Bipolaaritransistorit: piirit, moodit, mallinnus

Transistori ilmestyi vuonna 1948 (1947) kolmen insinöörin ja Shockley, Bradstein, Bardin työn ansiosta. Noina aikoina heidän nopeaa kehitystä ja popularisointia ei vielä odotettu. Neuvostoliitossa vuonna 1949 Krasilov-laboratorio esitteli transistorin prototyypin tiedemaailmalle, se oli C1-C4-triodi (germanium). Termi transistori ilmestyi myöhemmin, 50- tai 60-luvulla.

He kuitenkin löysivät laajan käytön 60-luvun lopulla ja 70-luvun alkupuolella, kun kannettavat radiot tulivat muotiin. Muuten, niitä on jo kauan kutsuttu "transistoriksi". Tämä nimi kiinni, koska ne korvasivat elektroniset putket puolijohdeelementeillä, mikä aiheutti vallankumouksen radiotekniikassa.

Mikä on puolijohde?

Transistorit on valmistettu puolijohdemateriaaleista, esimerkiksi pii, germanium oli aikaisemmin suosittu, mutta nyt sitä löydetään harvoin korkeiden kustannustensa ja huonoimpien parametriensa vuoksi lämpötilasta ja muista asioista.

Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka vievät johtimien välillä johtimien ja eristeiden välissä. Niiden vastus on miljoona kertaa suurempi kuin johtimien ja satoja miljoonia kertaa vähemmän kuin dielektristen. Lisäksi, jotta virta virtaa niiden läpi, on tarpeen kohdistaa kaistavälin ylittävä jännite niin, että varauskantoaallot kulkevat valenssikaistalta johtamiskaistalle.

Kielletyn alueen johtimet eivät sellaisenaan. Latauskantaja (elektroni) voi siirtyä johtamiskaistaan ​​paitsi ulkoisen jännitteen vaikutuksesta myös lämmöstä - tätä kutsutaan lämpövirraksi. Puolijohteen valovirralla säteilytyksen aiheuttamaa virtaa kutsutaan valovirraksi. Valontutkijat, fotodiodit ja muut valoherkät elementit toimivat tällä periaatteella.

Vertailun vuoksi katso dielektrikoiden ja johtimien henkilöitä:

Aika ilmeinen. Kaaviot osoittavat, että dielektrikot voivat silti johtaa virtaa, mutta tämä tapahtuu kielletyn alueen ylittämisen jälkeen. Käytännössä tätä kutsutaan dielektriseksi hajoamisjännitteeksi.

Joten ero germanium- ja piirakenteiden välillä on se, että germaniumille kaistaväli on luokkaa 0,3 eV (elektronivoltta) ja piin yli 0,6 eV. Toisaalta tämä aiheuttaa enemmän tappioita, mutta piin käyttö johtuu teknisistä ja taloudellisista tekijöistä.

Dopingin seurauksena puolijohde vastaanottaa lisävarauskantoaaltoja, jotka ovat positiivisia (reikiä) tai negatiivisia (elektronit), tätä kutsutaan p- tai n-tyyppiseksi puolijohteeksi. Olet ehkä kuullut lauseen “pn risteys”. Joten tämä on raja erityyppisten puolijohteiden välillä. Latausten liikkumisen seurauksena kumpikin epäpuhtaustyyppien ionisoituneiden hiukkasten muodostuminen pääpuolijohteeseen muodostuu potentiaalisulku, se ei anna virran virtata molemmissa suunnissa, lisää siitä kuvataan kirjassa "Transistori on helppo.".

Lisälatausvälineiden (puolijohteiden doping) käyttöönotto mahdollisti puolijohdelaitteiden luomisen: diodit, transistorit, tyristorit jne. Yksinkertaisin esimerkki on diodi, jonka toimintaa tutkimme edellisessä artikkelissa.

Jos käytät jännitettä myötäsuuntaiseen esijännitteeseen, ts. Virtaan positiivisesti p-alueelle, ja negatiivinen virta virtaa n-alueelle, ja jos päinvastainen on totta, virta ei virtaa. Tosiasia on, että suoralla esijännitteellä p-alueen (reikä) pääkantoaallot ovat positiivisia ja torjuvat virtalähteen positiivisesta potentiaalista, yleensä alueelle, jolla on negatiivisemmat potentiaalit.

Samanaikaisesti n-alueen negatiiviset kantajat torjuvat virtalähteen negatiivisesta navasta. Molemmilla kantoaalloilla on taipumus rajapintaan (pn-liitos).Siirtymä kapenee ja kantoaallot ylittävät potentiaalisen esteen liikkuessaan vastakkaisilla varauksilla olevilla alueilla, missä ne yhdistyvät niiden kanssa ...

