Circuitos de conmutación de transistores bipolares

Un transistor es un dispositivo semiconductor que puede amplificar, convertir y generar señales eléctricas. El primer transistor bipolar operativo fue inventado en 1947. El material para su fabricación fue germanio. Y ya en 1956, nació un transistor de silicio.

Un transistor bipolar utiliza dos tipos de portadores de carga: electrones y agujeros, por lo que dichos transistores se denominan bipolares. Además del bipolar, hay transistores unipolares (de campo) en los que solo se usa un tipo de portador: electrones u orificios. Este artículo cubrirá transistores bipolares.

Mucho tiempo transistores Eran principalmente germanio, y tenían una estructura p-n-p, que se explicaba por las capacidades de las tecnologías de la época. Pero los parámetros de los transistores de germanio eran inestables, su mayor inconveniente es la baja temperatura de funcionamiento, no más de 60 ... 70 grados Celsius. A temperaturas más altas, los transistores se volvieron incontrolables y luego fallaron por completo.

Con el tiempo, los transistores de silicio comenzaron a desplazar a sus homólogos de germanio. Actualmente, son principalmente silicio, y se usan, y esto no es sorprendente. Después de todo, los transistores y diodos de silicio (casi todos los tipos) permanecen operativos hasta 150 ... 170 grados. Los transistores de silicio también son el "relleno" de todos los circuitos integrados.

Los transistores se consideran legítimamente uno de los grandes descubrimientos de la humanidad. Habiendo reemplazado las lámparas electrónicas, no solo las reemplazaron, sino que hicieron una revolución en la electrónica, sorprendieron y conmocionaron al mundo. Si no hubiera transistores, entonces muchos dispositivos y dispositivos modernos, tan familiares y cercanos, simplemente no habrían nacido: ¡imagine, por ejemplo, un teléfono móvil con lámparas electrónicas! Para obtener más información sobre la historia de los transistores, consulte aqui.

La mayoría de los transistores de silicio tienen una estructura n-p-n, que también se explica por la tecnología de producción, aunque hay transistores de tipo p-n-p de silicio, pero son ligeramente más pequeños que las estructuras n-p-n. Dichos transistores se usan como parte de pares complementarios (transistores de diferente conductividad con los mismos parámetros eléctricos). Por ejemplo, KT315 y KT361, KT815 y KT814, y en las etapas de salida del transistor UMZCH KT819 y KT818. En los amplificadores importados, a menudo se usa un poderoso par complementario de 2SA1943 y 2SC5200.

A menudo, los transistores de una estructura p-n-p se denominan transistores de conductividad directa, y las estructuras n-p-n son transistores inversos. Por alguna razón, ese nombre casi nunca se encuentra en la literatura, pero en el círculo de ingenieros de radio y entusiastas de la radio se usa en todas partes, todos entienden de inmediato lo que está en juego. La figura 1 muestra una estructura esquemática de transistores y sus símbolos gráficos.

Figura 1

Además de las diferencias en el tipo y el material de conductividad, los transistores bipolares se clasifican por potencia y frecuencia de operación. Si la potencia de disipación en el transistor no supera los 0,3 W, dicho transistor se considera de baja potencia. Con una potencia de 0.3 ... 3 W, el transistor se llama transistor de potencia media, y con una potencia de más de 3 W, la potencia se considera grande. Los transistores modernos pueden disipar potencia de varias decenas o incluso cientos de vatios.

Los transistores amplifican las señales eléctricas de la misma manera: al aumentar la frecuencia, la ganancia de la etapa del transistor cae y, a cierta frecuencia, se detiene por completo. Por lo tanto, para operar en una amplia gama de frecuencias, los transistores están disponibles con diferentes propiedades de frecuencia.

Según la frecuencia de funcionamiento, los transistores se dividen en de baja frecuencia: la frecuencia de funcionamiento no es superior a 3 MHz, la frecuencia media (3 ... 30 MHz y alta frecuencia) es superior a 30 MHz.Si la frecuencia de operación excede los 300 MHz, entonces estos son transistores de microondas.

