Bipolarni sklopovi tranzistora

Tranzistor je poluvodički uređaj koji može pojačati, pretvoriti i generirati električne signale. Prvi operativni bipolarni tranzistor izumljen je 1947. Materijal za njegovu izradu bio je germanij. I već 1956. godine rođen je silikonski tranzistor.

Bipolarni tranzistor koristi dvije vrste nosača naboja - elektrone i rupe, zbog čega se takvi tranzistori nazivaju bipolarni. Osim bipolarnih, postoje unipolarni (terenski) tranzistori u kojima se koristi samo jedna vrsta nosača - elektroni ili rupe. Ovaj članak će pokriti bipolarni tranzistori.

Dugo vremena tranzistori uglavnom su bili germaniji i imali su p-n-p strukturu, što se objašnjavalo mogućnostima tadašnjih tehnologija. Ali parametri germanijevih tranzistora bili su nestabilni, njihov najveći nedostatak je niska radna temperatura - ne više od 60..70 stupnjeva Celzija. Na višim temperaturama tranzistori su postali nekontrolirani, a zatim potpuno propali.

S vremenom, silicijski tranzistori su počeli isticati germanijeve palete. Trenutno su uglavnom silikoni, a koriste se, i to ne čudi. Uostalom, silicijski tranzistori i diode (gotovo sve vrste) ostaju u radu do 150 ... 170 stupnjeva. Silicijski tranzistori su također "punjenje" svih integriranih krugova.

Tranzistori se s pravom smatraju jednim od velikih otkrića čovječanstva. Zamijenivši elektronske svjetiljke, ne samo da su ih zamijenili, već su napravili revoluciju u elektronici, iznenadili i šokirali svijet. Da nema tranzistora, onda se mnogi moderni uređaji i uređaji, toliko poznati i bliski, jednostavno ne bi rodili: zamislite, na primjer, mobilni telefon s elektroničkim svjetiljkama! Za više informacija o povijesti tranzistora, vidi ovdje.

Većina tranzistora silicijuma ima n-p-n strukturu, što se objašnjava i proizvodnom tehnologijom, iako postoje silikonski tranzistori tipa p-n-p, ali oni su nešto manji od n-p-n struktura. Takvi se tranzistori koriste kao dio komplementarnih parova (tranzistora različite vodljivosti s istim električnim parametrima). Na primjer, KT315 i KT361, KT815 i KT814, a u izlaznim fazama tranzistora UMZCH KT819 i KT818. U uvećanim pojačalima često se koristi snažni komplementarni par 2SA1943 i 2SC5200.

Često se tranzistori p-n-p strukture nazivaju tranzistori s prednjom provodnošću, a n-p-n strukture tranzistori s reverznim protokom. Iz nekog razloga se takvo ime gotovo ne nalazi u literaturi, ali u krugu radio inženjera i radijskih entuzijasta koristi se svugdje, svi odmah razumiju o čemu je riječ. Na slici 1 prikazana je shematska struktura tranzistora i njihovih grafičkih simbola.

Slika 1

Uz razlike u vrsti i materijalu vodljivosti, bipolarni tranzistori su klasificirani po snazi ​​i radnoj frekvenciji. Ako snaga disipacije na tranzistoru ne prelazi 0,3 W, takav se tranzistor smatra niskom snagom. Snagom od 0,3 ... 3 W, tranzistor se naziva tranzistor srednje snage, a snagom većom od 3 W, snaga se smatra velikom. Moderni tranzistori su u stanju rasipati snagu nekoliko desetaka, pa čak i stotina vata.

Tranzistori ne pojačavaju električne signale jednako dobro: s porastom frekvencije, pojačanje stepena tranzistora pada, a na određenoj frekvenciji potpuno se zaustavlja. Dakle, za rad u širokom rasponu frekvencija dostupni su tranzistori s različitim svojstvima frekvencije.

Prema radnoj frekvenciji, tranzistori se dijele na one s niskom frekvencijom, - radna frekvencija nije veća od 3 MHz, srednja frekvencija - 3 ... 30 MHz, visoka frekvencija - veća od 30 MHz.Ako radna frekvencija prelazi 300 MHz, to su mikrotalasni tranzistori.

