Bipolarni tranzistori: sklopovi, načini, modeliranje

Tranzistor se pojavio 1948. (1947), zahvaljujući radu trojice inženjera i Shockleyja, Bradsteina, Bardina. U one dane njihov brzi razvoj i popularizacija još nisu bili predviđeni. U Sovjetskom Savezu 1949. godine prototip tranzistora predstavio je znanstvenom svijetu laboratorij Krasilov, bio je to trioda C1-C4 (germanij). Termin tranzistor pojavio se kasnije, 50-ih ili 60-ih.

Međutim, široku primjenu pronašli su u kasnim 60-ima, ranim 70-ima, kada su prijenosni radio stupili u modu. Usput, dugo su ih nazivali "tranzistor". Taj se naziv zaglavio zbog činjenice da su elektroničke cijevi zamijenili poluvodičkim elementima, što je izazvalo revoluciju u radiotehnici.

Što je poluvodič?

Tranzistori su izrađeni od poluvodičkih materijala, na primjer, silicij, germanij je prije bio popularan, ali sada se rijetko nalazi, zbog visokih troškova i loših parametara, u pogledu temperature i drugih stvari.

Poluvodiči su materijali koji zauzimaju mjesto između vodiča i dielektrika u provodljivosti. Otpor im je milijun puta veći od vodiča i stotine milijuna puta manji od dielektrika. Pored toga, kako bi struja počela teći kroz njih, potrebno je primijeniti napon koji prelazi razmak od opsega, tako da se nosači naboja kreću od valentnog pojasa do vodljivog pojasa.

Provodnici zabranjene zone nisu takvi. Nosač naboja (elektron) može se kretati u provodnom pojasu ne samo pod utjecajem vanjskog napona, već i od topline - to se naziva toplinska struja. Struja uzrokovana ozračivanjem svjetlosnog toka poluvodiča naziva se fotostruja. Fotoresistori, fotodiodi i drugi fotoosjetljivi elementi djeluju na ovom principu.

Za usporedbu, pogledajte one u dielektricima i vodičima:

Prilično očito. Dijagrami pokazuju da dielektričari i dalje mogu voditi struju, ali to se događa nakon prevladavanja zabranjene zone. U praksi se to naziva dielektrični proboj napona.

Dakle, razlika između struktura germanija i silicija je u tome što je za germanij razmačni pojas između 0,3 eV (elektronski volti), a silicij veći od 0,6 eV. S jedne strane, to uzrokuje veće gubitke, ali uporaba silicija je zbog tehnoloških i ekonomskih čimbenika.

Kao rezultat dopinga, poluvodič prima dodatne nosioce naboja pozitivne (rupe) ili negativne (elektroni), što se naziva poluprovodnik p-ili n-tipa. Možda ste čuli frazu "pn junction." Dakle, ovo je granica između poluvodiča različitih vrsta. Kao rezultat kretanja naboja, stvaranja ioniziranih čestica svake vrste nečistoće prema glavnom poluvodiču, potencijalne barijere, ne dozvoljava struji da struji u oba smjera, više o tome opisano je u knjizi "Tranzistor je jednostavan.".

Uvođenje dodatnih nosača naboja (doping poluvodiča) omogućilo je stvaranje poluvodičkih uređaja: diode, tranzistora, tiristora itd. Najjednostavniji primjer je dioda, čiju smo rad ispitali u prethodnom članku.

Ako primijenite napon u naprijed pristranosti, tj. Pozitivno ću strujati do p-regije, a negativna struja će teći u n-regiju, i obrnuto, struja neće teći. Činjenica je da s izravnim pristranosti glavni nosači naboja p-regije (rupe) su pozitivni i odbijaju se od pozitivnog potencijala izvora energije, skloni su regiji s više negativnog potencijala.

Istovremeno, negativni nosači n-regije odbijaju se s negativnog pola izvora energije. Oba nosača imaju tendenciju prema sučelju (pn spoj).Prijelaz postaje uži, a prijevoznici prelaze potencijalnu barijeru, krećući se u područjima suprotnih naboja, gdje se rekombiniraju s njima ...

