Bipolární tranzistory: obvody, režimy, modelování

Tranzistor se objevil v roce 1948 (1947), díky práci tří techniků a Shockley, Bradstein, Bardin. V těchto dnech se jejich rychlý rozvoj a popularizace dosud nepředpokládaly. V Sovětském svazu v roce 1949 byl prototyp tranzistoru představen vědeckému světu Krasilovou laboratoří, jednalo se o triodu C1-C4 (germanium). Termín tranzistor se objevil později, v 50. nebo 60. letech.

Našli však široké uplatnění na konci 60. a na začátku 70. let, kdy se do módy dostaly přenosné rádia. Mimochodem, už dlouho se nazývají „tranzistor“. Toto jméno uvízlo kvůli skutečnosti, že nahradily elektronické trubice polovodičovými prvky, což způsobilo revoluci v radiotechnice.

Co je polovodič?

Tranzistory jsou vyrobeny z polovodičových materiálů, například z křemíku, germanium bylo dříve populární, ale nyní se jen zřídka nachází díky vysokým nákladům a horším parametrům, pokud jde o teplotu a další věci.

Polovodiče jsou materiály, které ve vodivosti zaujímají místo mezi vodiči a dielektriky. Jejich odpor je milionkrát větší než dirigenti a stovky milionůkrát méně než dielektrika. Kromě toho, aby proud mohl protékat jimi, je nutné použít napětí přesahující mezeru v pásmu, takže nosiče náboje se pohybují od valenčního pásma k vodivému pásmu.

Vodiče zakázané zóny jako takové nejsou přítomny. Nosič náboje (elektron) se může pohybovat do vodivého pásma nejen vlivem vnějšího napětí, ale také z tepla - nazývá se to tepelný proud. Proud způsobený ozářením světelného toku polovodiče se nazývá fotoproud. Fotorezistory, fotodiody a další fotocitlivé prvky pracují na tomto principu.

Pro srovnání se podívejte na ty z dielektrik a dirigentů:

Docela zřejmé. Z diagramů je patrné, že dielektrika může stále vést proud, ale k tomu dochází po překonání zakázané zóny. V praxi se to nazývá dielektrické poruchové napětí.

Rozdíl mezi germaniovými a křemíkovými strukturami je ten, že pro germánium je mezera v pásmu řádově 0,3 eV (elektron voltů) a křemík je větší než 0,6 eV. Na jedné straně to způsobuje větší ztráty, ale použití křemíku je způsobeno technologickými a ekonomickými faktory.

V důsledku dopingu polovodič dostává další nosiče náboje kladné (díry) nebo záporné (elektrony), což se nazývá polovodič typu p nebo n. Možná jste slyšeli frázi „pn křižovatka“. Toto je hranice mezi polovodiči různých typů. V důsledku pohybu nábojů, vytváření ionizovaných částic každého typu nečistoty do hlavního polovodiče, vytváří se potenciální bariéra, nedovoluje proudu proudit v obou směrech, více o tom je popsáno v knize "Tranzistor je snadný.".

Zavedení dalších nosičů náboje (doping polovodičů) umožnilo vytvořit polovodičová zařízení: diody, tranzistory, tyristory atd. Nejjednodušším příkladem je dioda, jejíž činnost jsme zkoumali v předchozím článku.

Pokud použijete napětí v předpětí, tj. Budu proudit pozitivně do p-oblasti a záporný proud bude proudit do n-oblasti, a naopak proud nebude proudit. Skutečnost je taková, že s přímým zaujatím jsou hlavní nosiče náboje v p-regionu (díra) kladné a odrazí se od pozitivního potenciálu zdroje energie a mají sklon k regionu s negativnějším potenciálem.

Současně se záporné nosiče n-oblasti odpuzují od záporného pólu zdroje energie. Oba nosiče mají sklon k rozhraní (pn křižovatka).Přechod se zúží a dopravci překonají potenciální bariéru a pohybují se v oblastech s opačnými náboji, kde se s nimi kombinují ...