Općenito, u ozbiljnim debelim referentnim knjigama postoji više od 100 različitih parametara tranzistora, što također ukazuje na ogroman broj modela. A broj suvremenih tranzistora je takav da se oni u potpunosti ne mogu smjestiti ni u jedan direktorij. A linija neprestano raste, što nam omogućava da riješimo gotovo sve zadatke koje su postavili programeri.

Postoje mnogi tranzistorski sklopovi (samo se sjetite broja najmanje opreme za kućanstvo) za pojačavanje i pretvaranje električnih signala, ali, uz svu raznolikost, ti se krugovi sastoje od zasebnih stupnjeva, čija su osnova tranzistori. Da bi se postiglo potrebno pojačavanje signala, potrebno je koristiti nekoliko faza pojačanja, spojenih u nizu. Da biste razumjeli kako funkcioniraju stupnjevi pojačala, morate se bolje upoznati s sklopnim sklopkama tranzistora.

Sam tranzistor ne može ništa pojačati. Njegova pojačavajuća svojstva su da male promjene ulaznog signala (struje ili napona) dovode do značajnih promjena napona ili struje na izlazu kaskade zbog potrošnje energije iz vanjskog izvora. To je svojstvo koje se široko koristi u analognim krugovima - pojačala, televizija, radio, komunikacija itd.

Da bismo pojednostavili prezentaciju, ovdje ćemo razmotriti sklopove na tranzistorima n-p-n strukture. Sve što će se reći o tim tranzistorima jednako vrijedi i za p-n-p tranzistore. Samo promijenite polaritet izvora napajanja, elektrolitički kondenzatori i diodeako ih ima, dobiti radni krug.

Tranzistorski sklopni krugovi

Ukupno postoje tri takve sheme: krug sa zajedničkim emiterom (OE), krug sa zajedničkim sakupljačem (OK) i sklop s zajedničkom bazom (OB). Sve su ove sheme prikazane na slici 2.

Slika 2

No prije nego što razmotrimo te sklopove, trebali biste se upoznati s načinom rada tranzistora u ključnom načinu rada. Ovo bi upoznavanje trebalo olakšati razumijevanje. rad tranzistora u pojačanom načinu. U određenom smislu, ključna shema može se smatrati svojevrsnom shemom s OU.

Rad tranzistora u načinu rada s tipkama

Prije proučavanja rada tranzistora u načinu pojačanja signala, vrijedno je zapamtiti da se tranzistori često koriste u ključnom načinu rada.

O ovom načinu rada tranzistora dugo se razmišljalo. U broju za časopis Radio, objavljenom u kolovozu 1959, objavljen je članak G. Lavrova „Poluvodička trioda u ključnom načinu“. Autor članka je predložio podesite brzinu motora kolektora promjena u trajanju impulsa u upravljačkom namotu (OS). Sada se ova metoda regulacije naziva PWM i koristi se prilično često. Dijagram iz tog vremena prikazan je na slici 3.

Slika 3

Ali način rada s tipkama koristi se ne samo u PWM sustavima. Često tranzistor samo nešto uključi i isključi.

U ovom slučaju, relej se može koristiti kao opterećenje: dali su ulazni signal - relej je uključen, ne - relejni signal je isključen. Umjesto releja u tipkovnom načinu rada često se koriste žarulje. Obično se to radi kako bi se ukazalo: svjetlo je ili isključeno. Dijagram takve ključne faze prikazan je na slici 4. Ključne faze se također koriste za rad sa LED ili optoparima.

Slika 4

Na slici je kaskada kontrolirana normalnim kontaktom, iako može postojati digitalni čip ili mikrokontrolera, Automobilska žarulja, ova se koristi za osvjetljavanje nadzorne ploče u "Lada". Treba napomenuti da se za upravljanje koristi 5V, a napon komutiranog kolektora je 12V.