En general, en los libros de referencia serios y gruesos hay más de 100 parámetros diferentes de transistores, lo que también indica una gran cantidad de modelos. Y la cantidad de transistores modernos es tal que en su totalidad ya no se pueden colocar en ningún directorio. Y la alineación está en constante crecimiento, lo que nos permite resolver casi todas las tareas establecidas por los desarrolladores.

Hay muchos circuitos de transistores (solo recuerde la cantidad de al menos equipos domésticos) para amplificar y convertir señales eléctricas, pero, con toda la diversidad, estos circuitos consisten en etapas separadas, cuya base son transistores. Para lograr la amplificación de señal necesaria, es necesario utilizar varias etapas de amplificación, conectadas en serie. Para comprender cómo funcionan las etapas del amplificador, debe familiarizarse con los circuitos de conmutación de transistores.

El transistor solo no puede amplificar nada. Sus propiedades amplificadoras son que pequeños cambios en la señal de entrada (corriente o voltaje) conducen a cambios significativos en el voltaje o la corriente en la salida de la cascada debido al gasto de energía de una fuente externa. Es esta propiedad la que se usa ampliamente en circuitos analógicos: amplificadores, televisión, radio, comunicación, etc.

Para simplificar la presentación, consideraremos los circuitos en transistores de la estructura n-p-n aquí. Todo lo que se dirá sobre estos transistores se aplica igualmente a los transistores p-n-p. Solo cambia la polaridad de las fuentes de energía, condensadores electrolíticos y diodosen su caso, para obtener un circuito de trabajo.

Circuitos de conmutación de transistores

Hay tres esquemas en total: un circuito con un emisor común (OE), un circuito con un colector común (OK) y un circuito con una base común (OB). Todos estos esquemas se muestran en la Figura 2.

Figura 2

Pero antes de pasar a considerar estos circuitos, debe familiarizarse con el funcionamiento del transistor en modo clave. Este conocido debería facilitar la comprensión. operación de transistor en modo ganancia. En cierto sentido, un esquema clave puede considerarse como un tipo de esquema con MA.

Operación del transistor en modo clave

Antes de estudiar el funcionamiento de un transistor en modo de amplificación de señal, vale la pena recordar que los transistores a menudo se usan en modo clave.

Este modo de funcionamiento del transistor se ha considerado durante mucho tiempo. En la edición de agosto de 1959 de la revista Radio, se publicó un artículo de G. Lavrov "Triodo de semiconductores en modo clave". El autor del artículo sugirió ajustar la velocidad del motor del colector cambio en la duración de los pulsos en el devanado de control (OS). Ahora, este método de regulación se llama PWM y se usa con bastante frecuencia. El diagrama del diario de esa época se muestra en la Figura 3.

Figura 3

Pero el modo clave se usa no solo en sistemas PWM. A menudo, un transistor solo enciende y apaga algo.

En este caso, el relé se puede usar como carga: dieron una señal de entrada: el relé encendido, no, la señal del relé apagada. En lugar de relés en modo clave, a menudo se usan bombillas. Por lo general, esto se hace para indicar: la luz está encendida o apagada. En la Figura 4 se muestra un diagrama de dicha etapa clave. Las etapas clave también se utilizan para trabajar con LED u optoacopladores.

Figura 4

En la figura, la cascada está controlada por un contacto normal, aunque puede haber un chip digital o microcontrolador. Bombilla de automóvil, esta se utiliza para iluminar el tablero de instrumentos en el "Lada". Cabe señalar que se usan 5V para el control, y el voltaje del colector conmutado es de 12V.

No hay nada extraño en esto, ya que los voltajes no juegan ningún papel en este circuito, solo las corrientes son importantes.Por lo tanto, la bombilla puede ser de al menos 220 V si el transistor está diseñado para funcionar a dichos voltajes. El voltaje de la fuente del colector también debe corresponder al voltaje de operación de la carga. Con la ayuda de tales cascadas, la carga se conecta a microcircuitos o microcontroladores digitales.