Pokud je aplikováno zpětné předpětí, pak se pozitivní nosiče p-oblasti pohybují směrem k záporné elektrodě zdroje energie a elektrony z n-oblasti se pohybují směrem k kladné elektrodě. Přechod se rozšíří, proud neproudí.

Pokud se nebudete podrobně zabývat, stačí to pochopit procesy probíhající v polovodiči.

Podmíněné grafické označení tranzistoru

V Ruské federaci je takové tranzistorové označení přijato, jak vidíte na obrázku níže. Kolektor je bez šipky, emitor je se šipkou a základna je kolmá k linii mezi emitorem a kolektorem. Šipka na emitoru ukazuje směr proudu proudu (od plusu k mínus). Pro strukturu NPN je emitorová šipka směřována od základny a pro PNP je směrována k základně.

Stejné označení se navíc často vyskytuje v systémech, ale bez kruhu. Standardní označení písmen je „VT“ a číslo v pořadí na obrázku, někdy jednoduše píšou „T“.

 

Obrázek tranzistorů bez kruhu

Co je tranzistor?

Tranzistor je aktivní polovodičové zařízení určené k zesílení signálu a generování oscilací. Vyměnil vakuové trubice - triody. Tranzistory mají obvykle tři nohy - kolektor, emitor a základnu. Základem je řídicí elektroda, dodávající do ní proud, my ovládáme kolektorový proud. Tedy pomocí malého základního proudu regulujeme velké proudy v napájecím obvodu a signál je zesílen.

Bipolární tranzistory jsou přímé dopředné (PNP) a reverzní vodivost (NPN). Jejich struktura je znázorněna níže. Báze obvykle zabírá menší objem polovodičového krystalu.

Vlastnosti

Hlavní vlastnosti bipolárních tranzistorů:

• Ic - maximální proud kolektoru (nemůže být vyšší - bude hořet);

• Ucemax - maximální napětí, které může být aplikováno mezi kolektorem a emitorem (není možné výše - zlomí se);

• Ucesat je saturační napětí tranzistoru. Pokles napětí v saturačním režimu (čím menší, tím menší ztráty v otevřeném stavu a vytápění);

• Β nebo H21E - zisk tranzistoru rovný Ik / Ib. Závisí na modelu tranzistoru. Například při zesílení 100 při proudu přes bázi 1 mA bude proudem 100 mA protékat kolektor atd.

O tranzistorových proudech se vyplatí říci tři:

1. Základní proud.

2. Sběratelský proud.

3. Proud emitoru - obsahuje základní proud a emitorový proud.

Proud emitoru nejčastěji klesá, protože téměř se neliší od proudu kolektoru ve velikosti. Jediný rozdíl je v tom, že kolektorový proud je hodnotou základního proudu nižší než emitorový proud tranzistory mají vysoký zisk (řekněme 100), pak při proudu 1A emitorem protéká 10mA základnou a 990 mA kolektorem. Souhlasíte, je to dost malý rozdíl, aby na něj strávil čas při studiu elektroniky. Proto v charakteristikách a označených Icmax.

Provozní režimy

Tranzistor může pracovat v různých režimech:

1. Režim nasycení. Jednoduše řečeno, jedná se o režim, ve kterém je tranzistor v maximálním otevřeném stavu (oba přechody jsou zkresleny dopředu).

2. Režim cutoff je, když proud neteče a tranzistor je uzavřen (oba přechody jsou zkreslené v opačném směru).

3. Aktivní režim (základna kolektoru je předpjatá v opačném směru a emitorová základna je předpjatá v dopředném směru).

4. Inverzní aktivní režim (základna kolektoru je předpjatá v dopředném směru a emitorová základna je předpjatá v opačném směru), ale používá se jen zřídka.

Typické tranzistorové spínací obvody

Existují tři typické tranzistorové spínací obvody:

1. Obecná základna.

2. Generální emitor.

3. Společný sběratel.

Vstupní obvod je považován za emitorovou základnu a výstupní obvod je kolektor-emitor. Zatímco vstupní proud je základní proud a výstupem je proud kolektoru.

