Bipolárne tranzistory: obvody, režimy, modelovanie

Tranzistor sa objavil v roku 1948 (1947) vďaka práci troch inžinierov a Shockley, Bradstein, Bardin. V týchto dňoch sa ich rýchly rozvoj a popularizácia zatiaľ nepredpokladali. V Sovietskom zväze v roku 1949 prototyp tranzistora predstavil vedecký svet laboratórium Krasilov, išlo o triodu C1-C4 (germánium). Termín tranzistor sa objavil neskôr, v 50. alebo 60. rokoch.

Našli však široké uplatnenie na konci 60. a začiatkom 70. rokov, keď sa do módy dostali prenosné rádiá. Mimochodom, už dlho sa nazývajú „tranzistor“. Toto meno uviazlo v dôsledku skutočnosti, že nahradili elektronické elektrónky polovodičovými prvkami, čo spôsobilo revolúciu v rádiovom inžinierstve.

Čo je polovodič?

Tranzistory sú vyrobené z polovodičových materiálov, napríklad kremík, germánium bolo predtým populárne, ale v súčasnosti sa zriedka vyskytuje kvôli vysokým nákladom a horším parametrom, pokiaľ ide o teplotu a ďalšie veci.

Polovodiče sú materiály, ktoré zaberajú vodivosť medzi vodičmi a dielektrikami. Ich odpor je miliónkrát väčší ako vodič a stovky miliónov menej ako dielektrikum. Ďalej, aby nimi mohol prúd pretekať, je potrebné priviesť napätie presahujúce medzeru v pásme, aby sa nosiče náboja pohybovali z valenčného pásma do vodivého pásma.

Vodiče zakázanej zóny ako také nie sú prítomné. Nosič náboja (elektrón) sa môže pohybovať do vodivého pásma nielen vplyvom vonkajšieho napätia, ale aj z tepla - to sa nazýva tepelný prúd. Prúd spôsobený ožarovaním svetelného toku polovodiča sa nazýva fotoprúd. Fotorezistory, fotodiódy a ďalšie fotocitlivé prvky pracujú na tomto princípe.

Pre porovnanie, pozrite sa na tých v dielektrikách a dirigentoch:

Docela zrejmé. Z grafov je zrejmé, že dielektrika môže stále viesť prúd, ale to sa stáva aj po prekonaní zakázanej zóny. V praxi sa to nazýva dielektrické poruchové napätie.

Rozdiel medzi germániom a kremíkovými štruktúrami je taký, že v prípade germánia je medzera v pásme rádovo 0,3 eV (elektrónový volt) a kremík je väčší ako 0,6 eV. Na jednej strane to spôsobuje viac strát, ale použitie kremíka je spôsobené technologickými a ekonomickými faktormi.

V dôsledku dopingu polovodič dostáva ďalšie nábojové nosiče pozitívne (diery) alebo negatívne (elektróny), čo sa nazýva polovodič typu p alebo n. Možno ste už počuli frázu „pn junction“. Toto je hranica medzi polovodičmi rôznych typov. V dôsledku pohybu nábojov, tvorby ionizovaných častíc každého typu nečistoty do hlavného polovodiča, vytvárajú sa potenciálne bariéry, nedovoľuje prúdiť prúdom v oboch smeroch, viac o tom je popísané v knihe. „Tranzistor je jednoduchý.“.

Zavedenie ďalších nosičov náboja (doping polovodičov) umožnilo vytvoriť polovodičové zariadenia: diódy, tranzistory, tyristory atď. Najjednoduchším príkladom je dióda, ktorej činnosť sme skúmali. v predchádzajúcom článku.

Ak použijete napätie v predpätí, t.j. Do oblasti p vstúpim pozitívne, záporný prúd bude prúdiť do oblasti n a naopak prúd nebude prúdiť. Faktom je, že pri priamej zaujatosti sú hlavné nosiče náboja v p-oblasti (diere) pozitívne a odpudzujú pozitívny potenciál zdroja energie a majú tendenciu smerovať do regiónu s negatívnejším potenciálom.

Zároveň sa záporné nosiče n-oblasti odrazia od záporného pólu zdroja energie. Obidve nosiče majú sklon k rozhraniu (pn križovatka).Prechod je užší a dopravcovia prekonávajú potenciálnu bariéru a pohybujú sa v oblastiach s opačnými poplatkami, kde sa s nimi kombinujú ...