Nema ništa čudno u tome, jer naponi ne igraju nikakvu ulogu u ovom krugu, važne su samo struje.Stoga žarulja može biti najmanje 220 V ako je tranzistor dizajniran za rad na takvim naponima. Napon izvora na kolektoru također mora odgovarati radnom naponu opterećenja. Uz pomoć takvih kaskada, opterećenje je povezano s digitalnim mikrovezama ili mikrokontrolerima.

U ovoj shemi osnovna struja upravlja kolektorskom strujom koja je, zbog energije napajanja, nekoliko desetaka ili čak stotina puta (ovisno o opterećenju kolektora) od osnovne struje. Lako je vidjeti da dolazi do pojačanog strujanja. Kada tranzistor djeluje u ključnom načinu, vrijednost koja se koristi za izračunavanje kaskade obično se u referentnim knjigama naziva "trenutnim pojačanjem u načinu velikog signala", naznačenim slovom β u referentnim knjigama. To je omjer struje kolektora, određen opterećenjem, i najmanje moguće osnovne struje. U obliku matematičke formule izgleda ovako: β = Ik / Ib.

Za većinu modernih tranzistora koeficijent β prilično je velika, u pravilu, od 50 i više, pa se pri izračunavanju stupnja ključa može uzeti kao samo 10. Čak i ako se osnovna struja pokaže većom od izračunate, tranzistor se neće otvoriti više od toga, tada je to i ključni način rada.

Da bi se žarulja prikazala na slici 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, to je najmanje. S upravljačkim naponom od 5 V na osnovnom otporniku RB, minus pad napona u BE dijelu, ostat će 5 V - 0,6 V = 4,4 V. Otpor osnovnog otpornika je: 4,4 V / 10mA = 440 Ohm. Otpor otpornosti na 430 ohma odabran je iz standardne serije. Napon od 0,6 V napon je na priključku B - E i ne treba ga zaboraviti prilikom izračuna!

Kako bi se spriječilo da baza tranzistora "visi u zraku" prilikom otvaranja upravljačkog kontakta, B-E prijelaz obično se spušta otpornik Rbe, koji pouzdano zatvara tranzistor. Taj otpornik ne treba zaboraviti, iako iz nekog razloga nije, što može dovesti do lažnog rada kaskade od smetnji. Zapravo su svi znali za ovaj otpornik, ali iz nekog razloga su zaboravili i još jednom zakoračili na „grablje“.

Vrijednost ovog otpornika mora biti takva da kada se kontakt otvori, napon u bazi ne ispadne manji od 0,6 V, inače će kaskada biti nekontrolirana, kao da je dio B - E jednostavno kratkog spoja. U praksi se otpornik RBe postavlja na vrijednost oko deset puta više od RB. Ali čak i ako je vrijednost Rb 10K, strujni krug će raditi dovoljno pouzdano: osnovni i odašiljački potencijali bit će jednaki, što će dovesti do zatvaranja tranzistora.

Takva ključna kaskada, ako radi, može žarulju uključiti u punoj toplini ili je u potpunosti isključiti. U tom slučaju tranzistor može biti potpuno otvoren (stanje zasićenja) ili potpuno zatvoren (stanje prekida). Odmah, naravno, zaključak sugerira samu sebe da između tih "graničnih" stanja postoji takvo nešto kada žarulja sjaji u potpunosti. Je li u tom slučaju tranzistor napola otvoren ili napola zatvoren? To je poput problema s punjenjem čaše: optimist vidi čašu napola punom, dok pesimist smatra da je napola prazna. Ovakav način rada tranzistora naziva se pojačavajućim ili linearnim.

Rad tranzistora u načinu pojačanja signala

Gotovo sva suvremena elektronička oprema sastoji se od mikrostrukih sklopova u kojima su tranzistori "skriveni". Jednostavno odaberite način rada operativnog pojačala da biste postigli željeno pojačanje ili širinu pojasa. No, unatoč tome, kaskade se često koriste na diskretnim ("labavim") tranzistorima, pa je razumljivo djelovanje faze pojačala jednostavno neophodno.