V závislosti na spínacím obvodu zesílíme proud nebo napětí.V učebnicích je obvyklé uvažovat pouze o takových inkluzních schématech, ale v praxi to tak nevypadá.

Stojí za povšimnutí, že když jsme připojeni k obvodu se společným kolektorem, zesílíme proud a dostaneme fázové (stejné jako vstup v polaritě) napětí na vstupu a výstupu a v obvodu se společným emitorem získáme napětí a inverzní napěťový zisk (výstup je obrácený vzhledem k vstup). Na konci článku budeme tyto obvody simulovat a jasně to uvidíme.

Modelování tranzistorových klíčů

První model, na který se podíváme, je tranzistor v klíčovém režimu. Chcete-li to provést, musíte postavit obvod, jak je na obrázku níže. Předpokládejme, že zahrneme zátěž s proudem 0,1A, její roli bude hrát odpor R3 nainstalovaný v obvodu kolektoru.

V důsledku experimentů jsem zjistil, že h21E vybraného tranzistorového modelu je asi 20, mimochodem, v datovém listu na MJE13007 se uvádí od 8 do 40.

Základní proud by měl být kolem 5 mA. Dělič se vypočítá tak, aby základní proud měl minimální účinek na děličový proud. Aby zadané napětí nekleslo, když je tranzistor zapnutý. Proto aktuální dělič nastavil 100 mA.

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

Jedná se o vypočítanou hodnotu, proudy v důsledku toho vyšly takto:

Při základním proudu 5 mA byl proud v zátěži asi 100 mA, napětí na tranzistoru kleslo na 0,27 V. Výpočty jsou správné.

Co jsme dostali?

Můžeme řídit zátěž, jejíž proud je 20krát větší než řídicí proud. Chcete-li dále zesílit, můžete duplikovat kaskádu, čímž se sníží řídicí proud. Nebo použijte jiný tranzistor.

Proud kolektoru byl omezen odporem zátěže, pro experiment jsem se rozhodl provést zátěžový odpor 0 Ohm, pak proud tranzistorem je nastaven základním proudem a ziskem. V důsledku toho se proudy prakticky neliší, jak vidíte.

Abychom sledovali účinek typu tranzistoru a jeho zisk na proudy, nahradíme jej bez změny parametrů obvodu.

Po výměně tranzistoru z MJE13007 na MJE18006 obvod pokračoval v práci, ale 0,14 V poklesne na tranzistoru, což znamená, že při stejném proudu se tento tranzistor zahřeje méně, protože bude vynikat v žáru

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

A v předchozím případě:

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

Rozdíl je téměř dvojnásobný, pokud není tak významný u desetin wattů, představte si, co se stane při proudech desítek ampér, pak se ztráta 100krát zvýší. To vede k tomu, že se klíče přehřívají a selhávají.

Teplo, které se uvolňuje během ohřevu, se šíří zařízením a může způsobovat problémy při provozu sousedních součástí. K tomu jsou všechny výkonové prvky instalovány na radiátorech a někdy se používají aktivní chladicí systémy (chladič, kapalina atd.).

Navíc se stoupající teplotou zvyšuje vodivost polovodiče, stejně jako proud, který jimi protéká, což opět způsobuje zvýšení teploty. Lavinový proces zvyšování proudu a teploty nakonec zabije klíč.

Závěr je následující: Čím menší je pokles napětí napříč tranzistorem v otevřeném stavu, tím menší je jeho zahřívání a vyšší účinnost celého obvodu.

Pokles napětí na klíči se zmenšil v důsledku skutečnosti, že jsme vložili silnější klíč s vyšším ziskem, abychom se ujistili, odstraníme zátěž z obvodu. K tomu jsem znovu nastavil R3 = 0 Ohmů. Sběrný proud se stal 219 mA, na MJE13003 ve stejném obvodu to bylo asi 130 mA, což znamená, že H21E v modelu tohoto tranzistoru je dvakrát větší.

