Transistores bipolares: circuitos, modos, modelagem

O transistor apareceu em 1948 (1947), graças ao trabalho de três engenheiros e Shockley, Bradstein, Bardin. Naqueles dias, seu rápido desenvolvimento e popularização ainda não estavam previstos. Na União Soviética, em 1949, o protótipo do transistor foi apresentado ao mundo científico pelo laboratório Krasilov, que era um triodo C1-C4 (germânio). O termo transistor apareceu mais tarde, nos anos 50 ou 60.

No entanto, eles encontraram uso generalizado no final dos anos 60 e início dos anos 70, quando os rádios portáteis surgiram na moda. By the way, eles têm sido chamados de "transistor". Esse nome ficou preso porque substituíram os tubos eletrônicos por elementos semicondutores, o que causou uma revolução na engenharia de rádio.

O que é um semicondutor?

Os transistores são feitos de materiais semicondutores, por exemplo, silício, germânio era popular anteriormente, mas agora raramente é encontrado, devido ao seu alto custo e parâmetros piores, em termos de temperatura e outras coisas.

Semicondutores são materiais que ocupam um lugar entre condutores e dielétricos em condutividade. Sua resistência é um milhão de vezes maior que os condutores e centenas de milhões de vezes menor que os dielétricos. Além disso, para que a corrente comece a fluir através deles, é necessário aplicar uma tensão que exceda a folga da banda, para que os portadores de carga se movam da banda de valência para a banda de condução.

Os condutores da zona proibida não estão presentes como tal. Um portador de carga (elétron) pode se mover para a banda de condução não apenas sob a influência da tensão externa, mas também do calor - isso é chamado de corrente térmica. A corrente causada pela irradiação com o fluxo de luz de um semicondutor é chamada fotocorrente. Fotoresistores, fotodiodos e outros elementos fotossensíveis trabalham com esse princípio.

Para comparação, veja os dielétricos e condutores:

Bem óbvio. Pode ser visto nos diagramas que os dielétricos ainda podem conduzir corrente, mas isso acontece após a superação da zona proibida. Na prática, isso é chamado de tensão de ruptura dielétrica.

Portanto, a diferença entre as estruturas de germânio e silício é que, para o germânio, a diferença de banda é da ordem de 0,3 eV (elétron-volts) e a do silício é superior a 0,6 eV. Por um lado, isso causa mais perdas, mas o uso de silício se deve a fatores tecnológicos e econômicos.

Como resultado do doping, um semicondutor recebe portadores de carga adicionais positivos (orifícios) ou negativos (elétrons), isso é chamado de semicondutor do tipo p ou n. Você pode ter ouvido a frase "junção pn". Portanto, este é o limite entre semicondutores de diferentes tipos. Como resultado do movimento de cargas, a formação de partículas ionizadas de cada tipo de impureza no semicondutor principal, forma-se uma barreira potencial, ela não permite que a corrente flua nas duas direções, mais sobre isso é descrito no livro "O transistor é fácil.".

A introdução de portadores de carga adicionais (dopagem de semicondutores) tornou possível a criação de dispositivos semicondutores: diodos, transistores, tiristores etc. O exemplo mais simples é um diodo cuja operação examinamos no artigo anterior.

Se você aplicar uma tensão em uma polarização direta, ou seja, Flutuarei positivo para a região p, e uma corrente negativa fluirá para a região n e, se o oposto for verdadeiro, a corrente não fluirá. O fato é que, com viés direto, os principais portadores de carga da região p (buraco) são positivos e se repelem do potencial positivo da fonte de energia, tendem à região com um potencial mais negativo.

Ao mesmo tempo, portadores negativos da região n se repelem do pólo negativo da fonte de energia. Ambas as operadoras tendem à interface (junção pn).A transição se torna mais estreita e as operadoras superam a barreira potencial, movendo-se em áreas com cargas opostas, onde se recombinam com elas ...

