Bipolární tranzistorové spínací obvody

Tranzistor je polovodičové zařízení, které může zesilovat, převádět a generovat elektrické signály. První operační bipolární tranzistor byl vynalezen v roce 1947. Materiál pro jeho výrobu byl germanium. A již v roce 1956 se zrodil křemíkový tranzistor.

Bipolární tranzistor používá dva typy nosných nábojů - elektrony a díry, a proto se takové tranzistory nazývají bipolární. Kromě bipolárních existují i ​​unipolární (polní) tranzistory, ve kterých se používá pouze jeden typ nosiče - elektrony nebo díry. Tento článek se bude zabývat bipolární tranzistory.

Dlouhá doba tranzistory byli to hlavně germanium a měli strukturu p-n-p, což bylo vysvětleno schopnostmi tehdejších technologií. Parametry germaniových tranzistorů však byly nestabilní, jejich největší nevýhodou je nízká provozní teplota - ne více než 60..70 stupňů Celsia. Při vyšších teplotách se tranzistory staly nekontrolovatelné a poté zcela selhaly.

V průběhu času začaly křemíkové tranzistory vytlačovat protějšky germania. V současné době jsou to hlavně křemík a používají se, a to není překvapivé. Koneckonců křemíkové tranzistory a diody (téměř všechny typy) zůstávají funkční až do 150 ... 170 stupňů. Křemíkové tranzistory jsou také „nádivkou“ všech integrovaných obvodů.

Tranzistory jsou právem považovány za jeden z velkých objevů lidstva. Když vyměnili elektronické lampy, nejen je vyměnili, ale provedli revoluci v elektronice, překvapili a šokovali svět. Pokud by neexistovaly tranzistory, pak by se mnoho moderních zařízení a zařízení, tak známých a blízkých, prostě nenarodilo: představte si například mobilní telefon s elektronickými lampami! Pro více informací o historii tranzistorů, viz zde.

Většina křemíkových tranzistorů má strukturu n-p-n, což je také vysvětleno výrobní technologií, ačkoli existují křemíkové tranzistory typu p-n-p, ale jsou o něco menší než struktury n-p-n. Tyto tranzistory se používají jako součást komplementárních párů (tranzistory různé vodivosti se stejnými elektrickými parametry). Například KT315 a KT361, KT815 a KT814 a ve výstupních fázích tranzistoru UMZCH KT819 a KT818. V importovaných zesilovačích se často používá výkonný doplňkový pár 2SA1943 a 2SC5200.

Tranzistory struktury p-n-p jsou často označovány jako tranzistory pro přímou vodivost a struktury n-p-n jsou reverzními tranzistory. Z nějakého důvodu se takové jméno v literatuře téměř nikdy nenachází, ale v okruhu rádiových techniků a rádiových nadšenců se používá všude, každý okamžitě chápe, o co jde. Obrázek 1 ukazuje schematickou strukturu tranzistorů a jejich grafických symbolů.

Obrázek 1

Kromě rozdílů v typu vodivosti a materiálu jsou bipolární tranzistory klasifikovány podle výkonu a provozní frekvence. Pokud rozptylový výkon na tranzistoru nepřesáhne 0,3 W, považuje se tento tranzistor za nízký výkon. S výkonem 0,3 ... 3 W se tranzistor nazývá tranzistor se středním výkonem as výkonem vyšším než 3 W je výkon považován za velký. Moderní tranzistory jsou schopny rozptýlit sílu několika desítek nebo dokonce stovek wattů.

Tranzistory zesilují elektrické signály stejně dobře: s rostoucí frekvencí zesílení zesílení tranzistorového stupně klesá a při určité frekvenci se zastaví úplně. Proto, pro práci v širokém rozsahu frekvencí, jsou k dispozici tranzistory s různými frekvenčními vlastnostmi.

Podle pracovní frekvence jsou tranzistory rozděleny na nízkofrekvenční, - pracovní frekvence není vyšší než 3 MHz, střední frekvence - 3 ... 30 MHz, vysokofrekvenční - více než 30 MHz.Pokud provozní frekvence přesáhne 300 MHz, jedná se o mikrovlnné tranzistory.

