Bipoliniai tranzistoriai: grandinės, režimai, modeliavimas

Trijų inžinierių ir Shockley, Bradstein, Bardin darbo dėka tranzistorius pasirodė 1948 m. (1947 m.). Tais laikais greito jų vystymosi ir populiarinimo dar nebuvo galima tikėtis. Sovietų Sąjungoje 1949 m. Tranzistoriaus prototipą mokslo pasauliui pristatė Krasilovo laboratorija, tai buvo C1-C4 triodas (germaniumas). Terminas „tranzistorius“ atsirado vėliau, 50–60-aisiais.

Tačiau jie buvo plačiai naudojami 60-ųjų pabaigoje ir 70-ųjų pradžioje, kai nešiojamieji radijo imtuvai pasirodė madoje. Beje, jie ilgą laiką buvo vadinami „tranzistoriais“. Šis vardas įstrigo dėl to, kad jie elektroninius vamzdžius pakeitė puslaidininkiniais elementais, kurie sukėlė radijo inžinerijos revoliuciją.

Kas yra puslaidininkis?

Tranzistoriai yra gaminami iš puslaidininkinių medžiagų, pavyzdžiui, anksčiau buvo populiarus silicis, germanis, tačiau dabar jis retai sutinkamas dėl didelių išlaidų ir blogesnių parametrų, kalbant apie temperatūrą ir kitus dalykus.

Puslaidininkiai yra medžiagos, užimančios vietą tarp laidininkų ir dielektrikų laidumo. Jų atsparumas yra milijoną kartų didesnis nei laidininkų, o šimtai milijonų kartų mažesnis nei dielektrikų. Be to, norint, kad srovė tekėtų per juos, būtina naudoti įtampą, viršijančią juostos tarpą, kad įkrovos nešėjai praeitų iš valentinės juostos į laidumo juostą.

Draudžiamos zonos laidininkų tokių nėra. Įkrovimo nešiklis (elektronas) gali judėti į laidumo juostą ne tik veikiant išorinei įtampai, bet ir nuo šilumos - tai vadinama šilumine srove. Puslaidininkio šviesos srauto apšvitinimo sukelta srovė vadinama foto srove. Fotorezistoriai, fotodiodai ir kiti šviesai jautrūs elementai veikia šiuo principu.

Palyginimui pažiūrėkite į dielektrikus ir laidus:

Gana akivaizdu. Diagramos rodo, kad dielektrikai vis dar gali valdyti srovę, tačiau tai atsitinka viršijus draudžiamą zoną. Praktiškai tai vadinama dielektrine skilimo įtampa.

Taigi, skirtumas tarp germanio ir silicio struktūrų yra tas, kad germaniui juostos tarpas yra maždaug 0,3 eV (elektronų voltų), o silicio - daugiau kaip 0,6 eV. Viena vertus, tai sukelia daugiau nuostolių, tačiau silicį naudoti lemia technologiniai ir ekonominiai veiksniai.

Dėl dopingo naudojimo puslaidininkis gauna papildomų krūvio nešėjų, teigiamų (skylių) arba neigiamų (elektronų), tai vadinama p- arba n-tipo puslaidininkiais. Galbūt girdėjote frazę „pn sankryža“. Taigi tai yra riba tarp skirtingų tipų puslaidininkių. Dėl krūvių judėjimo susidaro kiekvieno tipo priemaišų jonizuotos dalelės prie pagrindinio puslaidininkio, susidaro potencialus barjeras, jis neleidžia srovei tekėti abiem kryptimis, plačiau apie tai aprašyta knygoje "Tranzistorius yra lengvas"..

Įdiegus papildomus įkrovos nešiklius (puslaidininkių dopingą), buvo įmanoma sukurti puslaidininkinius įtaisus: diodus, tranzistorius, tiristorius ir kt. Paprasčiausias pavyzdys yra diodas, kurio veikimą mes ištyrėme. ankstesniame straipsnyje.

Jei taikysite įtampą nukreipdami į priekį, t. Aš tesiu teigiamą p-regionui, o neigiama srovė teka n-regionui, o jei bus priešingai, srovė neteka. Faktas yra tas, kad esant tiesioginiam šališkumui, pagrindiniai p-srities (skylės) krūvio nešėjai yra teigiami ir atstumia nuo teigiamo energijos šaltinio potencialo, linkę į labiau neigiamo potencialo regioną.

Tuo pačiu metu neigiami n srities nešėjai atstumia nuo neigiamo energijos šaltinio poliaus. Abu nešėjai linkę į sąsają (pn sandūra).Perėjimas tampa siauresnis, o nešėjai įveikia galimą barjerą, juda tose vietose, kur yra priešingi krūviai, kur jie rekombinuojasi su jais ...

