Bipolära transistorer: kretsar, lägen, modellering

Transistorn dök upp 1948 (1947), tack vare tre ingenjörers arbete och Shockley, Bradstein, Bardin. På dessa dagar förväntades inte deras snabba utveckling och popularisering ännu. I Sovjet 1949 presenterades prototypen för transistorn till den vetenskapliga världen av Krasilov-laboratoriet, det var en C1-C4-triode (germanium). Termen transistor dök upp senare, på 50- eller 60-talet.

Men de fann utbredd användning i slutet av 60-talet, tidigt 70-tal, när bärbara radioappar kom på mode. Förresten, de har länge kallats "transistorn". Detta namn fastnade på grund av att de ersatte elektroniska rör med halvledarelement, vilket orsakade en revolution inom radioteknik.

Vad är en halvledare?

Transistorer är gjorda av halvledarmaterial, till exempel från kisel, tyska var tidigare populärt, men nu hittas det sällan på grund av dess höga kostnader och sämre parametrar, vad gäller temperatur och andra saker.

Halvledare är material som upptar en plats mellan ledare och dielektrik i ledningsförmåga. Deras motstånd är en miljon gånger större än ledare och hundratals miljoner gånger mindre än dielektrik. För att strömmen börjar strömma genom dem är det dessutom nödvändigt att applicera en spänning som överskrider bandgapet så att laddningsbärarna rör sig från valensbandet till ledningsbandet.

Ledarna i den förbjudna zonen är inte närvarande. En laddningsbärare (elektron) kan flytta in i ledningsbandet inte bara under påverkan av extern spänning, utan också från värme - detta kallas termisk ström. Strömmen orsakad av bestrålningen av halvledarens ljusflöde kallas fotströmmen. Fotoresistorer, fotodioder och andra fotokänsliga element arbetar med denna princip.

För jämförelse, titta på de i dielektrik och ledare:

Ganska uppenbart. Det framgår av diagrammen att dielektrik fortfarande kan leda ström, men detta händer efter att ha övervunnit den förbjudna zonen. I praktiken kallas detta dielektrisk nedbrytningsspänning.

Således är skillnaden mellan germanium- och kiselstrukturer att bandgapet är av storleksordningen 0,3 eV (elektronvolt) och för kisel mer än 0,6 eV. Å ena sidan orsakar detta fler förluster, men användningen av kisel beror på tekniska och ekonomiska faktorer.

Som ett resultat av doping får en halvledare ytterligare laddningsbärare positiva (hål) eller negativa (elektroner), detta kallas en p- eller n-typ halvledare. Du kanske har hört frasen "pn-korsning." Så detta är gränsen mellan halvledare av olika typer. Som ett resultat av laddningsrörelsen, bildningen av joniserade partiklar av varje typ av förorening till huvudhalvledaren, en potentiell barriär bildas, den tillåter inte strömmen att flöda i båda riktningarna, mer om detta beskrivs i boken "Transistorn är lätt.".

Införandet av ytterligare laddningsbärare (dopning av halvledare) gjorde det möjligt att skapa halvledaranordningar: dioder, transistorer, tyristorer osv. Det enklaste exemplet är en diod, vars funktion vi undersökt i föregående artikel.

Om du tillämpar en spänning i en förspänning, dvs. Jag kommer att strömma positivt till p-regionen, och en negativ ström kommer att flyta till n-regionen, och om det motsatta är sant kommer strömmen inte att flyta. Faktum är att med direkt förspänning är huvudladdningsbärarna i p-regionen (hålet) positiva och avvisar från den positiva potentialen i kraftkällan, tenderar att regionen med en mer negativ potential.

Samtidigt stöter negativa bärare i n-regionen från den negativa polen i kraftkällan. Båda dessa bärare tenderar att gränssnittet (pn-korsningen).Övergången blir smalare och transportörer övervinner den potentiella barriären och rör sig i områden med motsatta laddningar, där de rekombinerar med dem ...