Jos käytetään käänteistä esijännitettä, p-alueen positiiviset kantajat siirtyvät kohti virtalähteen negatiivista elektrodia, ja elektronit n-alueelta siirtyvät kohti positiivista elektrodia. Siirtymä laajenee, virta ei virtaa.

Jos et mene yksityiskohtiin, tämä riittää ymmärtämään puolijohteessa tapahtuvat prosessit.

Transistorin ehdollinen graafinen merkintä

Venäjän federaatiossa tällainen transistorinimitys on hyväksytty, kuten alla olevasta kuvasta näet. Kollektorissa ei ole nuoletta, emitteri on nuolella, ja pohja on kohtisuorassa emitterin ja kollektorin väliseen viivaan. Emitterin nuoli osoittaa virran suunnan (plussta miinus). NPN-rakenteessa emitterin nuoli on suunnattu pohjasta, ja PNP: llä, se on suunnattu kannalle.

Lisäksi sama nimitys löytyy usein kaavioista, mutta ilman ympyrää. Tavallinen kirjaintunnus on “VT” ja numero kaavion mukaisessa järjestyksessä, joskus ne yksinkertaisesti kirjoittavat “T”.

 

Kuva transistoreista, joissa ei ole ympyrää

Mikä on transistori?

Transistori on aktiivinen puolijohdelaite, joka on suunniteltu vahvistamaan signaalia ja tuottamaan värähtelyjä. Hän korvasi tyhjiöputket - triodit. Transistoreilla on yleensä kolme jalkaa - kollektori, emitteri ja pohja. Pohja on ohjauselektrodi, joka syöttää siihen virtaa, ohjaamme kollektorivirtaa. Siksi pienen kantavirran avulla säätelemme suuria virtauksia virtapiirissä ja signaali vahvistetaan.

Bipolaaritransistorit ovat suoraa eteenpäin (PNP) ja käänteistä johtokykyä (NPN). Niiden rakenne on kuvattu alla. Tyypillisesti kanta vie pienemmän tilavuuden puolijohdekiteestä.

ominaisuudet

Bipolaaristen transistorien pääominaisuudet:

• Ic - keräimen maksimivirta (ei voi olla suurempi - se palaa);

• Ucemax - suurin jännite, jota voidaan käyttää keräilijän ja emitterin välillä (sitä ei voida ylittää - se rikkoutuu);

• Ucesat on transistorin kyllästysjännite. Jännitteen pudotus kyllästystilassa (mitä pienempi, sitä vähemmän häviöitä avoimessa tilassa ja lämmityksessä);

• Β tai H21E - transistorin vahvistus, joka on yhtä suuri kuin Ik / Ib. Riippuu transistorimallista. Esimerkiksi 100 vahvistuksella, 1 mA: n pohjan läpi kulkevalla virralla, 100 mA: n virta virtaa kollektorin läpi jne.

On syytä sanoa transistorivirroista, niitä on kolme:

1. Perusvirta.

2. Keräysvirta.

3. Lähettäjän virta - sisältää kantavirran ja päästövirran.

Useimmiten päästövirta laskee, koska se melkein ei eroa kollektorivirrasta suuruudeltaan. Ainoa ero on, että kollektorivirta on pienempi kuin emitterivirta kantavirran arvon perusteella, ja siitä lähtien transistoreilla on suuri vahvistus (esimerkiksi 100), sitten virralla 1A emitterin läpi 10mA virtaa kannan läpi ja 990mA kollektorin läpi. Hyväksyt, tämä on tarpeeksi pieni ero viettääkseen siihen aikaa opiskellessaan elektroniikkaa. Siksi ominaisuuksissa ja ilmoitetulla Imax.

Käyttötavat

Transistori voi toimia eri moodissa:

1. Kylläisyystila. Yksinkertaisin sanoin, tämä on tila, jossa transistori on maksimaalisesti avoimessa tilassa (molemmat siirtymät ovat esijännitettä eteenpäin).

2. Katkaisutila on, kun virta ei virtaa ja transistori on kiinni (molemmat siirtymät ovat esijännitettä vastakkaiseen suuntaan).

3. Aktiivinen tila (keräilijäpohja on esijännitetty vastakkaiseen suuntaan ja säteilijäpohja on painotettu eteenpäin).

4. Käänteinen aktiivinen tila (keräilijäpohja on esijännitetty eteenpäin ja emitteripohja on painotettu vastakkaiseen suuntaan), mutta sitä käytetään harvoin.

Tyypilliset transistorin kytkentäpiirit

Transistorin kytkentäpiirejä on kolme tyypillistä:

1. Yleinen perusta.

2. Yleinen päästö.

3. Yhteinen keräilijä.

Tulopiiriä pidetään emitterin kannassa, ja lähtöpiiri on kollektorin emitteri. Tulovirta on kantavirta ja lähtö on vastaavasti kollektorivirta.