Jei taikoma atvirkštinė įtampos įtampa, teigiami p srities nešėjai juda neigiamo energijos šaltinio elektrodo link, o elektronai iš n srities juda link teigiamo elektrodo. Perėjimas plečiasi, srovė neteka.

Jei nesigilinsite į detales, to pakaks, kad suprastumėte puslaidininkyje vykstančius procesus.

Sąlyginis tranzistoriaus grafinis žymėjimas

Rusijos Federacijoje yra priimtas toks tranzistoriaus žymėjimas, kaip matote paveikslėlyje žemiau. Kolektorius yra be strėlės, emiteris yra su strėle, o pagrindas yra statmenas linijai tarp emiterio ir kolektoriaus. Rodyklė ant emiterio rodo srovės srauto kryptį (nuo pliuso iki minuso). NPN struktūrai emiterio rodyklė nukreipta nuo pagrindo, o PNP - į pagrindą.

Be to, tas pats žymėjimas dažnai būna schemose, bet be apskritimo. Standartinis raidžių žymėjimas yra „VT“ ir skaičius eilės tvarka pagal schemą, kartais jie tiesiog rašo „T“.

 

Tranzistorių be apskritimo vaizdas

Kas yra tranzistorius?

Tranzistorius yra aktyvus puslaidininkinis įtaisas, skirtas stiprinti signalą ir generuoti virpesius. Jis pakeitė vakuuminius vamzdelius - triodus. Tranzistoriai paprastai turi tris kojas - kolektorių, emiterį ir pagrindą. Pagrindas yra valdymo elektrodas, tiekiantis į jį srovę, mes kontroliuojame kolektoriaus srovę. Taigi, naudodami mažą bazinę srovę, mes reguliuojame dideles sroves elektros grandinėje, o signalas sustiprinamas.

Bipoliniai tranzistoriai yra tiesioginis pirmyn (PNP) ir atvirkštinis laidumas (NPN). Jų struktūra pavaizduota žemiau. Paprastai bazė užima mažesnį puslaidininkio kristalo tūrį.

Charakteristikos

Pagrindinės bipolinių tranzistorių charakteristikos:

• Ic - didžiausia kolektoriaus srovė (negali būti didesnė - ji sudegs);

• „Ucemax“ - maksimali įtampa, kurią galima pritaikyti tarp kolektoriaus ir emiterio (neįmanoma aukščiau - ji nutrūks);

• „Ucesat“ yra tranzistoriaus prisotinimo įtampa. Įtampos kritimas prisotinimo režimu (kuo mažesnis, tuo mažesni nuostoliai atviroje būsenoje ir kaitinant);

• Β arba H21E - tranzistoriaus padidėjimas, lygus Ik / Ib. Priklauso nuo tranzistoriaus modelio. Pavyzdžiui, padidėjus 100, esant srovei per 1 mA pagrindą, 100 mA srovė tekės per kolektorių ir kt.

Verta pasakyti apie tranzistoriaus sroves, jų yra trys:

1. Bazinė srovė.

2. Kolektoriaus srovė.

3. Emiterio srovė - apima bazinę ir emiterio srovę.

Dažniausiai emiterio srovė krenta todėl jis beveik nesiskiria nuo kolektoriaus srovės dydžio. Skirtumas tik tas, kad kolektoriaus srovė yra mažesnė už emiterio srovę bazinės srovės verte, ir nuo tranzistoriai turi didelę galią (tarkime 100), tada esant 1A srovei per emiterį 10mA tekės per pagrindą, o 990mA - per kolektorių. Sutikite, tai yra pakankamai mažas skirtumas, norint skirti laiko tam, studijuojant elektroniką. Todėl charakteristikose ir nurodytas Icmax.

Darbo režimai

Tranzistorius gali veikti skirtingais režimais:

1. Sotumo režimas. Paprastais žodžiais tariant, tai yra režimas, kuriame tranzistorius yra maksimaliai atviroje būsenoje (abu perėjimai yra pakreipti į priekį).

2. Nutraukimo režimas yra tada, kai srovė neteka, o tranzistorius yra uždarytas (abu perėjimai yra šališki priešinga kryptimi).

3. Aktyvusis režimas (kolektoriaus bazė yra šališkai nukreipta priešinga kryptimi, o emiterio bazė yra linkusi į priekį).

4. Atvirkštinis aktyvusis režimas (kolektoriaus bazė yra pakreipta į priekį, o emiterio bazė yra šališka priešinga kryptimi), tačiau ji naudojama retai.