Najčešće uključivanje tranzistora u odnosu na OK i OB je zajednički krug emitera (OE). Razlog ove prevalencije je, prije svega, veliko pojačanje napona i struje.Najveći dobitak OE kaskade postiže se kad polovica napona napajanja Epit / 2 padne pri opterećenju kolektora. Prema tome, drugo poluvrijeme pada na K-E dio tranzistora. To se postiže postavljanjem kaskade, što će biti opisano u nastavku. Ovaj način pojačanja naziva se klasa A.

Kad uključite tranzistor s OE-om, izlazni signal na kolektoru je u antifazi s ulazom. Kao nedostatke može se primijetiti da je ulazna impedancija OE mala (ne više od nekoliko stotina ohma), a izlazna impedancija u rasponu od nekoliko desetaka KOhms.

Ako je u tipkovnom načinu, tranzistor karakterizira trenutni dobitak u velikom signalnom modu  β, tada se u načinu pojačanja koristi "trenutni pojačanje u načinu malog signala", označeno u referentnim knjigama h21e. Ta je oznaka proizašla iz predstavljanja tranzistora u obliku uređaja s četiri terminala. Slovo "e" označava da su mjerenja izvršena kad je uključen tranzistor sa zajedničkim emiterom.

Koeficijent h21e u pravilu je nešto veći od β, mada u proračunima, kao prvu aproksimaciju, možete ga koristiti. U svakom slučaju, raspršenje parametara β i h21e je toliko veliko čak i za jednu vrstu tranzistora da su proračuni samo približni. Nakon takvih izračuna, u pravilu je potrebna konfiguracija kruga.

Pojačanje tranzistora ovisi o debljini baze, tako da ga ne možete promijeniti. Otuda i veliko širenje dobitka tranzistora uzetih čak iz jedne kutije (pročitajte jednu seriju). Za tranzistore male snage ovaj koeficijent varira između 100 ... 1000, a za moćne 5 ... 200. Što je tanja baza, to je veći omjer.

Najjednostavniji krug za uključivanje OE tranzistora prikazan je na slici 5. Ovo je samo mali komad sa slike 2, prikazan u drugom dijelu članka. Takav se krug naziva krug sa osnovnom strujom.

Slika 5

Shema je izuzetno jednostavna. Ulazni signal dovodi se u bazu tranzistora putem izolacijskog kondenzatora C1 i, pojačan, uklanja se iz kolektora tranzistora preko kondenzatora C2. Namjena kondenzatora je zaštititi ulazne krugove od konstantne komponente ulaznog signala (sjetite se samo ugljičnog ili elektronskog mikrofona) i osigurati potrebnu propusnost kaskade.

Otpornik R2 je opterećenje kaskade sakupljača, a R1 daje stalnu pristranost bazi. Pomoću ovog otpornika pokušavaju napraviti napon kolektora Epit / 2. Taj se uvjet naziva radna točka tranzistora, u ovom slučaju dobitak kaskade je maksimalan.

Otprilike otpor otpornika R1 može se odrediti jednostavnom formulom R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1,8. Koeficijent 1,5 ... 1,8 zamjenjuje se ovisno o opskrbnom naponu: kod niskog napona (ne više od 9 V), vrijednost koeficijenta nije veća od 1,5, a počevši od 50 V, približava se 1,8 ... 2,0. Ali doista, formula je toliko približna da se najčešće mora odabrati otpornik R1, jer se u protivnom neće dobiti potrebna vrijednost Epit / 2 na kolektoru.

Kolektorski otpornik R2 postavljen je kao uvjet problema, jer struja kolektora i pojačanje kaskade u cjelini ovise o njegovoj veličini: što je veći otpor otpornika R2, veći je dobitak. Ali morate biti oprezni s ovim otpornikom, struja kolektora mora biti manja od maksimalne dopuštene za ovu vrstu tranzistora.

Shema je vrlo jednostavna, ali ova jednostavnost daje joj negativna svojstva, a za ovu jednostavnost morate platiti. Prvo, pojačanje kaskade ovisi o konkretnoj instanciji tranzistora: zamijenio je tranzistor tijekom popravka, - ponovno odaberite offset, iznesite ga na radnu točku.