Om en backspänning anbringas, rör sig de positiva bärarna i p-regionen mot den negativa elektroden i kraftkällan, och elektronerna från n-regionen rör sig mot den positiva elektroden. Övergången expanderar, strömmen flyter inte.

Om du inte går in på detaljer räcker det för att förstå processerna i en halvledare.

Villkorlig grafisk beteckning för transistorn

I Ryssland antas en sådan transistorbeteckning som du ser på bilden nedan. Samlaren är utan pil, emittern är med en pil och basen är vinkelrätt mot linjen mellan emittern och kollektorn. Pilen på sändaren indikerar strömningsriktningen (från plus till minus). För NPN-strukturen riktas emitterpilen från basen, och för PNP, till basen.

Dessutom finns samma beteckning ofta i scheman, men utan en cirkel. Standardbokstäverbeteckningen är "VT" och numret i ordningen på diagrammet, ibland skriver de helt enkelt "T".

 

Bild av transistorer utan cirkel

Vad är en transistor?

En transistor är en aktiv halvledaranordning utformad för att förstärka en signal och generera svängningar. Han bytte ut vakuumrören - trioder. Transistorer har vanligtvis tre ben - en samlare, emitter och bas. Basen är styrelektroden, levererar ström till den, vi styr kollektorströmmen. Således, med hjälp av en liten basström, reglerar vi stora strömmar i strömkretsen, och signalen förstärks.

Bipolära transistorer är direkt framåt (PNP) och omvänd konduktivitet (NPN). Deras struktur visas nedan. Vanligtvis upptar basen en mindre volym av halvledarkristallen.

egenskaper hos

De viktigaste egenskaperna hos bipolära transistorer:

• Ic - maximal uppsamlingsström (kan inte vara högre - det kommer att brinna);

• Ucemax - maximal spänning som kan appliceras mellan kollektorn och emittern (det är omöjligt att över - det kommer att gå sönder);

• Ucesat är transistorns mättnadsspänning. Spänningsfall i mättnadsläge (desto mindre, desto mindre förluster i öppet tillstånd och uppvärmning);

• Β eller H21E - förstärkning av transistorn, lika med Ik / Ib. Beror på transistormodellen. Till exempel, med en förstärkning av 100, vid en ström genom basen på 1 mA, kommer en ström på 100 mA att rinna genom kollektorn, etc.

Det är värt att säga om transistorströmmarna, det finns tre av dem:

1. Basströmmen.

2. Samlarström.

3. Emitterström - innehåller basström och emitterström.

Oftast sjunker emitterströmmen för det skiljer sig nästan inte från kollektorströmmen i storlek. Den enda skillnaden är att kollektorströmmen är mindre än emitterströmmen med värdet på basströmmen, och sedan transistorer har en hög förstärkning (säg 100), då vid en ström av 1A genom emittern kommer 10mA att strömma genom basen och 990mA genom kollektorn. Håller med, detta är en tillräckligt liten skillnad för att spendera tid på det när man studerar elektronik. Därför, i egenskaperna och indikerade Icmax.

Driftsätt

Transistorn kan arbeta i olika lägen:

1. Mättnadsläge. I enkla ord är detta det läge i vilket transistorn är i maximalt öppet tillstånd (båda övergångarna är partiska i framåtriktningen).

2. Avstängningsläget är när strömmen inte flödar och transistorn är stängd (båda övergångarna är förspända i motsatt riktning).

3. Aktivt läge (kollektorbasen är partisk i motsatt riktning, och emitterbasen är partisk i framåtriktningen).

4. Inverterat aktivt läge (kollektorbasen är partisk i framåtriktningen, och emitterbasen är partisk i motsatt riktning), men den används sällan.

Typiska transistoromkopplingskretsar

Det finns tre typiska transistoromkopplingskretsar:

1. Den allmänna basen.

2. Allmän emitter.

3. Den vanliga samlaren.

Ingångskretsen anses vara emitterbasen och utgångskretsen är kollektor-emittern. Medan ingångsströmmen är basströmmen och utgången respektive kollektorströmmen.