En este esquema, la corriente base controla la corriente del colector, que, debido a la energía de la fuente de alimentación, es varias decenas o incluso cientos de veces (dependiendo de la carga del colector) que la corriente base. Es fácil ver que ocurre la amplificación de corriente. Cuando el transistor está funcionando en el modo clave, el valor utilizado para calcular la cascada generalmente se denomina "ganancia de corriente en modo de señal grande" en los libros de referencia, indicada por la letra β en los libros de referencia. Esta es la relación de la corriente del colector, determinada por la carga, a la corriente base mínima posible. En la forma de una fórmula matemática, se ve así: β = Iк / Iб.

Para la mayoría de los transistores modernos, el coeficiente β es bastante grande, por regla general, de 50 y más, por lo tanto, al calcular la etapa clave, se puede tomar como solo 10. Incluso si la corriente base resulta ser mayor que la calculada, el transistor no se abrirá más a partir de esto, entonces también es un modo clave.

Para encender la bombilla que se muestra en la Figura 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, esto es al menos. Con un voltaje de control de 5V en la resistencia base Rb, menos la caída de voltaje en la sección BE, 5V permanecerá - 0.6V = 4.4V. La resistencia de la resistencia base es: 4.4V / 10mA = 440 Ohm. Se selecciona una resistencia con una resistencia de 430 ohmios de la serie estándar. ¡Un voltaje de 0.6 V es el voltaje en la unión B - E, y no debe olvidarse al calcularlo!

Para evitar que la base del transistor "cuelgue en el aire" al abrir el contacto de control, la transición B - E generalmente se desvía por la resistencia Rbe, que cierra de manera confiable el transistor. Esta resistencia no debe olvidarse, aunque por alguna razón no lo es, lo que puede conducir a una operación falsa de la cascada por interferencia. En realidad, todos sabían sobre esta resistencia, pero por alguna razón se olvidaron y una vez más pisaron el "rastrillo".

El valor de esta resistencia debe ser tal que cuando el contacto se abra, el voltaje en la base no resulte ser menor a 0.6V, de lo contrario la cascada será incontrolable, como si la sección B - E estuviera simplemente en corto circuito. En la práctica, la resistencia RBe se establece en un valor de aproximadamente diez veces más que RB. Pero incluso si el valor Rb es 10K, el circuito funcionará de manera suficientemente confiable: los potenciales de base y emisor serán iguales, lo que conducirá al cierre del transistor.

Dicha cascada de teclas, si está funcionando, puede encender la bombilla a pleno calor o apagarla por completo. En este caso, el transistor puede estar completamente abierto (estado de saturación) o completamente cerrado (estado de corte). Inmediatamente, por supuesto, la conclusión sugiere que entre estos estados de "límite" existe tal cosa cuando la bombilla brilla por completo. En este caso, ¿está el transistor medio abierto o medio cerrado? Es como en el problema de llenar el vaso: el optimista ve el vaso medio lleno, mientras que el pesimista lo considera medio vacío. Este modo de funcionamiento del transistor se llama amplificador o lineal.

Operación del transistor en modo de amplificación de señal

Casi todos los equipos electrónicos modernos consisten en microcircuitos en los que los transistores están "ocultos". Simplemente seleccione el modo de funcionamiento del amplificador operacional para obtener la ganancia o el ancho de banda deseado. Pero, a pesar de esto, las cascadas a menudo se usan en transistores discretos ("sueltos") y, por lo tanto, es simplemente necesario comprender el funcionamiento de la etapa del amplificador.

La inclusión más común de un transistor en comparación con OK y OB es un circuito emisor común (OE). La razón de esta prevalencia es, en primer lugar, una alta ganancia en voltaje y corriente.La mayor ganancia de la cascada OE se logra cuando la mitad del voltaje de la fuente de alimentación Epit / 2 cae en la carga del colector. En consecuencia, la segunda mitad cae en la sección K-E del transistor. Esto se logra configurando la cascada, que se describirá a continuación. Este modo de ganancia se llama Clase A.