Ako se primijeni napon obrnutog pristranosti, tada se pozitivni nosači p-regije kreću prema negativnoj elektrodi izvora energije, a elektroni iz n-regije kreću se prema pozitivnoj elektrodi. Prijelaz se širi, struja ne teče.

Ako ne ulazite u detalje, to je dovoljno da shvatite procese koji se odvijaju u poluvodiču.

Uvjetna grafička oznaka tranzistora

U Ruskoj Federaciji je takvo označavanje tranzistora usvojeno kao što vidite na slici ispod. Kolektor je bez strijele, odašiljač je sa strelicom, a baza je okomita na liniju između emitera i kolektora. Strelica na odašiljaču označava smjer struje struje (od plus do minus). Za NPN strukturu, strelica za emitiranje usmjerena je od baze, a za PNP usmjerena je prema bazi.

Štoviše, ista se oznaka često nalazi u shemama, ali bez kruga. Oznaka standardnog slova je "VT" i redni broj na dijagramu, ponekad jednostavno napišu "T".

 

Slika tranzistora bez kruga

Što je tranzistor?

Tranzistor je aktivni poluvodički uređaj dizajniran za pojačavanje signala i stvaranje oscilacija. Zamijenio je vakuumske cijevi - triode. Tranzistori obično imaju tri noge - kolektor, emiter i bazu. Baza je upravljačka elektroda, opskrbljujući je strujom, upravljamo strujom kolektora. Tako pomoću male bazne struje reguliramo velike struje u strujnom krugu, a signal se pojačava.

Bipolarni tranzistori su izravno prema naprijed (PNP) i obrnutoj vodljivosti (NPN). Njihova struktura prikazana je u nastavku. Baza obično zauzima manji volumen kristala poluvodiča.

karakteristike

Glavne karakteristike bipolarnih tranzistora:

• Ic - maksimalna struja kolektora (ne može biti veća - izgorjet će);

• Ucemax - maksimalni napon koji se može primijeniti između kolektora i odašiljača (nemoguće je gore - slomiti se);

• Ucesat je napon zasićenja tranzistora. Pad napona u načinu zasićenja (što je manji, to su manji gubici u otvorenom stanju i zagrijavanju);

• Β ili H21E - dobitak tranzistora, jednak Ik / Ib. Ovisi o modelu tranzistora. Na primjer, pri pojačanju od 100, pri struji kroz bazu od 1 mA, struja od 100 mA strujat će kroz kolektor itd.

Vrijedi reći o tranzistorskim strujama, postoje ih tri:

1. Bazna struja.

2. Struja kolektora.

3. Emitirajuća struja - sadrži baznu struju i struju odašiljača.

Najčešće, struja emiter pada jer gotovo se ne razlikuje od veličine kolektora po veličini. Jedina je razlika što je struja kolektora manja od struje emitera prema vrijednosti bazne struje i od tranzistori imaju veliko pojačanje (recimo 100), tada će pri struji od 1A kroz emiter 10mA teći kroz bazu, a 990mA kroz kolektor. Slažete se, ovo je dovoljno mala razlika da na to trošite vrijeme dok proučavate elektroniku. Dakle, u karakteristikama i naznačeno Icmax.

Načini rada

Tranzistor može raditi u različitim modovima:

1. Način zasićenja. Jednostavnim riječima, ovo je način na kojem je tranzistor u maksimalno otvorenom stanju (oba prijelaza su pristrana u smjeru prema naprijed).

2. Način isključivanja je kada struja ne teče, a tranzistor je zatvoren (oba prijelaza su pristrana u suprotnom smjeru).

3. Aktivni način rada (baza kolektora je pristrana u suprotnom smjeru, a baza odašiljača je pristrana u smjeru prema naprijed).

4. Inverzni aktivni način rada (baza kolektora je pristrana u smjeru prema naprijed, a baza emitera je pristrana u suprotnom smjeru), ali se rijetko koristi.

Tipični tranzistorski sklopni sklopovi

Postoje tri tipična sklopna sklopka tranzistora:

1. Opća osnova.

2. Opći odašiljač.

3. Zajednički sakupljač.

Ulazni krug smatra se osnovom odašiljača, a izlazni krug kolektor-odašiljač. Dok je ulazna struja osnovna struja, a izlazna struja kolektora.