Obecně platí, že v seriózních silných referenčních příručkách existuje více než 100 různých parametrů tranzistorů, což také naznačuje velké množství modelů. A počet moderních tranzistorů je takový, že již nemohou být umístěny v žádném adresáři. A sestava neustále roste, což nám umožňuje řešit téměř všechny úkoly stanovené vývojáři.

Existuje mnoho tranzistorových obvodů (pamatujte si na množství alespoň vybavení domácnosti) pro zesílení a převod elektrických signálů, ale se vší rozmanitostí se tyto obvody skládají ze samostatných stupňů, jejichž základem jsou tranzistory. K dosažení potřebného zesílení signálu je nutné použít několik stupňů zesílení zapojených do série. Abyste pochopili, jak fungují zesilovací fáze, musíte se lépe seznámit s tranzistorovými spínacími obvody.

Tranzistor sám nemůže nic zesílit. Jeho zesilovací vlastnosti spočívají v tom, že malé změny vstupního signálu (proud nebo napětí) vedou k významným změnám napětí nebo proudu na výstupu kaskády v důsledku výdajů na energii z externího zdroje. Právě tato vlastnost je široce používána v analogových obvodech - zesilovače, televize, rádio, komunikace atd.

Pro zjednodušení prezentace uvažujeme obvody na tranzistorech struktury n-p-n. Všechno, co bude řečeno o těchto tranzistorech, platí stejně pro tranzistory p-n-p. Stačí změnit polaritu zdrojů energie, elektrolytické kondenzátory a diodypokud existuje, získat pracovní okruh.

Tranzistorové spínací obvody

Celkem existují tři taková schémata: obvod se společným emitorem (OE), obvod se společným kolektorem (OK) a obvod se společnou základnou (OB). Všechna tato schémata jsou uvedena na obrázku 2.

Obrázek 2

Než se však podíváme na tyto obvody, měli byste se seznámit s tím, jak tranzistor pracuje v klíčovém režimu. Toto seznámení by mělo usnadnit porozumění. tranzistorový provoz v režimu zisku. V jistém smyslu může být klíčové schéma považováno za druh schématu s MA.

Tranzistorový provoz v klíčovém režimu

Před studiem provozu tranzistoru v režimu zesílení signálu je třeba si uvědomit, že tranzistory se často používají v klíčovém režimu.

Tento režim provozu tranzistoru byl zvažován po dlouhou dobu. V srpnovém čísle časopisu Rádio byl publikován článek G. Lavrova „Semiconductor triode in key mode“. Autor článku navrhl upravit rychlost motoru kolektoru změna doby trvání pulzů v řídicím vinutí (OS). Nyní se tento způsob regulace nazývá PWM a používá se poměrně často. Diagram z deníku té doby je znázorněn na obrázku 3.

Obrázek 3

Klíčový režim se ale používá nejen v systémech PWM. Tranzistor často něco jen zapíná a vypíná.

V tomto případě lze relé použít jako zátěž: vydali vstupní signál - relé zapnuto, ne - relé relé vypnuto. Místo relé v klíčovém režimu se často používají žárovky. Obvykle se to provádí pro indikaci: světlo je buď zapnuto nebo vypnuto. Schéma takové klíčové fáze je znázorněno na obrázku 4. Klíčové fáze se používají také pro práci s LED nebo optočleny.

Obrázek 4

Na obrázku je kaskáda ovládána normálním kontaktem, i když může existovat digitální čip nebo mikrokontrolér. Automobilová žárovka, tato se používá k osvětlení přístrojové desky v „Lada“. Je třeba poznamenat, že pro řízení se používá 5V a komutované kolektorové napětí je 12V.

V tom není nic zvláštního, protože napětí v tomto obvodu nehraje žádnou roli, důležité jsou pouze proudy.Proto může být žárovka alespoň 220 V, pokud je tranzistor konstruován tak, aby pracoval při takovém napětí. Napětí zdroje kolektoru musí také odpovídat provoznímu napětí zátěže. S pomocí těchto kaskád je zátěž připojena k digitálním mikroobvodům nebo mikrokontrolérům.