Cuando enciende el transistor con el OE, la señal de salida en el colector está en antifase con la entrada. Como desventajas, se puede observar que la impedancia de entrada del OE es pequeña (no más de varios cientos de ohmios), y la impedancia de salida está en el rango de decenas de KOhms.

Si en el modo clave el transistor se caracteriza por una ganancia de corriente en modo de señal grande  β, luego, en el modo de ganancia, se utiliza la "ganancia actual en el modo de señal pequeña", indicada en los libros de referencia h21e. Esta designación proviene de la representación de un transistor en forma de un dispositivo de cuatro terminales. La letra "e" indica que las mediciones se realizaron cuando se encendió el transistor con un emisor común.

El coeficiente h21e, como regla, es algo mayor que β, aunque en los cálculos, como primera aproximación, puede usarlo. De todos modos, la dispersión de los parámetros β y h21e es tan grande incluso para un tipo de transistor que los cálculos son solo aproximados. Después de tales cálculos, como regla, se requiere la configuración del circuito.

La ganancia del transistor depende del grosor de la base, por lo que no puede cambiarlo. De ahí la gran extensión de la ganancia de transistores tomada incluso de una casilla (lea un lote). Para los transistores de baja potencia, este coeficiente varía entre 100 ... 1000 y para los potentes 5 ... 200. Cuanto más delgada es la base, mayor es la relación.

El circuito de encendido más simple para un transistor OE se muestra en la Figura 5. Esta es solo una pequeña pieza de la Figura 2, que se muestra en la segunda parte del artículo. Este circuito se llama circuito de corriente base fija.

Figura 5

El esquema es extremadamente simple. La señal de entrada se suministra a la base del transistor a través de un condensador de aislamiento C1 y, al amplificarse, se retira del colector del transistor a través de un condensador C2. El propósito de los condensadores es proteger los circuitos de entrada del componente constante de la señal de entrada (solo recuerde el micrófono de carbono o electret) y proporcionar el ancho de banda necesario de la cascada.

La resistencia R2 es la carga del colector de la cascada, y R1 suministra una polarización constante a la base. Usando esta resistencia, intentan hacer que el voltaje del colector sea Epit / 2. Esta condición se llama el punto de operación del transistor, en este caso la ganancia de la cascada es máxima.

Aproximadamente, la resistencia de la resistencia R1 puede determinarse mediante la fórmula simple R1 ≈ R2 * h21e / 1.5 ... 1.8. El coeficiente 1.5 ... 1.8 se sustituye dependiendo del voltaje de suministro: a bajo voltaje (no más de 9V), el valor del coeficiente no es más de 1.5, y comenzando desde 50V, se acerca a 1.8 ... 2.0. Pero, de hecho, la fórmula es tan aproximada que la resistencia R1 debe seleccionarse con mayor frecuencia, de lo contrario no se obtendrá el valor requerido de Epit / 2 en el colector.

La resistencia del colector R2 se configura como una condición del problema, ya que la corriente del colector y la amplificación de la cascada en su conjunto dependen de su magnitud: cuanto mayor sea la resistencia de la resistencia R2, mayor será la ganancia. Pero debe tener cuidado con esta resistencia, la corriente del colector debe ser menor que la máxima permitida para este tipo de transistor.

El esquema es muy simple, pero esta simplicidad le da propiedades negativas, y hay que pagar por esta simplicidad. En primer lugar, la amplificación de la cascada depende de la instancia específica del transistor: reemplazó el transistor durante la reparación, - seleccione el desplazamiento nuevamente, envíelo al punto de operación.