Stojí za povšimnutí, že zisk jednoho modelu se může v závislosti na konkrétní instanci lišit desetkrát nebo stokrát. To vyžaduje vyladění a nastavení analogových obvodů. V tomto programu se fixní koeficienty používají v tranzistorových modelech, vím logiku jejich výběru. Na datovém listu MJE18006 je maximální poměr H21E 36.

Simulace střídavého zesilovače

Daný model zobrazuje chování klíče, pokud se na něj aplikuje střídavý signál a jednoduchý obvod pro jeho zařazení do obvodu. Připomíná to hudební zesilovací obvod.

Obvykle používají několik takových sériově zapojených kaskád. Počet a schémata kaskád, jejich výkonové obvody závisí na třídě, ve které zesilovač pracuje (A, B atd.). Budu simulovat nejjednodušší zesilovač třídy A, který pracuje v lineárním režimu, a také přijímat průběhy vstupního a výstupního napětí.

Rezistor R1 nastavuje provozní bod tranzistoru. V učebnicích píšou, že musíte najít takový bod na přímém segmentu CVC tranzistoru. Pokud je předpětí příliš nízké, spodní polovina vlny signálu bude zkreslená.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0,7V

Ib = IK / H21E

Kondenzátory jsou potřebné k oddělení proměnné komponenty od konstanty. Odpory R2 jsou nainstalovány za účelem nastavení provozního režimu klíče a nastavení provozních proudů. Pojďme se podívat na průběhy. Dáme signál s amplitudou 10 mV a frekvencí 10 000 Hz. Výstupní amplituda je téměř 2V.

Purpurová označuje výstupní průběh, červená označuje vstupní průběh.

Vezměte prosím na vědomí, že signál je invertovaný, tj. výstupní signál je obrácen vzhledem ke vstupu. Toto je vlastnost společného emitorového obvodu. Podle schématu je signál odebrán z kolektoru. Proto, když je tranzistor otevřený (když vstupní signál stoupá), napětí na něm klesne. Když vstupní signál poklesne, tranzistor se začne uzavírat a napětí začne stoupat.

Toto schéma je považováno za nejvyšší kvalitu, pokud jde o kvalitu přenosu signálu, ale za to musíte zaplatit ztrátou. Faktem je, že ve stavu, kdy není na vstupu žádný signál, je tranzistor vždy otevřený a vede proud. Pak se uvolní teplo:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE je pokles tranzistoru v nepřítomnosti vstupního signálu.

Toto je nejjednodušší obvod zesilovače, zatímco jakýkoli jiný obvod pracuje tímto způsobem, pouze spojení prvků a jejich kombinace se liší. Například tranzistorový zesilovač třídy B sestává ze dvou tranzistorů, z nichž každý pracuje pro svou vlastní vlnu.

Používají se zde tranzistory různých vodivostí:

• VT1 je NPN;

• VT2 - PNP.

Pozitivní část variabilního vstupního signálu otevírá horní tranzistor a záporná - dolní.

Toto schéma poskytuje větší účinnost díky skutečnosti, že tranzistory se úplně otevírají a uzavírají. Vzhledem k tomu, že když signál chybí - oba tranzistory jsou uzavřeny, obvod nespotřebovává proud, takže nedochází ke ztrátám.

Závěr

Pochopení fungování tranzistoru je velmi důležité, pokud se chystáte dělat elektroniku. V této oblasti je důležité nejen naučit se sestavovat schémata, ale také je analyzovat. Chcete-li systematicky studovat a porozumět zařízením, musíte pochopit, kde a jak proudí proudy. To pomůže jak při montáži, tak při seřizování a opravách obvodů.

Stojí za zmínku, že jsem úmyslně vynechal mnoho nuancí a faktorů, abych nepřetěžoval článek. Zároveň je to po výpočtech stále vyzvednout odpory. Při modelování je to snadné. Ale v praxi změřte proudy a napětí pomocí multimetru, a v ideálním případě potřebovat osciloskopabyste zkontrolovali, zda se vstupní a výstupní průběhy shodují, jinak budete mít zkreslení.