utsignalen. Men faktiskt har EMF-källan (kraftbatteri) ett mycket litet internt motstånd, för en signal är det nästan en punkt, samma kontakt.

Mer detaljerat kan funktionen av OK-kretsen ses i figur 9.

Figur 9

Det är känt att för kiseltransistorer är spänningen för bi-e-övergången i intervallet 0,5 ... 0,7 V, så att du kan ta den i genomsnitt 0,6 V, om du inte sätter målet att göra beräkningar med en noggrannhet av tiondelar av en procent. Såsom kan ses i figur 9 kommer utspänningen alltid att vara mindre än ingångsspänningen med värdet på Ub-e, nämligen de samma 0,6V.Till skillnad från OE-kretsen inverterar inte denna krets insignalen, den repeterar den helt enkelt och reducerar den till och med 0,6V. Denna krets kallas också en emitterföljare. Varför behövs ett sådant system, vad använder det?

OK-kretsen förstärker strömmen signalen h21e gånger, vilket indikerar att kretsens ingångsmotstånd är h21e gånger större än motståndet i emitterkretsen. Med andra ord, utan rädsla för att bränna transistorn kan du applicera spänning direkt på basen (utan begränsande motstånd). Ta bara basstiftet och anslut den till + U-elbussen.

Med en hög ingångsimpedans kan du ansluta en ingångskälla med hög impedans (komplex impedans), t.ex. en piezoelektrisk pickup. Om en sådan pickup är ansluten till kaskaden enligt OE-schemat, "landar" helt enkelt pickup-signalen - den här radion kommer inte att spela ".

Ett särdrag hos OK-kretsen är att dess kollektorström Ik endast beror på inmatningssignalkällans belastningsmotstånd och spänning. Samtidigt spelar inte transistorns parametrar någon roll alls. De säger om sådana kretsar att de täcks av hundra procent spänningsåterkoppling.

Som visas i figur 9 är strömmen i emitterbelastningen (det är emitterströmmen) In = Ik + Ib. Med hänsyn till att basströmmen Ib är försumbar jämfört med kollektorströmmen Ik, kan vi anta att lastströmmen är lika med kollektorströmmen IN = Iк. Strömmen i lasten är (Uin - Ube) / Rн. I det här fallet antar vi att Ube är känd och alltid är lika med 0,6V.

Av detta följer att kollektorströmmen Ik = (Uin - Ube) / Rn endast beror på ingångsspänningen och lastmotståndet. Belastningsmotståndet kan ändras inom vida gränser, men det är inte nödvändigt att speciellt ivriga. Om vi ​​istället för RN sätter en spik - en hundraedel, så kan ingen transistor tåla det!

OK-kretsen gör det ganska enkelt att mäta den statiska strömöverföringskoefficienten h21e. Hur man gör detta visas i figur 10.

Figur 10

Mät först belastningsströmmen som visas i figur 10a. I detta fall behöver inte transistorns bas anslutas någonstans, som visas på figuren. Därefter mäts basströmmen i enlighet med figur 10b. Mätningar bör i båda fallen utföras i samma mängder: antingen i ampère eller milliamperes. Strömförsörjningsspänningen och belastningen ska förbli oförändrade i båda mätningarna. För att ta reda på den statiska koefficienten för strömöverföring räcker det att dela lastströmmen med basströmmen: h21e ≈ In / IB.

Det bör noteras att med en ökning av lastströmmen minskar h21e något, och med en ökning av matningsspänningen ökar den. Emitterrepeatrar är ofta byggda på en push-pull-krets med komplementära par av transistorer, vilket gör det möjligt att öka enhetens utgångseffekt. En sådan emitterföljare visas i figur 11.

Figur 11

Figur 12.

Slå på transistorer enligt ett schema med en gemensam OB-bas

En sådan krets ger endast spänningsförstärkning, men har bättre frekvensegenskaper jämfört med OE-kretsen: samma transistorer kan arbeta vid högre frekvenser. Den huvudsakliga tillämpningen av OB-schemat är UHF-antennförstärkare. Ett diagram över antennförstärkaren visas i figur 12.