Tipiškos tranzistoriaus perjungimo grandinės

Yra trys tipiškos tranzistoriaus perjungimo grandinės:

1. Bendroji bazė.

2. Bendrasis skleidėjas.

3. Bendras kolekcininkas.

Įvesties grandinė laikoma emiterio baze, o išėjimo grandinė - kolektoriaus skleidėja. Tuo tarpu įėjimo srovė yra bazinė srovė, o išėjimas - atitinkamai kolektoriaus srovė.

Priklausomai nuo perjungimo grandinės, mes sustipriname srovę arba įtampą.Vadovėliuose įprasta svarstyti tik tokias įtraukimo schemas, tačiau praktiškai jos neatrodo tokios akivaizdžios.

Verta paminėti, kad įjungdami grandinę bendru kolektoriumi, mes sustipriname srovę ir gauname fazę (tokią pat kaip įvesties poliškumas) įtampą įvestyje ir išvestyje, o grandinėje su bendru emiteriu gauname įtampą ir atvirkštinę įtampos padidėjimą (išėjimas yra apverstas santykinai su įvestis). Straipsnio pabaigoje mes imituosime tokias grandines ir aiškiai tai matysime.

Tranzistoriaus raktų modeliavimas

Pirmasis modelis, į kurį pažvelgsime, yra rakto režimo tranzistorius. Norėdami tai padaryti, turite sukurti grandinę, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Tarkime, kad įtrauksime apkrovą, kurios srovė yra 0,1A, jos vaidmenį atliks rezistorius R3, įmontuotas kolektoriaus grandinėje.

Atlikdamas eksperimentus radau, kad pasirinkto tranzistoriaus modelio h21E yra apie 20, beje, MJE13007 duomenų lape jis sako nuo 8 iki 40.

Bazinė srovė turėtų būti apie 5mA. Skirstytuvas apskaičiuojamas taip, kad bazinė srovė turėtų minimalų poveikį daliklio srovei. Kad nurodyta įtampa neplauktų įjungus tranzistorių. Todėl dabartinis daliklis yra 100mA.

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

Tai yra apskaičiuota vertė, dėl to srovės atsirado taip:

Esant 5 mA bazinei srovei, srovė apkrovoje buvo apie 100 mA, tranzistoriuje įtampa nukrenta iki 0,27 V. Skaičiavimai teisingi.

Ką mes gavome?

Mes galime valdyti apkrovą, kurios srovė yra 20 kartų didesnė už valdymo srovę. Norėdami dar labiau sustiprinti, galite dubliuoti kaskadą, sumažindami valdymo srovę. Arba naudokite kitą tranzistorių.

Kolektoriaus srovę ribojo atsparumas apkrovai, eksperimentui nusprendžiau atlikti apkrovos varžą 0 omų, tada srovė per tranzistorių nustatoma bazine srove ir stiprinimu. Dėl to srovės praktiškai nesiskiria, kaip matote.

Norėdami atsekti tranzistoriaus tipo ir jo padidėjimo įtaką srovėms, mes jį pakeičiame, nekeisdami grandinės parametrų.

Pakeitus tranzistorių iš MJE13007 į MJE18006, grandinė toliau veikė, tačiau ant tranzistoriaus nukrito 0,14 V, tai reiškia, kad esant tokiai pačiai srovei šis tranzistorius įkaista mažiau, nes išsiskirs šiluma

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

Ir ankstesniu atveju:

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

Skirtumas yra beveik dvigubai, jei jis nėra toks reikšmingas dešimtosiomis vatų dalimis, įsivaizduokite, kas nutiks dešimčių amperų srovėmis, tada nuostolių galia padidės 100 kartų. Tai lemia, kad raktai perkaista ir sugenda.

Šiluma išskiriama šiluma plinta per prietaisą ir gali sukelti problemų eksploatuojant kaimyninius komponentus. Tam visi maitinimo elementai montuojami ant radiatorių, o kartais naudojamos aktyvios aušinimo sistemos (aušintuvas, skystis ir kt.).

Be to, didėjant temperatūrai, didėja puslaidininkio laidumas, kaip ir per juos tekanti srovė, kuri vėl sukelia temperatūros padidėjimą. Į laviną panašus srovės ir temperatūros didėjimo procesas galiausiai užmuš raktą.

Išvada yra tokia: kuo mažesnis įtampos kritimas per tranzistorių atviroje būsenoje, tuo mažesnis jo šildymas ir didesnis visos grandinės efektyvumas.

Įtampos kritimas ant rakto tapo mažesnis dėl to, kad mes įdėjome galingesnį raktą su didesniu padidėjimu, kad tuo įsitikintume, pašaliname apkrovą iš grandinės. Norėdami tai padaryti, aš vėl nustatiau R3 = 0 omų. Kolektoriaus srovė tapo 219mA, MJE13003 toje pačioje grandinėje buvo apie 130mA, tai reiškia, kad šio tranzistoriaus modelyje H21E yra dvigubai didesnė.