Drugo, od temperature okoline, - s porastom temperature, povratna struja kolektora Ico raste, što dovodi do povećanja struje kolektora. I gdje je, dakle, pola naponskog napona na kolektoru Epit / 2, istoj radnoj točki? Kao rezultat toga, tranzistor se zagrijava još više, nakon čega ne radi.Da biste se riješili ove ovisnosti ili je barem smanjili, u kaskadu tranzistora uvode se dodatni elementi negativne povratne informacije - OOS.

Na slici 6 prikazan je krug s fiksnim naponom pristranosti.

Slika 6

Čini se da će razdjelnik napona Rb-k, Rb-e osigurati potreban početni pomak kaskade, ali u stvari takva kaskada ima sve nedostatke kruga fiksne struje. Stoga je prikazani krug samo varijacija kruga fiksne struje prikazanog na slici 5.

Sheme s termičkom stabilizacijom

Situacija je nešto bolja u slučaju primjene shema prikazanih na slici 7.

Slika 7

U sklopu stabiliziranom na kolektoru, pristranski otpornik R1 spojen je ne na izvor napajanja, već na kolektor tranzistora. U tom se slučaju, ako se temperatura poveća, obrnuta struja povećava, tranzistor se jači, napon kolektora smanjuje. Taj pad dovodi do smanjenja napona pristranosti koji se dovodi do baze kroz R1. Tranzistor se počinje zatvarati, struja kolektora smanjuje se na prihvatljivu vrijednost, vraća se položaj radne točke.

Očito je da takva mjera stabilizacije dovodi do određenog smanjenja pojačanja kaskade, ali to nije važno. Dobitak koji nedostaje obično se dodaje povećanjem broja faza pojačanja. Ali takav sustav zaštite okoliša može značajno proširiti raspon radnih temperatura kaskade.

Krug kaskade sa stabilizacijom odašiljača je nešto složeniji. Ojačavajuća svojstva takvih kaskada ostaju nepromijenjena u još širem temperaturnom rasponu nego u kolektoru stabiliziranom krugu. I još jedna neosporna prednost - prilikom zamjene tranzistora ne morate ponovno birati kaskadne načine rada.

Emitorski otpornik R4, koji omogućuje stabilizaciju temperature, također smanjuje dobitak kaskade. Ovo je za istosmjernu struju. Da bi se isključio utjecaj otpornika R4 na pojačanje izmjenične struje, otpornik R4 premošćuje kondenzator Ce, što je neznatni otpor izmjeničnoj struji. Njegova vrijednost određuje se frekvencijskim rasponom pojačala. Ako se te frekvencije nalaze u rasponu zvuka, tada kapacitet kondenzatora može biti od jedinica do desetaka ili čak stotina mikrofaradi. Za radio frekvencije to je već stotina ili tisućica, ali u nekim slučajevima krug djeluje u redu i bez ovog kondenzatora.

Da biste bolje razumjeli kako funkcionira stabilizacija emitera, morate razmotriti sklop za uključivanje tranzistora s uobičajenim OK kolektorom.

Zajednički sklop kolektora (OK) prikazan je na slici 8. Ovaj je krug odsječak na slici 2, iz drugog dijela članka, na kojem su prikazana sva tri sklopna sklopka tranzistora.

Slika 8

Kaskadu opterećuje otpornik R2, ulazni signal se dovodi preko kondenzatora C1, a izlazni signal se uklanja preko kondenzatora C2. Ovdje možete pitati zašto se ova shema zove U redu? Doista, ako se prisjetimo OE kruga, tamo je jasno vidljivo da je odašiljač spojen na zajedničku žicu kruga u odnosu na koji se ulazi ulazni signal i uzima izlazni signal.

U krugu OK, kolektor je jednostavno spojen na izvor napajanja, a na prvi pogled čini se da nema nikakve veze s ulaznim i izlaznim signalom. Ali u stvari, izvor EMF (baterija za napajanje) ima vrlo mali unutarnji otpor, za signal to je gotovo jedna točka, jedan i isti kontakt.

Pojedinosti, rad kruga OK može se vidjeti na slici 9.