En segundo lugar, a partir de la temperatura ambiente, con el aumento de la temperatura, la corriente inversa del colector Ico aumenta, lo que conduce a un aumento de la corriente del colector. ¿Y dónde, entonces, es la mitad del voltaje de suministro en el colector Epit / 2, el mismo punto de operación? Como resultado, el transistor se calienta aún más, después de lo cual falla.Para deshacerse de esta dependencia, o al menos minimizarla, se introducen elementos adicionales de retroalimentación negativa, OOS, en la cascada de transistores.

La Figura 6 muestra un circuito con un voltaje de polarización fijo.

Figura 6

Parecería que el divisor de voltaje Rb-k, Rb-e proporcionará el desplazamiento inicial requerido de la cascada, pero de hecho tal cascada tiene todas las desventajas de un circuito de corriente fijo. Por lo tanto, el circuito que se muestra es solo una variación del circuito de corriente fija que se muestra en la Figura 5.

Esquemas con estabilización térmica.

La situación es algo mejor en el caso de aplicar los esquemas que se muestran en la Figura 7.

Figura 7

En el circuito de estabilización del colector, la resistencia de polarización R1 está conectada no a la fuente de alimentación, sino al colector del transistor. En este caso, si la temperatura aumenta, la corriente inversa aumenta, el transistor se abre más fuerte, el voltaje del colector disminuye. Esta disminución conduce a una disminución en el voltaje de polarización suministrado a la base a través de R1. El transistor comienza a cerrarse, la corriente del colector disminuye a un valor aceptable, la posición del punto de operación se restablece.

Es obvio que tal medida de estabilización conduce a una cierta disminución en la amplificación de la cascada, pero esto no importa. La ganancia faltante generalmente se agrega al aumentar el número de etapas de amplificación. Pero dicho sistema de protección ambiental puede ampliar significativamente el rango de temperaturas de funcionamiento de la cascada.

La circuitería de la cascada con estabilización del emisor es algo más complicada. Las propiedades amplificadoras de tales cascadas permanecen sin cambios en un rango de temperatura aún más amplio que en el circuito estabilizado por colector. Y una ventaja más indiscutible: al reemplazar un transistor, no tiene que volver a seleccionar los modos de operación en cascada.

La resistencia del emisor R4, que proporciona estabilización de temperatura, también reduce la ganancia de la cascada. Esto es para corriente continua. Para excluir la influencia de la resistencia R4 en la amplificación de la corriente alterna, la resistencia R4 está puenteada por el condensador Ce, que es una resistencia insignificante para la corriente alterna. Su valor está determinado por el rango de frecuencia del amplificador. Si estas frecuencias se encuentran en el rango de sonido, entonces la capacitancia del capacitor puede ser de unidades a decenas o incluso cientos de microfaradios. Para las frecuencias de radio, esto ya es centésimas o milésimas, pero en algunos casos el circuito funciona bien sin este condensador.

Para comprender mejor cómo funciona la estabilización del emisor, debe considerar el circuito para encender un transistor con un colector OK común.

El circuito del colector común (OK) se muestra en la Figura 8. Este circuito es una porción de la Figura 2, de la segunda parte del artículo, donde se muestran los tres circuitos de conmutación de transistores.

Figura 8

La carga en cascada es la resistencia del emisor R2, la señal de entrada se suministra a través del condensador C1 y la señal de salida se elimina a través del condensador C2. Aquí puede preguntar, ¿por qué este esquema se llama OK? De hecho, si recordamos el circuito OE, es claramente visible allí que el emisor está conectado a un cable de circuito común, en relación con el cual se suministra la señal de entrada y se toma la señal de salida.

En el circuito OK, el colector simplemente está conectado a una fuente de alimentación, y a primera vista parece que no tiene nada que ver con la señal de entrada y salida. Pero, de hecho, la fuente EMF (batería de alimentación) tiene una resistencia interna muy pequeña, para una señal es casi un punto, el mismo contacto.

Con más detalle, el funcionamiento del circuito OK se puede ver en la Figura 9.