Verta paminėti, kad vieno modelio pelnas, atsižvelgiant į konkretų egzempliorių, gali skirtis dešimtis ar šimtus kartų. Tam reikia suderinti ir sureguliuoti analogines grandines. Šioje programoje tranzistorių modeliuose naudojami fiksuoti koeficientai, aš žinau jų pasirinktą logiką. Duomenų lape MJE18006 didžiausias H21E santykis yra 36.

Kintamosios srovės stiprintuvo modeliavimas

Pateiktas modelis parodo rakto elgesį, jei jam taikomas kintamasis signalas ir paprasta jo įtraukimo į grandinę grandinė. Tai primena muzikinės galios stiprintuvo grandinę.

Paprastai jie naudoja keletą tokių su serijomis sujungtų kaskadų. Kaskadų skaičius ir schemos, jų galios grandinės priklauso nuo klasės, kurioje veikia stiprintuvas (A, B ir kt.). Aš imituosiu paprasčiausią A klasės stiprintuvą, kuris veikia linijiniu režimu, taip pat imsiu įėjimo ir išėjimo įtampos bangas.

Rezistorius R1 nustato tranzistoriaus veikimo tašką. Jie vadovėliuose rašo, kad reikia rasti tokį tašką tiesiame tranzistoriaus CVC segmente. Jei įtampa per maža, apatinė signalo banga bus iškraipyta.

Ritmas = („Upit-Ub“) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondensatoriai reikalingi kintamajam komponentui atskirti nuo konstantos. Rezistoriai R2 yra sumontuoti tam, kad būtų galima nustatyti rakto darbo režimą ir nustatyti darbo sroves. Pažvelkime į bangos formas. Mes duodame signalą, kurio amplitudė yra 10mV, o dažnis - 10 000 Hz. Išėjimo amplitudė yra beveik 2V.

Raudonos spalvos rodo išvesties bangos formą, raudona - įvesties bangos formą.

Atkreipkite dėmesį, kad signalas yra apverstas, t. išėjimo signalas yra apverstas įėjimo atžvilgiu. Tai bendros emiterio grandinės ypatybė. Pagal schemą signalas pašalinamas iš kolektoriaus. Todėl atidarius tranzistorių (kai įėjimo signalas pakyla), jo įtampa kris. Kai įėjimo signalas nukrenta, tranzistorius pradeda uždaryti ir įtampa pradeda kilti.

Ši schema laikoma aukščiausia signalo perdavimo kokybės kokybe, tačiau jūs turite mokėti už ją su nuostolių galia. Faktas yra tas, kad būsenoje, kurioje nėra įvestas signalas, tranzistorius visada yra atidarytas ir veda srovę. Tada išsiskiria šiluma:

Puodas = (UKE) / Ik

UKE yra tranzistoriaus lašas, kai nėra įvesties signalo.

Tai yra paprasčiausia stiprintuvo grandinė, tuo tarpu bet kuri kita grandinė veikia tokiu būdu, skiriasi tik elementų jungimas ir jų derinys. Pavyzdžiui, B klasės tranzistoriaus stiprintuvą sudaro du tranzistoriai, kurių kiekvienas veikia savo pusiau bangai.

Čia naudojami skirtingo laidumo tranzistoriai:

• VT1 yra NPN;

• VT2 - PNP.

Teigiama kintamojo įvesties signalo dalis atidaro viršutinį tranzistorių, o neigiama - apatinį.

Ši schema suteikia didesnį efektyvumą dėl to, kad tranzistoriai visiškai atsidaro ir užsidaro. Dėl to, kad kai nėra signalo - abu tranzistoriai yra uždaryti, grandinė nenaudoja srovės, todėl nėra jokių nuostolių.

Išvada

Suprasti tranzistoriaus veikimą yra labai svarbu, jei ketinate daryti elektroniką. Šioje srityje svarbu ne tik išmokti surinkti schemas, bet ir jas analizuoti. Norėdami sistemingai studijuoti ir suprasti įrenginius, turite suprasti, kur ir kaip tekės srovės. Tai padės tiek surinkti, tiek sureguliuoti ir suremontuoti grandines.

Verta paminėti, kad sąmoningai praleidau daugybę niuansų ir veiksnių, kad neperkračiau straipsnio. Tokiu atveju, atlikus skaičiavimus, tai vis tiek yra pasiimti rezistorius. Modeliaujant tai lengva padaryti. Bet praktiškai išmatuokite sroves ir įtampą multimetruir idealiu atveju reikia osciloskopasnorėdami patikrinti, ar įvesties ir išvesties bangos formos sutampa, kitaip turėsite iškraipymų.