Ak je použité spätné predpätie, potom sa kladné nosiče p-oblasti pohybujú smerom k zápornej elektróde zdroja energie a elektróny z n-oblasti sa pohybujú smerom k kladnej elektróde. Prechod sa rozširuje, prúd neprúdi.

Ak sa nezaoberáte podrobnosťami, stačí to na pochopenie procesov prebiehajúcich v polovodičoch.

Podmienené grafické označenie tranzistora

V Ruskej federácii sa takéto tranzistorové označenie prijíma tak, ako vidíte na obrázku nižšie. Kolektor je bez šípky, emitor je so šípkou a základňa je kolmá na čiaru medzi žiaričom a kolektorom. Šípka na žiariči ukazuje smer prúdenia (od plusu po mínus). Pre štruktúru NPN je emitorová šípka nasmerovaná zo základne a pre PNP je nasmerovaná k základni.

Rovnaké označenie sa navyše často vyskytuje v schémach, ale bez kruhu. Štandardné označenie písmenom je „VT“ a číslo v poradí v diagrame, niekedy jednoducho píšu „T“.

 

Obrázok tranzistorov bez kruhu

Čo je tranzistor?

Tranzistor je aktívne polovodičové zariadenie určené na zosilňovanie signálu a generovanie kmitov. Vymenil vákuové trubice - triódy. Tranzistory majú zvyčajne tri nohy - kolektor, žiarič a základňu. Základom je riadiaca elektróda, ktorá do nej dodáva prúd, riadime kolektorový prúd. Teda pomocou malého základného prúdu regulujeme veľké prúdy vo výkonovom obvode a signál sa zosilňuje.

Bipolárne tranzistory sú priame vpred (PNP) a reverzná vodivosť (NPN). Ich štruktúra je znázornená nižšie. Obvykle báza zaberá menší objem polovodičového kryštálu.

charakteristiky

Hlavné charakteristiky bipolárnych tranzistorov:

• Ic - maximálny kolektorový prúd (nemôže byť vyšší - horí);

• Ucemax - maximálne napätie, ktoré môže byť aplikované medzi kolektorom a žiaričom (nie je možné ho vyššie - zlomí sa);

• Ucesat je saturačné napätie tranzistora. Pokles napätia v saturačnom režime (čím menšie, tým menšie straty v otvorenom stave a zahrievanie);

• Β alebo H21E - zisk tranzistora rovný Ik / Ib. Závisí od modelu tranzistora. Napríklad pri zosilnení 100 pri prúde cez základňu 1 mA pretečie cez kolektor prúd 100 mA atď.

O tranzistorových prúdoch sa oplatí povedať, že sú tri:

1. Základný prúd.

2. Prúd kolektora.

3. Prúd žiariča - obsahuje základný prúd a prúd žiariča.

Najčastejšie emitorový prúd klesá, pretože takmer sa nelíši od prúdu kolektora vo veľkosti. Jediný rozdiel spočíva v tom, že kolektorový prúd je hodnotou základného prúdu menší ako emitorový prúd tranzistory majú vysoký zisk (povedzme 100), potom pri prúde 1A emitorom prúdi cez bázu 10 mA a 990 mA cez kolektor. Súhlasíte, je to dosť malý rozdiel, aby ste naň mohli pri štúdiu elektroniky. Preto je charakteristika a uvedená Icmax.

Prevádzkové režimy

Tranzistor môže pracovať v rôznych režimoch:

1. Režim saturácie. Zjednodušene povedané, ide o režim, v ktorom je tranzistor v maximálnom otvorenom stave (oba prechody sú ovplyvnené vprednom smere).

2. Režim prerušenia je, keď prúd neprúdi a tranzistor je uzavretý (oba prechody sú ovplyvnené v opačnom smere).

3. Aktívny režim (základňa kolektora je predpätá v opačnom smere a emitorová základňa je predpätá v smere dopredu).

4. Inverzný aktívny režim (základňa kolektora je predpätá vpred a emitorová základňa je predpätá v opačnom smere), ale používa sa zriedka.

Typické tranzistorové spínacie obvody

Existujú tri typické tranzistorové spínacie obvody:

1. Všeobecný základ.

2. Všeobecný žiarič.

3. Spoločný zberateľ.

Vstupný obvod sa považuje za základňu emitora a výstupný obvod je kolektor-emitor. Zatiaľ čo vstupný prúd je základný prúd a výstupom je kolektorový prúd.