Se uma tensão de polarização reversa for aplicada, os portadores positivos da região p se moverão em direção ao eletrodo negativo da fonte de energia e os elétrons da região n se moverão em direção ao eletrodo positivo. A transição se expande, a corrente não flui.

Se você não entrar em detalhes, isso é suficiente para entender os processos que ocorrem em um semicondutor.

Designação gráfica condicional do transistor

Na Federação Russa, essa designação de transistor é adotada como você vê na figura abaixo. O coletor está sem uma seta, o emissor está com uma seta e a base é perpendicular à linha entre o emissor e o coletor. A seta no emissor indica a direção do fluxo de corrente (de mais para menos). Para a estrutura NPN, a seta do emissor é direcionada da base e, para o PNP, para a base.

Além disso, a mesma designação é freqüentemente encontrada em esquemas, mas sem um círculo. A designação de letra padrão é "VT" e o número em ordem no diagrama, às vezes eles simplesmente escrevem "T".

 

Imagem de transistores sem círculo

O que é um transistor?

Um transistor é um dispositivo semicondutor ativo projetado para amplificar um sinal e gerar oscilações. Ele substituiu os tubos de vácuo - triodes. Os transistores geralmente têm três pernas - um coletor, emissor e base. A base é o eletrodo de controle, fornecendo corrente a ele, controlamos a corrente do coletor. Assim, com a ajuda de uma pequena corrente base, regulamos grandes correntes no circuito de potência e o sinal é amplificado.

Os transistores bipolares são PNP (Direct Forward) e condutividade reversa (NPN). Sua estrutura é mostrada abaixo. Normalmente, a base ocupa um volume menor do cristal semicondutor.

Características

As principais características dos transistores bipolares:

• Ic - corrente máxima do coletor (não pode ser maior - ela queima);

• Ucemax - tensão máxima que pode ser aplicada entre o coletor e o emissor (é impossível acima - ele irá quebrar);

• Ucesat é a tensão de saturação do transistor. Queda de tensão no modo de saturação (quanto menor, menor a perda no estado aberto e no aquecimento);

• Β ou H21E - ganho do transistor igual a Ik / Ib. Depende do modelo do transistor. Por exemplo, com um ganho de 100, com uma corrente na base de 1 mA, uma corrente de 100 mA fluirá através do coletor, etc.

Vale a pena dizer sobre as correntes do transistor, existem três delas:

1. A corrente base.

2. Corrente do coletor.

3. Corrente do emissor - contém a corrente base e a corrente do emissor.

Na maioria das vezes, a corrente do emissor cai porque quase não difere da corrente do coletor em magnitude. A única diferença é que a corrente do coletor é menor que a corrente do emissor pelo valor da corrente de base e, como os transistores têm um alto ganho (digamos 100); depois, a uma corrente de 1A através do emissor, 10mA fluirão através da base e 990mA através do coletor. Concordo, essa é uma diferença pequena o suficiente para se dedicar a isso ao estudar eletrônica. Portanto, nas características e Icmax indicado.

Modos de operação

O transistor pode funcionar em diferentes modos:

1. modo de saturação. Em palavras simples, este é o modo no qual o transistor está no estado aberto máximo (ambas as transições são influenciadas na direção direta).

2. O modo de corte é quando a corrente não flui e o transistor é fechado (ambas as transições são polarizadas na direção oposta).

3. Modo ativo (a base do coletor é polarizada na direção oposta e a base do emissor é polarizada na direção direta).

4. Modo ativo inverso (a base do coletor é polarizada na direção direta e a base do emissor é polarizada na direção oposta), mas raramente é usada.

Circuitos típicos de comutação de transistor

Existem três circuitos típicos de comutação de transistor:

1. A base geral.

2. emissor geral.

3. O colecionador comum.

O circuito de entrada é considerado a base do emissor e o circuito de saída é o coletor-emissor. Enquanto a corrente de entrada é a corrente base e a saída é a corrente do coletor, respectivamente.