Kytkentäpiiristä riippuen vahvistamme virran tai jännitteen.Oppikirjoissa on tapana harkita juuri sellaisia ​​osallistamisohjelmia, mutta käytännössä ne eivät näytä niin ilmeisiltä.

On huomionarvoista, että kun kytketään piiriin yhteisellä keräimellä, voimistamme virtaa ja saamme tulossa ja ulostulossa samanvaiheisen (sama kuin sisääntulon napaisuus) jännitteen, ja piirissä, jolla on yhteinen emitteri, saamme jännitteen ja käänteisen jännitevahvistuksen (lähtö käännetään suhteessa tulo). Artikkelin lopussa simuloimme tällaisia ​​piirejä ja näemme sen selvästi.

Transistorin avaimen mallintaminen

Ensimmäinen malli, jota tarkastelemme, on avaintyyppinen transistori. Tätä varten sinun on rakennettava piiri kuten alla olevassa kuvassa. Oletetaan, että mukaan otetaan kuorma, jonka virta on 0,1A, sen roolia tulee vastus R3, joka on asennettu kollektoripiiriin.

Kokeilujen tuloksena huomasin, että valitun transistorimallin h21E on muuten noin 20, MJE13007: n lomakkeessa sanotaan 8 - 40.

Perusvirran tulisi olla noin 5 mA. Jakaja lasketaan siten, että kantavirralla on minimaalinen vaikutus jakajavirtaan. Joten määritetty jännite ei kellu, kun transistori kytketään päälle. Siksi nykyinen jakaja on asetettu 100 mA.

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

Tämä on laskettu arvo, tämän seurauksena syntyvät virrat ilmestyivät seuraavasti:

Perusvirran ollessa 5 mA, kuorman virta oli noin 100 mA, jännite laskee transistorin arvoon 0,27 V. Laskelmat ovat oikeat.

Mitä me saimme?

Voimme hallita kuormaa, jonka virta on 20 kertaa ohjausvirta. Vahvistaaksesi edelleen, voit kopioida kaskadin vähentämällä ohjausvirtaa. Tai käytä toista transistoria.

Kollektorivirtaa rajoitti kuormitusvastus, kokeilulle päätin tehdä kuormitusvastus 0 ohmia, sitten transistorin läpi kulkeva virta asetetaan kantavirran ja vahvistuksen perusteella. Seurauksena on, että virrat eivät käytännössä eroa toisistaan, kuten voit nähdä.

Jäljittääksemme transistorin tyypin ja sen vahvistuksen virroihin, korvaamme sen muuttamatta piiriparametreja.

Vaihdettuaan transistorin MJE13007: stä MJE18006: een, piiri jatkoi työskentelyä, mutta 0,14 V putoaa transistoriin, mikä tarkoittaa, että samalla virralla tämä transistori kuumenee vähemmän, koska erottuu lämmöstä

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

Ja edellisessä tapauksessa:

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

Ero on melkein kaksinkertainen, jos se ei ole niin merkittävä kymmenesosissa wattia, kuvitelkaa mitä tapahtuu kymmenien ampeerivirrojen kanssa, sitten häviöiden teho kasvaa 100 kertaa. Tämä johtaa siihen, että näppäimet ylikuumenevat ja eivät toimi.

Lämmityksen aikana vapautuva lämpö leviää laitteen läpi ja voi aiheuttaa ongelmia vierekkäisten komponenttien toiminnassa. Tätä varten kaikki tehoelementit asennetaan pattereihin ja joskus käytetään aktiivisia jäähdytysjärjestelmiä (jäähdytin, neste jne.).

Lisäksi lämpötilan noustessa puolijohteen johtavuus kasvaa, samoin kuin niiden läpi virtaava virta, joka taas aiheuttaa lämpötilan nousun. Lumivärimainen prosessi virran ja lämpötilan nostamiseksi tappaa lopulta avaimen.

Johtopäätös on seuraava: Mitä pienempi jännitteen pudotus transistorin läpi on avoimessa tilassa, sitä vähemmän se kuumenee ja sitä korkeampi on koko piirin hyötysuhde.

Jännitteen pudotus avaimessa pieneni johtuen tosiasiasta, että laitamme tehokkaamman avaimen, jolla on suurempi vahvistus, varmistaaksemme tämän, poistamme kuorman piiristä. Tämän tekemistä varten asetin jälleen R3 = 0 ohmia. Kollektorivirrasta tuli 219 mA, MJE13003: ssa samassa piirissä se oli noin 130 mA, mikä tarkoittaa, että tämän transistorin mallissa H21E on kaksinkertainen.