Beroende på kopplingskretsen förstärker vi strömmen eller spänningen.I läroböcker är det vanligt att överväga just sådana inkluderingsscheman, men i praktiken ser de inte så uppenbara ut.

Det är värt att notera att när vi är anslutna till en krets med en gemensam kollektor förstärker vi strömmen och får i-fas (samma som ingången i polaritet) spänningen vid ingången och utgången, och i kretsen med en gemensam emitter får vi spänningen och omvänd spänningsförstärkning (utgången är inverterad relativt ingång). I slutet av artikeln kommer vi att simulera sådana kretsar och tydligt se detta.

Transistor nyckelmodellering

Den första modellen vi kommer att titta på är tangentläge transistor. För att göra detta måste du bygga en krets som i figuren nedan. Anta att vi kommer att inkludera en belastning med en ström på 0,1A, dess roll kommer att spelas av motståndet R3 installerat i kollektorkretsen.

Som ett resultat av experiment fann jag att h21E för den valda transistormodellen är förresten cirka 20 i databladet på MJE13007 står det från 8 till 40.

Basströmmen bör vara cirka 5 mA. Delaren beräknas så att basströmmen har en minimal effekt på delningsströmmen. Så att den specificerade spänningen inte flyter när transistorn är på. Därför ställde den nuvarande avdelaren 100mA.

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

Detta är ett beräknat värde, strömmarna som ett resultat av detta kom ut enligt följande:

Med en basström på 5 mA var strömmen i lasten cirka 100 mA, spänningen sjunker till 0,27 V. vid transistorn. Beräkningarna är korrekta.

Vad fick vi?

Vi kan styra en last vars ström är 20 gånger styrströmmen. För att ytterligare förstärka kan du duplicera kaskaden och minska kontrollströmmen. Eller använd en annan transistor.

Uppsamlarströmmen begränsades av belastningsmotståndet, för experimentet bestämde jag mig för att göra belastningsmotståndet 0 Ohm, då ställs strömmen genom transistorn av basströmmen och förstärkningen. Som ett resultat skiljer sig praktiskt taget inte strömmarna, som du kan se.

För att spåra effekten av typen av transistor och dess förstärkning på strömmar byter vi ut den utan att ändra kretsparametrarna.

Efter att ha bytt ut transistorn från MJE13007 till MJE18006 fortsatte kretsen att fungera, men 0,14 V tappar på transistorn, vilket innebär att vid samma ström kommer denna transistor att värmas upp mindre, eftersom kommer att stå ut i värmen

Kruka = ​​0,14 V * 0,1 A = 0,014W,

Och i föregående fall:

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

Skillnaden är nästan tvåfaldig, om den inte är så betydande vid tiondelar av watt, föreställ dig vad som kommer att hända vid strömmar på tiotals ampere, då förlustkraften ökar 100 gånger. Detta leder till att tangenterna överhettas och misslyckas.

Värmen som släpps under uppvärmningen sprider sig genom enheten och kan orsaka problem vid angränsande komponenter. För detta installeras alla kraftelement på radiatorer, och ibland används aktiva kylsystem (kylare, vätska, etc.).

Med ökande temperatur ökar dessutom ledningsförmågan hos halvledaren, liksom strömmen som strömmar genom dem, vilket igen orsakar en temperaturökning. Den lavinliknande processen med att öka strömmen och temperaturen kommer i slutändan att döda nyckeln.

Slutsatsen är denna: Ju mindre spänningsfallet över transistorn i öppet tillstånd, desto mindre uppvärmning och desto högre är hela kretsens effektivitet.

Spänningsfallet på nyckeln blev mindre på grund av det faktum att vi satte en kraftigare nyckel, med högre förstärkning, för att se till detta, tar vi bort lasten från kretsen. För att göra detta ställde jag igen R3 = 0 Ohms. Samlarströmmen blev 219mA, på MJE13003 i samma krets var den cirka 130mA, vilket innebär att H21E i modellen för denna transistor är dubbelt så stor.