Figura 9

Se sabe que para los transistores de silicio el voltaje de la transición bi-e está en el rango de 0.5 ... 0.7 V, por lo que puede tomarlo en promedio 0.6 V, si no establece el objetivo de realizar cálculos con una precisión de décimas de porcentaje. Por lo tanto, como se puede ver en la Figura 9, el voltaje de salida siempre será menor que el voltaje de entrada por el valor de Ub-e, es decir, esos mismos 0.6V.A diferencia del circuito OE, este circuito no invierte la señal de entrada; simplemente la repite e incluso la reduce en 0.6V. Este circuito también se llama seguidor de emisor. ¿Por qué se necesita un esquema así, para qué sirve?

El circuito OK amplifica la señal de corriente h21e veces, lo que significa que la impedancia de entrada del circuito es h21e veces mayor que la resistencia en el circuito emisor. En otras palabras, sin temor a quemar el transistor, puede aplicar voltaje directamente a la base (sin una resistencia limitadora). Simplemente tome el pin de la base y conéctelo al bus de alimentación + U.

Una alta impedancia de entrada le permite conectar una fuente de entrada de alta impedancia (impedancia compleja), como una pastilla piezoeléctrica. Si dicha captación está conectada a la cascada de acuerdo con el esquema OE, entonces la baja impedancia de entrada de esta cascada simplemente "aterriza" la señal de captación: "la radio no reproducirá".

Una característica distintiva del circuito OK es que su corriente de colector Ik depende solo de la resistencia de carga y el voltaje de la fuente de señal de entrada. Al mismo tiempo, los parámetros del transistor no juegan ningún papel en absoluto. Dicen acerca de tales circuitos que están cubiertos por un cien por ciento de retroalimentación de voltaje.

Como se muestra en la Figura 9, la corriente en la carga del emisor (es la corriente del emisor) In = Ik + Ib. Teniendo en cuenta que la corriente base Ib es insignificante en comparación con la corriente del colector Ik, podemos suponer que la corriente de carga es igual a la corriente del colector Iн = Iк. La corriente en la carga será (Uin - Ube) / Rн. En este caso, suponemos que Ube es conocido y siempre es igual a 0.6V.

Se deduce que la corriente del colector Ik = (Uin - Ube) / Rn depende solo del voltaje de entrada y la resistencia de carga. La resistencia de carga se puede cambiar dentro de amplios límites, sin embargo, no es necesario ser especialmente celoso. De hecho, si en lugar de Rн ponemos un clavo, una centésima, ¡entonces ningún transistor puede soportarlo!

El circuito OK hace que sea bastante fácil medir el coeficiente de transferencia de corriente estática h21e. Cómo hacer esto se muestra en la Figura 10.

Figura 10

Primero, mida la corriente de carga como se muestra en la Figura 10a. En este caso, la base del transistor no necesita estar conectada a ningún lado, como se muestra en la figura. Después de eso, la corriente base se mide de acuerdo con la Figura 10b. En ambos casos, las mediciones deben realizarse en las mismas cantidades: en amperios o en miliamperios. El voltaje y la carga de la fuente de alimentación deben permanecer sin cambios en ambas mediciones. Para averiguar el coeficiente de transferencia de corriente estática, es suficiente dividir la corriente de carga por la corriente base: h21e ≈ In / IB.

Debe notarse que con un aumento en la corriente de carga, h21e disminuye ligeramente, y con un aumento en el voltaje de suministro aumenta. Los repetidores de emisor a menudo se construyen en un circuito push-pull utilizando pares complementarios de transistores, lo que permite aumentar la potencia de salida del dispositivo. Tal seguidor de emisor se muestra en la Figura 11.

Figura 11

Figura 12

Encendido de transistores de acuerdo con un esquema con una base OB común

Tal circuito proporciona solo ganancia de voltaje, pero tiene mejores propiedades de frecuencia en comparación con el circuito OE: los mismos transistores pueden operar a frecuencias más altas. La aplicación principal del esquema OB son los amplificadores de antena UHF. Un diagrama del amplificador de antena se muestra en la Figura 12.