V tomto schématu řídí základní proud kolektorový proud, který je díky energii zdroje energie několik desítek nebo dokonce stokrát (v závislosti na zatížení kolektoru) než základní proud. Je snadno vidět, že nastává současné zesílení. Když je tranzistor v klíčovém režimu, je hodnota použitá při výpočtu kaskády v referenčních knihách obvykle označována jako "aktuální zisk v režimu velkého signálu", označený písmenem ß v referenčních knihách. Toto je poměr proudu kolektoru, určený zátěží, k minimálnímu možnému základnímu proudu. Ve formě matematického vzorce to vypadá takto: β = Iк / Iб.

U většiny moderních tranzistorů je koeficient β je poměrně velký, zpravidla od 50 a vyšší, proto při výpočtu klíčového stupně lze považovat pouze za 10. I když se základní proud ukáže být větší než vypočtený, tranzistor z toho neotevře víc, pak je to také klíčový režim.

Pro osvětlení žárovky znázorněné na obrázku 3, Ib = Ik / β = 100 mA / 10 = 10 mA, je to alespoň. Při regulačním napětí 5 V na základním odporu Rb mínus pokles napětí v sekci BE zůstane 5 V - 0,6 V = 4,4 V. Odpor základního odporu je: 4,4 V / 10 mA = 440 Ohmů. Ze standardní řady je vybrán odpor s odporem 430 ohmů. Napětí 0,6 V je napětí na křižovatce B - E a při výpočtu by se nemělo zapomínat!

Aby se zajistilo, že základna tranzistoru nezůstane „viset ve vzduchu“, když se ovládací kontakt otevře, je přechod B - E obvykle posunut odporem Rbe, který spolehlivě uzavře tranzistor. Tento rezistor by neměl být zapomenut, ačkoli z nějakého důvodu není z nějakého důvodu, což může vést k nesprávnému fungování kaskády z rušení. Ve skutečnosti každý věděl o tomto odporu, ale z nějakého důvodu zapomněli, a znovu šlápli na „hrábě“.

Hodnota tohoto rezistoru musí být taková, že když se kontakt otevře, napětí na základně by nebylo menší než 0,6 V, jinak by kaskáda byla nekontrolovatelná, jako by část B - E byla jednoduše zkratována. V praxi je rezistor RBe nastaven na hodnotu asi desetkrát vyšší než RB. Ale i když je hodnota Rb 10K, obvod bude fungovat docela spolehlivě: potenciál základny a emitoru bude stejný, což povede k uzavření tranzistoru.

Takováto klíčová kaskáda, pokud funguje, může zapnout žárovku na plné teplo nebo ji úplně vypnout. V tomto případě může být tranzistor plně otevřen (nasycený stav) nebo úplně uzavřen (přerušený stav). Okamžitý závěr samozřejmě sám naznačuje, že mezi těmito „hraničními“ stavy existuje něco, když žárovka zcela svítí. Je v tomto případě tranzistor napůl otevřený nebo napůl uzavřený? Je to jako v případě plnění sklenice: optimista vidí sklenici napůl naplněnou, zatímco pesimista ji považuje za napůl prázdnou. Tento režim provozu tranzistoru se nazývá zesilovací nebo lineární.

Tranzistorová operace v režimu zesílení signálu

Téměř všechna moderní elektronická zařízení se skládají z mikroobvodů, ve kterých jsou tranzistory „skryté“. Jednoduše vyberte provozní režim operačního zesilovače, abyste získali požadovaný zisk nebo šířku pásma. Navzdory tomu se však kaskády často používají na diskrétních („volných“) tranzistorech, a proto je prostě nezbytné pochopit fungování stupně zesilovače.

Nejběžnějším začleněním tranzistoru ve srovnání s OK a OB je obvod společného emitoru (OE). Důvodem této prevalence je především vysoký zisk napětí a proudu.Nejvyššího zisku OE kaskády je dosaženo, když polovina napětí napájecího zdroje Epit / 2 klesne při zatížení kolektoru. V důsledku toho druhá polovina padá na K-E sekci tranzistoru. Toho je dosaženo nastavením kaskády, která bude popsána níže. Tento režim zisku se nazývá třída A.