Det är värt att notera att vinsten för en modell, beroende på en viss instans, kan variera med tiotals eller hundratals gånger. Detta kräver inställning och justering av analoga kretsar. I detta program används fasta koefficienter i transistormodeller, jag känner logiken efter deras val. På MJE18006 i databladet är det högsta H21E-förhållandet 36.

AC-förstärkarsimulering

Den givna modellen visar nyckelns beteende om en växelsignal och en enkel krets för att inkluderas i kretsen appliceras på den. Det liknar en musikalisk effektförstärkarkrets.

Vanligtvis använder de flera sådana seriekopplade kaskader. Antalet och scheman för kaskader, deras kraftkretsar beror på klassen i vilken förstärkaren arbetar (A, B, etc.). Jag kommer att simulera den enklaste klass A-förstärkaren, som fungerar i linjärt läge, samt ta vågformer av ingångs- och utgångsspänning.

Motstånd R1 ställer in transistorns arbetspunkt. I läroböckerna skriver de att du måste hitta en sådan punkt på ett rakt segment av transistorns CVC. Om förspänningen är för låg förvrängs signalens nedre halvvåg.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondensatorer behövs för att separera den variabla komponenten från konstanten. Motstånd R2 är installerad för att ställa in driftsätt för nyckeln och ställa in driftsströmmar. Låt oss titta på vågformerna. Vi ger en signal med en amplitud på 10 mV och en frekvens på 10 000 Hz. Utgångsamplituden är nästan 2V.

Magenta indikerar utgångsvågformen, röd indikerar ingångsvågformen.

Observera att signalen är inverterad, dvs. utsignalen inverteras relativt ingången. Detta är en funktion i en vanlig sändarkrets. Enligt schemat tas signalen bort från samlaren. Därför, när transistorn öppnas (när insignalen stiger), kommer spänningen över den att sjunka. När insignalen sjunker börjar transistorn stänga och spänningen börjar stiga.

Detta schema anses vara den högsta kvaliteten vad gäller signalöverföringskvalitet, men du måste betala för det med förlustkraften. Faktum är att i ett tillstånd där ingen signal matas in är transistorn alltid öppen och leder ström. Sedan släpps värme:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE är en droppe på en transistor i frånvaro av en insignal.

Detta är den enklaste förstärkarkretsen, medan alla andra kretsar fungerar på detta sätt, är bara anslutningen mellan elementen och deras kombination annorlunda. Till exempel består en transistorförstärkare av klass B av två transistorer, som var och en fungerar för sin egen halvvåg.

Transistorer med olika konduktiviteter används här:

• VT1 är NPN;

• VT2 - PNP.

Den positiva delen av den variabla insignalen öppnar den övre transistorn, och den negativa - den nedre.

Detta schema ger större effektivitet på grund av att transistorerna öppnas och stängs helt. På grund av det faktum att när signalen saknas - båda transistorerna är stängda förbrukar kretsen inte ström, så det finns inga förluster.

slutsats

Att förstå transistorns drift är mycket viktigt om du ska göra elektronik. På detta område är det viktigt att inte bara lära sig att montera scheman utan också att analysera dem. För en systematisk studie och förståelse av enheter måste du förstå var och hur strömmar kommer att flyta. Detta hjälper både vid montering och justering och reparation av kretsar.

Det är värt att notera att jag avsiktligt utelämnade många nyanser och faktorer för att inte överbelasta artikeln. I det här fallet är det fortfarande efter beräkningarna plocka upp motstånd. När det gäller modellering är detta lätt att göra. Men i praktiken mäta strömmar och spänningar med en multimeter, och idealiskt behov oscilloskopför att kontrollera om ingångs- och utgångsvågformerna matchar, annars kommer du att ha störningar.