Dependendo do circuito de comutação, amplificamos a corrente ou a tensão.Nos livros didáticos, é costume considerar apenas esses esquemas de inclusão, mas na prática eles não parecem tão óbvios.

É importante notar que, quando ligamos o circuito com um coletor comum, amplificamos a corrente e obtemos a tensão em fase (igual à entrada em polaridade) na entrada e na saída e, no circuito com um emissor comum, obtemos o ganho de tensão e inversão de tensão (a saída é invertida em relação a entrada). No final do artigo, simularemos esses circuitos e veremos isso claramente.

Modelagem de chave de transistor

O primeiro modelo que veremos é transistor de modo chave. Para fazer isso, você precisa construir um circuito como na figura abaixo. Suponha que incluiremos uma carga com uma corrente de 0,1 A, seu papel será desempenhado pelo resistor R3 instalado no circuito coletor.

Como resultado de experimentos, descobri que o h21E do modelo de transistor selecionado é de cerca de 20, a propósito, na folha de dados do MJE13007, que diz de 8 a 40.

A corrente de base deve estar em torno de 5mA. O divisor é calculado para que a corrente base tenha um efeito mínimo na corrente do divisor. Para que a tensão especificada não flutue quando o transistor é ligado. Portanto, o divisor atual define 100mA.

Rbrosch = (12V - 0.6v) /0.005 = 2280 Ohm

Este é um valor calculado, as correntes resultantes disso foram as seguintes:

Com uma corrente base de 5mA, a corrente na carga era de cerca de 100mA, a tensão cai para 0,27V no transistor.Os cálculos estão corretos.

O que conseguimos?

Podemos controlar uma carga cuja corrente é 20 vezes a corrente de controle. Para ampliar ainda mais, você pode duplicar a cascata, reduzindo a corrente de controle. Ou use outro transistor.

A corrente do coletor foi limitada pela resistência da carga. Para o experimento, decidi fazer a resistência da carga 0 Ohm, então a corrente através do transistor é definida pela corrente base e pelo ganho. Como resultado, as correntes praticamente não diferem, como você pode ver.

Para rastrear o efeito do tipo de transistor e seu ganho nas correntes, substituí-lo sem alterar os parâmetros do circuito.

Depois de substituir o transistor de MJE13007 para MJE18006, o circuito continuou a funcionar, mas 0,14 V cai no transistor, o que significa que, na mesma corrente, esse transistor aquece menos, porque vai se destacar no calor

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

E no caso anterior:

Potenciômetro anterior = 0.27V * 0.1A = 0.027W

A diferença é quase dupla, se não for tão significativa em décimos de watts, imagine o que acontecerá com correntes de dezenas de amperes, então o poder das perdas aumentará 100 vezes. Isso leva ao fato de que as chaves superaquecem e falham.

O calor liberado durante o aquecimento se espalha pelo dispositivo e pode causar problemas na operação dos componentes vizinhos. Para isso, todos os elementos de potência são instalados nos radiadores e, às vezes, são usados ​​sistemas de refrigeração ativos (resfriador, líquido etc.).

Além disso, com o aumento da temperatura, a condutividade do semicondutor aumenta, assim como a corrente que flui através deles, o que novamente causa um aumento na temperatura. O processo semelhante a uma avalanche de aumento da corrente e da temperatura acabará por matar a chave.

A conclusão é a seguinte: quanto menor a queda de tensão no transistor no estado aberto, menor o aquecimento e maior a eficiência de todo o circuito.

A queda de tensão na chave diminuiu devido ao fato de colocarmos uma chave mais poderosa, com um ganho maior, para garantir isso, removemos a carga do circuito. Para fazer isso, defino novamente R3 = 0 Ohms. A corrente do coletor se tornou 219mA, no MJE13003, no mesmo circuito, era de cerca de 130mA, o que significa que o H21E no modelo deste transistor é duas vezes maior.