Když zapnete tranzistor pomocí OE, výstupní signál na kolektoru je v antifázi se vstupem. Jako nevýhody lze uvést, že vstupní impedance OE je malá (ne více než několik stovek ohmů) a výstupní impedance je v rozsahu desítek KOhms.

Pokud je v klíčovém režimu tranzistor charakterizován zesílením proudu v režimu velkého signálu  β, pak se v režimu zesílení použije „aktuální zisk v režimu malých signálů“ označený v referenčních knihách h21e. Toto označení pocházelo z reprezentace tranzistoru ve formě čtyř-koncového zařízení. Písmeno „e“ označuje, že měření byla provedena, když byl zapnut tranzistor se společným emitorem.

Koeficient h21e je zpravidla poněkud větší než β, i když ve výpočtech ho můžete použít jako první aproximaci. Rozptyl parametrů β a h21e je tak velký i pro jeden typ tranzistoru, že výpočty jsou pouze přibližné. Po těchto výpočtech se zpravidla vyžaduje konfigurace obvodu.

Zisk tranzistoru závisí na tloušťce základny, takže ji nemůžete změnit. Z tohoto důvodu je velké rozšíření zisku tranzistorů odebraných i z jedné krabice (odečteno jednu dávku). U tranzistorů s nízkým výkonem se tento koeficient pohybuje mezi 100 ... 1000 a pro výkonné 5 ... 200. Čím tenčí je základna, tím vyšší je poměr.

Nejjednodušší zapínací obvod pro tranzistor OE je zobrazen na obrázku 5. Toto je jen malý kus z obrázku 2, zobrazený ve druhé části článku. Tento obvod se nazývá obvod s pevným základním proudem.

Obrázek 5

Schéma je velmi jednoduché. Vstupní signál je dodáván do základny tranzistoru přes izolační kondenzátor C1 a po zesílení je odebírán z kolektoru tranzistoru přes kondenzátor C2. Účelem kondenzátorů je chránit vstupní obvody před konstantní složkou vstupního signálu (pamatujte pouze na uhlíkový nebo elektretový mikrofon) a zajistěte potřebnou šířku pásma kaskády.

Rezistor R2 je kolektorové zatížení kaskády a R1 dodává do základny konstantní předpětí. Pomocí tohoto odporu se snaží vyrobit napětí kolektoru Epit / 2. Tato podmínka se nazývá operační bod tranzistoru, v tomto případě je zisk kaskády maximální.

Přibližně odpor rezistoru R1 může být určen jednoduchým vzorcem R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1,8. Koeficient 1,5 ... 1,8 je nahrazen v závislosti na napájecím napětí: při nízkém napětí (ne více než 9V) není hodnota koeficientu vyšší než 1,5 a počínaje 50 V se přibližuje k 1,8 ... 2,0. Ve skutečnosti je však vzorec tak přibližný, že musí být nejčastěji vybrán rezistor R1, jinak nebude získána požadovaná hodnota Epit / 2 na kolektoru.

Odpor kolektoru R2 je nastaven jako podmínka problému, protože proud kolektoru a zesílení kaskády jako celku závisí na jeho velikosti: čím větší je odpor rezistoru R2, tím vyšší je zisk. Ale s tímto odporem musíte být opatrní, proud kolektoru musí být menší než maximální přípustný pro tento typ tranzistoru.

Schéma je velmi jednoduché, ale tato jednoduchost mu dává negativní vlastnosti a za tuto jednoduchost musíte platit. Zaprvé, zesílení kaskády závisí na konkrétní instanci tranzistoru: během opravy tranzistor nahradil, - znovu vyberte offset a odešlete jej do provozního bodu.