Ovisno o sklopnom krugu, pojačavamo struju ili napon.U udžbenicima je uobičajeno razmotriti upravo takve sheme uključivanja, ali u praksi ne izgledaju tako očito.

Vrijedno je napomenuti da kada spojimo u krug sa zajedničkim kolektorom, pojačavamo struju i na ulazu i izlazu ulazimo u fazni (isti kao ulaz u polaritetu), a u krugu s zajedničkim emiterom dobivamo napon i obrnuti napon (izlaz je obrnut u odnosu na ulaza). Na kraju članka simulirat ćemo takve sklopove i to jasno vidjeti.

Modeliranje tranzistorskog ključa

Prvi model koji ćemo pogledati je tranzistor ključnog načina, Da biste to učinili, morate izgraditi krug kao na slici ispod. Pretpostavimo da ćemo uključiti opterećenje strujom 0,1A, njegovu ulogu će igrati otpornik R3 instaliran u kolektorskom krugu.

Kao rezultat eksperimenata, ustanovio sam da je h21E odabranog modela tranzistora, otprilike, oko 20, na listi podataka na MJE13007 piše od 8 do 40.

Bazna struja bi trebala biti oko 5mA. Razdjelnik se izračunava tako da osnovna struja ima minimalan učinak na razdjelničku struju. Tako da navedeni napon ne lebdi kad je tranzistor uključen. Stoga je razdjelnik struje postavljen na 100mA.

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

To je izračunata vrijednost, struje kao rezultat toga su nastale kako slijedi:

S osnovnom strujom od 5mA, struja u opterećenju je bila oko 100mA, napon pada na tranzistoru do 0,27 V. Računi su točni.

Što smo dobili?

Možemo kontrolirati opterećenje čija je struja 20 puta veća od kontrolne struje. Da biste dodatno pojačali, možete duplicirati kaskadu, smanjujući upravljačku struju. Ili koristite drugi tranzistor.

Struja kolektora bila je ograničena otporom opterećenja, za eksperiment sam odlučio napraviti otpor opterećenja 0 Ohm, tada se struja kroz tranzistor postavlja osnovnom strujom i pojačanjem. Kao rezultat toga, struje se praktički ne razlikuju, kao što možete vidjeti.

Da bismo pratili učinak vrste tranzistora i njegovo pojačanje na struje, zamjenjujemo ga bez promjene parametara kruga.

Nakon zamjene tranzistora s MJE13007 na MJE18006, krug je nastavio s radom, ali 0,14 V pada na tranzistor, što znači da će se pri istoj struji ovaj tranzistor manje zagrijati, jer će se isticati u toplini

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

I u prethodnom slučaju:

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

Razlika je gotovo dvostruka, ako nije toliko značajna u desetinama vata, zamislite što će se događati pri strujama od nekoliko desetaka ampera, tada će se snaga gubitaka povećati 100 puta. To dovodi do činjenice da se ključevi pregrijavaju i ne rade.

Toplina koja se oslobađa tijekom grijanja širi se kroz uređaj i može uzrokovati probleme u radu susjednih komponenti. Za to su svi elementi napajanja ugrađeni na radijatore, a ponekad se koriste aktivni sustavi hlađenja (hladnjak, tekućina itd.).

Štoviše, s porastom temperature, vodljivost poluvodiča se povećava, kao i struja koja struji kroz njih, što opet uzrokuje porast temperature. Proces povećanja struje i temperature poput lavina na kraju će ubiti ključ.

Zaključak je sljedeći: Manji pad napona kroz tranzistor u otvorenom stanju, manje je njegovo zagrijavanje i veća učinkovitost cijelog kruga.

Pad napona na ključu postao je manji zbog činjenice da stavimo moćniji ključ, s većim pojačanjem, da bismo se uvjerili u to, uklanjamo opterećenje iz kruga. Da bih to učinio, opet sam postavio R3 = 0 Ohma. Struja kolektora postala je 219mA, na MJE13003 u istom krugu bila je oko 130mA, što znači da je H21E u modelu ovog tranzistora dvostruko veći.