Vale ressaltar que o ganho de um modelo, dependendo de uma instância específica, pode variar em dezenas ou centenas de vezes. Isso requer o ajuste e ajuste de circuitos analógicos. Neste programa, coeficientes fixos são usados ​​em modelos de transistor, eu sei a lógica de sua escolha. No MJE18006 na folha de dados, a proporção máxima de H21E é 36.

Simulação de amplificador CA

O modelo fornecido exibe o comportamento da chave se um sinal alternado e um circuito simples para sua inclusão no circuito forem aplicados a ele. Assemelha-se a um circuito amplificador de potência musical.

Geralmente eles usam várias dessas cascatas conectadas em série. O número e esquemas de cascatas, seus circuitos de potência, dependem da classe em que o amplificador opera (A, B, etc.). Simularei o mais simples amplificador de classe A, que opera no modo linear, além de obter formas de onda de tensão de entrada e saída.

O resistor R1 define o ponto de operação do transistor. Nos livros, eles escrevem que você precisa encontrar esse ponto em um segmento reto do CVC do transistor. Se a tensão de polarização for muito baixa, a meia-onda inferior do sinal será distorcida.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Capacitores são necessários para separar o componente variável da constante. Os resistores R2 são instalados para definir o modo de operação da tecla e as correntes de operação. Vamos olhar para as formas de onda. Damos um sinal com uma amplitude de 10mV e uma frequência de 10.000 Hz. A amplitude de saída é quase 2V.

Magenta indica a forma de onda de saída, vermelho indica a forma de onda de entrada.

Observe que o sinal está invertido, ou seja, o sinal de saída é invertido em relação à entrada. Esta é uma característica de um circuito emissor comum. De acordo com o esquema, o sinal é removido do coletor. Portanto, quando o transistor é aberto (quando o sinal de entrada aumenta), a tensão através dele cai. Quando o sinal de entrada cai, o transistor começa a fechar e a tensão começa a aumentar.

Esse esquema é considerado a mais alta qualidade em termos de qualidade de transmissão de sinal, mas você deve pagar por isso com o poder de perdas. O fato é que, em um estado em que nenhum sinal é recebido, o transistor está sempre aberto e conduz corrente. Então o calor é liberado:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE é uma queda em um transistor na ausência de um sinal de entrada.

Este é o circuito amplificador mais simples, enquanto qualquer outro circuito funciona de maneira semelhante, apenas a conexão dos elementos e sua combinação é diferente. Por exemplo, um amplificador de transistor de classe B consiste em dois transistores, cada um dos quais funciona para sua própria meia-onda.

Transistores de diferentes condutividades são usados ​​aqui:

• VT1 é NPN;

• VT2 - PNP.

A parte positiva do sinal de entrada variável abre o transistor superior e o negativo - o inferior.

Esse esquema oferece maior eficiência devido ao fato de os transistores abrirem e fecharem completamente. Devido ao fato de que quando o sinal está ausente - ambos os transistores estão fechados, o circuito não consome corrente, portanto, não há perdas.

Conclusão

Compreender a operação do transistor é muito importante se você for fazer eletrônica. Nesta área, é importante não apenas aprender a montar esquemas, mas também analisá-los. Para um estudo sistemático e entendimento dos dispositivos, você precisa entender onde e como as correntes fluirão. Isso ajudará na montagem e no ajuste e reparo de circuitos.

Vale a pena notar que omiti intencionalmente muitas das nuances e fatores para não sobrecarregar o artigo. Ao mesmo tempo, após os cálculos, ainda é pegar resistores. Na modelagem, isso é fácil de fazer. Mas na prática medir correntes e tensões com um multímetroe, idealmente, precisa osciloscópiopara verificar se as formas de onda de entrada e saída correspondem, caso contrário você terá distorção.