Za druhé, z okolní teploty, - se zvyšující se teplotou se zvyšuje zpětný proud Ico kolektoru, což vede ke zvýšení kolektorového proudu. A kde tedy je polovina napájecího napětí na kolektoru Epit / 2, stejný provozní bod? V důsledku toho se tranzistor zahřeje ještě více, po kterém selže.Abychom se této závislosti zbavili nebo ji alespoň minimalizovali, jsou do tranzistorové kaskády zavedeny další prvky negativní zpětné vazby - OOS.

Obrázek 6 ukazuje obvod s pevným předpětím.

Obrázek 6

Zdá se, že dělič napětí Rb-k, Rb-e poskytne požadované počáteční přemístění kaskády, ale ve skutečnosti taková kaskáda má všechny nevýhody obvodu s pevným proudem. Zobrazený obvod je tedy pouze variantou obvodu s pevným proudem zobrazeným na obrázku 5.

Schémata s tepelnou stabilizací

Situace je o něco lepší v případě použití schémat znázorněných na obrázku 7.

Obrázek 7

V obvodu stabilizovaném kolektorem není předpěťový rezistor R1 připojen ne ke zdroji energie, ale ke kolektoru tranzistoru. V tomto případě, pokud se teplota zvýší, vzroste zpětný proud, tranzistor se otevře silněji, napětí kolektoru se sníží. Toto snížení vede ke snížení předpětí dodávaného do základny přes R1. Tranzistor se začíná uzavírat, proud kolektoru klesá na přijatelnou hodnotu, poloha pracovního bodu je obnovena.

Je zřejmé, že takové stabilizační opatření vede k určitému snížení amplifikace kaskády, ale na tom nezáleží. Chybějící zisk se obvykle přidá zvýšením počtu stupňů amplifikace. Takový systém ochrany životního prostředí však může významně rozšířit rozsah provozních teplot kaskády.

Obvod kaskády se stabilizátorem emitoru je poněkud komplikovanější. Zesilující vlastnosti takových kaskád zůstávají nezměněny v ještě širším teplotním rozsahu než v obvodu stabilizovaném kolektorem. A ještě jedna nesporná výhoda - při výměně tranzistoru nemusíte znovu vybírat režimy kaskády.

Emitorový rezistor R4, poskytující stabilizaci teploty, také snižuje zisk kaskády. Toto je pro stejnosměrný proud. Aby se vyloučil vliv rezistoru R4 na zesílení střídavého proudu, je rezistor R4 přemostěn kondenzátorem Ce, což je nevýznamný odpor střídavého proudu. Jeho hodnota je určena frekvenčním rozsahem zesilovače. Pokud tyto frekvence leží ve zvukovém rozsahu, může být kapacita kondenzátoru od jednotek k desítkám nebo dokonce stovkám mikroffarád. U rádiových kmitočtů je to již stovky či tisíciny, ale v některých případech obvod funguje dobře i bez tohoto kondenzátoru.

Abychom lépe porozuměli tomu, jak stabilizace emitorů funguje, musíte zvážit obvod pro zapnutí tranzistoru pomocí běžného kolektoru OK.

Společný obvod kolektoru (OK) je zobrazen na obrázku 8. Tento obvod je částí obrázku 2 z druhé části článku, kde jsou zobrazeny všechny tři tranzistorové spínací obvody.

Obrázek 8

Kaskáda je zatížena emitorovým rezistorem R2, vstupní signál je přiváděn kondenzátorem C1 a výstupní signál je odstraňován kondenzátorem C2. Zde se můžete zeptat, proč se toto schéma nazývá OK? Pokud si vzpomeneme na OE obvod, je zde jasně vidět, že emitor je připojen ke společnému vodiči obvodu, vůči němuž je přiváděn vstupní signál a je přijímán výstupní signál.

V okruhu OK je kolektor jednoduše připojen ke zdroji energie a na první pohled se zdá, že nemá nic společného se vstupním a výstupním signálem. Ve skutečnosti však má zdroj EMF (napájecí baterie) velmi malý vnitřní odpor, pro signál je to téměř jeden bod, jeden a stejný kontakt.

Podrobněji lze činnost OK obvodu vidět na obrázku 9.