V závislosti od spínacieho obvodu zosilňujeme prúd alebo napätie.V učebniciach je zvyčajné uvažovať len o takýchto schémach začleňovania, ale v praxi to nevyzerá tak zrejmé.

Je potrebné poznamenať, že keď sa pripájame k obvodu so spoločným kolektorom, zosilňujeme prúd a dostávame fázové (rovnaké ako vstupné polaritu) napätie na vstupe a výstupe a v obvode so spoločným emitorom získame napätie a inverzné zosilnenie napätia (výstup je obrátený vzhľadom na vstup). Na konci článku budeme takéto obvody simulovať a jasne to uvidíme.

Tranzistorové kľúčové modelovanie

Prvý model, na ktorý sa pozrieme, je tranzistor v kľúčovom režime, Aby ste to dosiahli, musíte vybudovať obvod ako na obrázku nižšie. Predpokladajme, že zahrneme záťaž s prúdom 0,1A, jeho úlohu bude hrať odpor R3 inštalovaný v kolektorovom obvode.

V dôsledku experimentov som zistil, že h21E vybraného tranzistorového modelu je asi 20, mimochodom, v údajovom liste na MJE13007 sa uvádza od 8 do 40.

Základný prúd by mal byť okolo 5 mA. Delič sa vypočíta tak, aby základný prúd mal minimálny vplyv na deličový prúd. Aby špecifikované napätie neklesalo pri zapnutí tranzistora. Preto je súčasný delič nastavený na 100 mA.

Rbrosch = (12 V - 0,6 V) / 0,005 = 2280 Ohm

Toto je vypočítaná hodnota, prúdy v dôsledku toho vyšli takto:

Pri základnom prúde 5 mA bol prúd v záťaži približne 100 mA, napätie na tranzistore kleslo na 0,27 V. Výpočty sú správne.

Čo sme dostali?

Môžeme regulovať záťaž, ktorej prúd je 20-násobkom regulačného prúdu. Pre ďalšie zosilnenie môžete duplikovať kaskádu, čím sa zníži riadiaci prúd. Alebo použite iný tranzistor.

Prúd kolektora bol obmedzený odporom záťaže, pre experiment som sa rozhodol urobiť záťažový odpor 0 Ohm, potom prúd cez tranzistor je nastavený základným prúdom a ziskom. V dôsledku toho sa prúdy prakticky nelíšia, ako vidíte.

Aby sme mohli sledovať vplyv typu tranzistora a jeho zosilnenie na prúdy, nahradíme ho bez zmeny parametrov obvodu.

Po výmene tranzistora z MJE13007 na MJE18006 obvod pokračoval v činnosti, ale 0,14 V poklesol na tranzistore, čo znamená, že pri rovnakom prúde sa tento tranzistor zahrieva menej, pretože bude vynikať v teple

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

A v predchádzajúcom prípade:

Potprevious = 0,27 V * 0,1 A = 0,027 W

Rozdiel je takmer dvojnásobný, ak to nie je také významné pri desatinách wattov, predstavte si, čo sa stane pri prúdoch desiatok ampér, potom sa strata stonásobne zvýši. To vedie k tomu, že sa kľúče prehrievajú a zlyhávajú.

Teplo, ktoré sa uvoľňuje počas zahrievania, sa šíri zariadením a môže spôsobiť problémy pri prevádzke susedných komponentov. Na tento účel sú všetky výkonové prvky inštalované na radiátoroch a niekedy sa používajú aktívne chladiace systémy (chladič, kvapalina atď.).

Navyše so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje vodivosť polovodiča, rovnako ako prúd, ktorý nimi prechádza, čo opäť spôsobuje zvýšenie teploty. Lavínový proces zvyšovania prúdu a teploty nakoniec zabije kľúč.

Záver je tento: Čím je pokles napätia cez tranzistor v otvorenom stave, tým menšie je jeho zahrievanie a vyššia účinnosť celého obvodu.

Pokles napätia na kľúči sa zmenšil v dôsledku skutočnosti, že sme vložili výkonnejší kľúč s vyšším ziskom, aby sme sa uistili, že odstránime záťaž z obvodu. Aby som to urobil, znova som nastavil R3 = 0 Ohmov. Prúd kolektora bol 219 mA, na MJE13003 v rovnakom obvode to bolo približne 130 mA, čo znamená, že H21E v modeli tohto tranzistora je dvakrát tak veľká.