On syytä huomata, että yhden mallin voitto voi tietystä esiintymästä riippuen vaihdella kymmeniä tai satoja kertoja. Tämä edellyttää analogisten piirien virittämistä ja säätämistä. Tässä ohjelmassa käytetään kiinteitä kertoimia transistorimalleissa, tiedän heidän valitsemansa logiikan. Teknisessä taulukossa MJE18006 H21E-enimmäissuhde on 36.

AC-vahvistimen simulointi

Annettu malli näyttää avaimen käyttäytymisen, jos siihen kytketään vaihtuva signaali ja yksinkertainen piiri sen sisällyttämiseksi piiriin. Se muistuttaa musiikillista tehovahvistinpiiriä.

Yleensä he käyttävät useita sellaisia ​​sarjaan kytkettyjä kaskadeja. Kaskadien lukumäärä ja kaaviot, niiden tehopiirit riippuvat luokasta, jossa vahvistin toimii (A, B jne.). Simuloin yksinkertaisinta luokan A vahvistinta, joka toimii lineaarisessa tilassa, sekä otan tulo- ja lähtöjännitteen aaltomuotoja.

Vastus R1 asettaa transistorin toimintapisteen. Oppikirjoissa he kirjoittavat, että sinun on löydettävä tällainen piste transistorin CVC: n suorasta segmentistä. Jos esijännite on liian alhainen, signaalin alempi puoliaalto vääristyy.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondensaattoreita tarvitaan erottamaan muuttuva komponentti vakiosta. Vastukset R2 on asennettu näppäimen toimintatavan asettamiseksi ja käyttövirtojen asettamiseksi. Tarkastellaan aaltomuotoja. Annamme signaalin, jonka amplitudi on 10 mV ja taajuus 10 000 Hz. Lähtö amplitudi on melkein 2V.

Magenta ilmaisee lähtöaaltomuodon, punainen osoittaa tulosignaalin muodon.

Huomaa, että signaali on käänteinen, ts. lähtösignaali käännetään tuloon nähden. Tämä on yhteisen säteilijän piirin ominaisuus. Kaavion mukaan signaali poistetaan kollektorista. Siksi, kun transistori avataan (kun tulosignaali nousee), sen ylittävä jännite laskee. Kun tulosignaali putoaa, transistori alkaa sulkeutua ja jännite alkaa nousta.

Tätä järjestelmää pidetään signaalin lähetyslaadun kannalta korkeimpana laaduna, mutta joudut maksamaan siitä häviövoimalla. Tosiasia on, että tilassa, jossa ei tule mitään signaalia, transistori on aina auki ja johtaa virtaa. Sitten lämpö vapautuu:

Potti = (UKE) / Ik

UKE on tippu transistorissa, kun tulosignaalia ei ole.

Tämä on yksinkertaisin vahvistinpiiri, kun taas kaikki muut piirit toimivat tällä tavoin, vain elementtien ja niiden yhdistelmien yhteys on erilainen. Esimerkiksi luokan B transistorivahvistin koostuu kahdesta transistorista, joista kukin toimii omalla puoliaallollaan.

Tässä käytetään erilaisten johtavuuksien transistoreita:

• VT1 on NPN;

• VT2 - PNP.

Muuttuvan tulosignaalin positiivinen osa avaa ylemmän transistorin ja negatiivinen - alemman.

Tämä menetelmä antaa suuremman tehokkuuden johtuen siitä, että transistorit avautuvat ja sulkeutuvat kokonaan. Koska signaalia ei ole - molemmat transistorit ovat kiinni, piiri ei kuluta virtaa, joten häviöitä ei ole.

johtopäätös

Transistorin toiminnan ymmärtäminen on erittäin tärkeää, jos aiot tehdä elektroniikkaa. Tällä alueella on tärkeää, että ei vain opitata koota järjestelmiä, vaan myös analysoimaan niitä. Laitteiden systemaattista tutkimusta ja ymmärtämistä varten sinun on ymmärrettävä missä ja miten virrat virtaavat. Tämä auttaa sekä kokoonpanossa että piirien säätämisessä ja korjaamisessa.

On syytä huomata, että olen tahallisesti jättänyt pois monia vivahteita ja tekijöitä, jotta artikkeli ei ylikuormittuisi. Tässä tapauksessa laskelmien jälkeen se on edelleen poimi vastukset. Mallinnuksessa tämä on helppo tehdä. Mutta käytännössä mitata virrat ja jännitteet yleismittarilla, ja ihannetapauksessa tarvitsevat oskilloskoopintarkistaaksesi, vastaavatko tulo- ja lähtöaaltomuodot, muuten vääristymät tulevat esiin.