Obrázek 9

Je známo, že u křemíkových tranzistorů je napětí přechodu bi-e v rozmezí 0,5 ... 0,7 V, takže jej můžete vzít v průměru 0,6 V, pokud si nestanovíte cíl provádět výpočty s přesností na desetiny procenta. Jak je tedy vidět na obrázku 9, výstupní napětí bude vždy menší než vstupní napětí hodnotou Ub-e, jmenovitě těch stejných 0,6V.Na rozdíl od obvodu OE tento obvod neinvertuje vstupní signál, jednoduše jej opakuje a dokonce ho sníží o 0,6 V. Tento obvod se také nazývá sledovač emitorů. Proč je takový systém potřebný, jaké je jeho použití?

Ok OK zesiluje proudový signál h21e krát, což znamená, že vstupní impedance obvodu je h21ekrát větší než odpor v emitorovém obvodu. Jinými slovy, bez obav z pálení tranzistoru můžete použít napětí přímo na základnu (bez omezujícího rezistoru). Stačí vzít základní kolík a připojit jej k + U napájecí sběrnici.

Vysoká vstupní impedance umožňuje připojit vstupní zdroj s vysokou impedancí (složitá impedance), například piezoelektrický snímač. Pokud je takový snímač připojen kaskádě podle schématu OE, pak nízká vstupní impedance této kaskády jednoduše „přistane“ signál vyzvednutí - „rádio nebude hrát“.

Charakteristickým znakem obvodu OK je to, že jeho kolektorový proud Ik závisí pouze na odporu zátěže a napětí zdroje vstupního signálu. Současně parametry tranzistoru nehrají vůbec žádnou roli. O takových obvodech se říká, že jsou pokryty stoprocentní zpětnou vazbou napětí.

Jak je znázorněno na obrázku 9, proud v zátěži emitoru (je to emitorový proud) In = Ik + Ib. Vzhledem k tomu, že základní proud Ib je ve srovnání s kolektorovým proudem Ik zanedbatelný, můžeme předpokládat, že zátěžový proud je roven kolektorovému proudu Iн = Iк. Proud v zátěži bude (Uin - Ube) / Rн. V tomto případě předpokládáme, že Ube je znám a je vždy roven 0,6V.

Z toho vyplývá, že proud kolektoru Ik = (Uin - Ube) / Rn závisí pouze na vstupním napětí a odporu zátěže. Odolnost proti zatížení lze měnit v širokých mezích, není však třeba zvlášť horlivě. Opravdu, pokud místo Rн dáme hřebík - stotinu, pak žádný tranzistor to nevydrží!

Okruh OK umožňuje poměrně snadno změřit koeficient přenosu statického proudu h21e. Jak na to, je znázorněno na obrázku 10.

Obrázek 10

Nejprve změřte zátěžový proud, jak je znázorněno na obrázku 10a. V tomto případě nemusí být základna tranzistoru nikde připojena, jak je znázorněno na obrázku. Poté se základní proud měří podle obrázku 10b. Měření by měla být v obou případech prováděna ve stejných množstvích: buď v ampérech, nebo v miliampérech. Napájecí napětí a zátěž by se neměly při obou měřeních měnit. Pro zjištění statického koeficientu přenosu proudu stačí dělit zátěžový proud na základní proud: h21e ≈ In / IB.

Je třeba poznamenat, že se zvýšením zátěžového proudu h21e mírně klesá a se zvýšením napájecího napětí se zvyšuje. Zesilovače emitorů jsou často postaveny na push-pull obvodu pomocí komplementárních párů tranzistorů, což umožňuje zvýšit výstupní výkon zařízení. Takový sledovač emitoru je zobrazen na obrázku 11.

Obrázek 11.

Obrázek 12.

Zapnutí tranzistorů podle schématu se společnou základnou OB

Takový obvod poskytuje pouze zesílení napětí, ale má lepší kmitočtové vlastnosti ve srovnání s obvodem OE: stejné tranzistory mohou pracovat při vyšších frekvencích. Hlavní aplikací schématu OB jsou anténní zesilovače UHF. Schéma anténního zesilovače je znázorněno na obrázku 12.