Je potrebné poznamenať, že zisk jedného modelu sa v závislosti od konkrétneho prípadu môže meniť desaťkrát až stokrát. To vyžaduje vyladenie a nastavenie analógových obvodov. V tomto programe sa fixné koeficienty používajú v tranzistorových modeloch, viem logiku ich výberu. Na MJE18006 v údajovom liste je maximálny pomer H21E 36.

Simulácia striedavého zosilňovača

Daný model zobrazuje správanie sa kľúča, ak sa naň aplikuje striedavý signál a jednoduchý obvod na jeho zahrnutie do obvodu. To sa podobá obvodu hudobného zosilňovača výkonu.

Zvyčajne používajú niekoľko takýchto sériovo zapojených kaskád. Počet a schémy kaskád, ich výkonové obvody závisia od triedy, v ktorej zosilňovač pracuje (A, B atď.). Budem simulovať najjednoduchší zosilňovač triedy A, ktorý pracuje v lineárnom režime, ako aj zoberať priebeh vstupného a výstupného napätia.

Rezistor R1 nastavuje pracovný bod tranzistora. V učebniciach píšu, že musíte nájsť taký bod na priamom segmente CVC tranzistora. Ak je predpätie príliš nízke, dolná polovica vlny signálu bude skreslená.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondenzátory sú potrebné na oddelenie premennej zložky od konštanty. Odpory R2 sú nainštalované na nastavenie prevádzkového režimu kľúča a nastavenie prevádzkových prúdov. Pozrime sa na priebeh. Dáme signál s amplitúdou 10 mV a frekvenciou 10 000 Hz. Výstupná amplitúda je takmer 2V.

Purpurová indikuje výstupný priebeh, červená indikuje vstupný priebeh.

Upozorňujeme, že signál je invertovaný, t. výstupný signál je invertovaný vzhľadom na vstup. Toto je vlastnosť spoločného emitorového obvodu. Podľa schémy je signál odstránený z kolektora. Preto, keď je tranzistor otvorený (keď stúpne vstupný signál), napätie na ňom klesne. Keď vstupný signál poklesne, tranzistor sa začne uzatvárať a napätie sa začína zvyšovať.

Táto schéma sa považuje za najvyššiu kvalitu, pokiaľ ide o kvalitu prenosu signálu, ale musíte za ňu platiť so silou strát. Faktom je, že v stave, keď nie je na vstupe žiadny signál, je tranzistor vždy otvorený a vedie prúd. Potom sa uvoľní teplo:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE je pokles tranzistora v neprítomnosti vstupného signálu.

Toto je najjednoduchší obvod zosilňovača, zatiaľ čo ktorýkoľvek iný obvod funguje týmto spôsobom, iba spojenie prvkov a ich kombinácia je odlišná. Napríklad tranzistorový zosilňovač triedy B pozostáva z dvoch tranzistorov, z ktorých každý pracuje pre svoju vlastnú vlnu.

Tu sa používajú tranzistory rôznych vodivostí:

• VT1 je NPN;

• VT2 - PNP.

Pozitívna časť premenného vstupného signálu otvára horný tranzistor a záporný - dolný.

Táto schéma poskytuje vyššiu účinnosť vďaka skutočnosti, že tranzistory sa úplne otvárajú a zatvárajú. Pretože signál chýba - oba tranzistory sú uzavreté, obvod nespotrebúva prúd, takže nedochádza k žiadnym stratám.

záver

Pochopenie činnosti tranzistora je veľmi dôležité, ak sa chystáte robiť elektroniku. V tejto oblasti je dôležité nielen naučiť sa zostavovať schémy, ale aj analyzovať ich. Ak chcete systematicky študovať a porozumieť zariadeniam, musíte pochopiť, kde a ako budú prúdiť. Pomôže to pri montáži, ako aj pri nastavovaní a oprave obvodov.

Stojí za zmienku, že som úmyselne vynechal mnohé nuansy a faktory, aby som nepreťažil článok. Zároveň je to po výpočtoch stále vyzdvihnúť odpory, Pri modelovaní je to ľahké. Ale v praxi zmerajte prúdy a napätia multimetrom, av ideálnom prípade je to potrebné osciloskopaby ste skontrolovali, či sa vstupné a výstupné krivky zhodujú, inak budete mať skreslenie.