Slika 9

Poznato je da je za silicijske tranzistore napon bi-e prijelaza u rasponu od 0,5 ... 0,7 V, tako da ga možete uzeti u prosjeku 0,6 V, ako ne postavite cilj da izvodite proračune s točnošću od desetine procenta. Prema tome, kao što se može vidjeti na slici 9, izlazni napon će uvijek biti manji od ulaznog napona po vrijednosti Ub-e, naime, jednakih 0,6 V.Za razliku od OE kruga, ovaj krug ne invertira ulazni signal, jednostavno ga ponavlja, pa čak i smanjuje za 0,6 V. Ovaj krug se također naziva sljedbenik emiter. Zašto je potrebna takva shema, u čemu se koristi?

OK krug pojačava trenutni signal h21e puta, što znači da je ulazna impedancija kruga h21e puta veća od otpora u krugu emitera. Drugim riječima, bez straha od spaljivanja tranzistora možete primijeniti napon izravno na bazu (bez ograničavajućeg otpora). Samo uzmite osnovni pin i povežite ga sa + U napajanjem.

Visoka ulazna impedancija omogućava vam priključivanje ulaznog izvora visoke impedance (složene impedance), poput piezoelektričnog osigurača. Ako je takav mehanizam povezivanja s kaskadom u skladu s OE shemom, tada mala ulazna impedancija ove kaskade jednostavno „slijeće“ signal za preuzimanje - „radio se neće reproducirati“.

Izrazito svojstvo OK kruga je da njegova struja kolektor Ik ovisi samo o otpornosti opterećenja i naponu izvora ulaznog signala. Istodobno, parametri tranzistora uopće ne igraju nikakvu ulogu. O takvim krugovima kažu da su prekriveni stopostotnom povratnom vezom.

Kao što je prikazano na slici 9, struja u opterećenju odašiljača (to je emitirajuća struja) In = Ik + Ib. Uzimajući u obzir da je osnovna struja Ib zanemariva u odnosu na kolektorsku struju Ik, možemo pretpostaviti da je struja opterećenja jednaka kolektorskoj struji In = Ik. Struja u opterećenju će biti (Uin - Ube) / Rn. U ovom slučaju pretpostavljamo da je Ube poznat i da je uvijek jednak 0,6 V.

Iz toga slijedi da struja kolektora Ik = (Uin - Ube) / Rn ovisi samo o ulaznom naponu i otporu opterećenja. Otpor opterećenja može se mijenjati u širokim granicama, međutim, nije potrebno posebno ljubiti. Doista, ako umjesto Rn stavimo čavliću - stotinku, tada nijedan tranzistor ne može podnijeti!

OK krug olakšava mjerenje koeficijenta prijenosa statičke struje h21e. Kako to učiniti prikazano je na slici 10.

Slika 10

Prvo izmjerite struju opterećenja kao što je prikazano na slici 10a. U ovom slučaju, bazu tranzistora ne treba povezati nigdje, kao što je prikazano na slici. Nakon toga mjeri se osnovna struja u skladu sa slikom 10b. U oba se slučaja mjerenja trebaju provoditi u istim količinama: ili u amperima ili u miliamperima. Napon i opterećenje napajanja trebaju ostati nepromijenjeni u oba mjerenja. Da biste saznali statički koeficijent prijenosa struje, dovoljno je podijeliti struju opterećenja s osnovnom strujom: h21e ≈ In / IB.

Treba napomenuti da se s porastom struje opterećenja, h21e lagano smanjuje, a s povećanjem napona napajanja povećava. Ponavljači odašiljača često su ugrađeni u push-pull krugu koristeći komplementarne parove tranzistora, što omogućava povećanje izlazne snage uređaja. Takav sljedbenik odašiljača prikazan je na slici 11.

Slika 11.

Slika 12.

Uključivanje tranzistora prema shemi sa zajedničkom bazom OB

Takav krug omogućuje samo povećanje napona, ali ima bolja frekvencijska svojstva u usporedbi s OE krugom: isti tranzistori mogu raditi na višim frekvencijama. Glavna primjena OB sheme su UHF antenska pojačala. Dijagram antenskog pojačala prikazan je na slici 12.