Vrijedi napomenuti da dobitak jednog modela, ovisno o pojedinoj instanci, može varirati u desecima ili stotinama puta. To zahtijeva podešavanje i podešavanje analognih sklopova. U ovom programu se u modelima tranzistora koriste fiksni koeficijenti, znam logiku njihovog izbora. Na MJE18006 u podatkovnom listu maksimalan omjer H21E je 36.

Simulacija izmjeničnog pojačala

Dati model prikazuje ponašanje ključa ako se na njega primijene naizmjenični signal i jednostavan krug za njegovo uključivanje u krug. To nalikuje glazbenom krugu pojačala snage.

Obično koriste nekoliko takvih serijski povezanih kaskada. Broj i sheme kaskada, njihovi krugovi snage ovise o klasi u kojoj pojačalo djeluje (A, B, itd.). Simulirat ću najjednostavnije pojačalo klase A, koje radi u linearnom načinu rada, kao i uzeti valne oblike ulaznog i izlaznog napona.

Otpornik R1 postavlja radnu točku tranzistora. U udžbenicima pišu da takvu točku trebate pronaći na ravnom segmentu CVC-a tranzistora. Ako je napon pristranosti prenizak, donji pola vala signala će se iskriviti.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondenzatori su potrebni za odvajanje varijabilne komponente od konstante. Otpornici R2 instalirani su radi podešavanja radnog načina ključa i podešavanja radnih struja. Pogledajmo valne oblike. Dajemo signal s amplitudom od 10mV i frekvencijom od 10 000 Hz. Izlazna amplituda je gotovo 2V.

Magenta označava izlazni valni oblik, crvena označava ulazni valni oblik.

Napominjemo da je signal obrnut, tj. izlazni signal je invertiran u odnosu na ulaz. To je značajka zajedničkog kruga emitera. Prema shemi, signal se uklanja iz kolektora. Stoga, kada se otvori tranzistor (kada se ulazni signal poveća), napon preko njega opada. Kad padne ulazni signal, tranzistor se počinje zatvarati i napon počinje rasti.

Ova se shema smatra najkvalitetnijom s obzirom na kvalitetu prijenosa signala, ali to morate platiti snagom gubitaka. Činjenica je da je u stanju u kojem ne ulazi signal, tranzistor uvijek otvoren i provodi struju. Tada se oslobađa toplina:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE je pad na tranzistoru u nedostatku ulaznog signala.

Ovo je najjednostavniji krug pojačala, dok bilo koji drugi krug djeluje na ovaj način, samo je povezivanje elemenata i njihova kombinacija različita. Primjerice, tranzistorsko pojačalo klase B sastoji se od dva tranzistora, od kojih svaki radi za svoj vlačni poluton.

Ovdje se koriste tranzistori različitih vodljivosti:

• VT1 je NPN;

• VT2 - PNP.

Pozitivni dio varijabilnog ulaznog signala otvara gornji tranzistor, a negativni - donji.

Ova shema daje veću učinkovitost zbog činjenice da se tranzistori u potpunosti otvaraju i zatvaraju. Zbog činjenice da kada je signal odsutan - oba tranzistora zatvorena, krug ne troši struju, tako da nema gubitaka.

zaključak

Razumijevanje rada tranzistora vrlo je važno ako se bavite elektronikom. U ovom je području važno ne samo naučiti sastaviti sheme, već i analizirati ih. Za sustavno proučavanje i razumijevanje uređaja, morate razumjeti gdje će i kako teći struja. To će pomoći kako u sastavljanju, tako i u podešavanju i popravljanju krugova.

Vrijedi napomenuti da sam namjerno izostavio mnoge nijanse i čimbenike kako ne bih preopteretio članak. U isto vrijeme, nakon izračuna, još uvijek je pokupite otpornike, U modeliranju je to jednostavno učiniti. Ali u praksi izmjerite struje i napone multimetrom, i idealno treba osciloskopda provjerite podudaraju li se ulazni i izlazni valni oblici, u protivnom ćete imati distorziju.