Transistors bipolaires: circuits, modes, modélisation

Le transistor est apparu en 1948 (1947), grâce au travail de trois ingénieurs et Shockley, Bradstein, Bardin. A cette époque, leur développement rapide et leur vulgarisation n'étaient pas encore anticipés. En Union soviétique en 1949, le prototype du transistor a été présenté au monde scientifique par le laboratoire Krasilov, il s'agissait d'une triode C1-C4 (germanium). Le terme transistor est apparu plus tard, dans les années 50 ou 60.

Cependant, ils ont trouvé une utilisation répandue à la fin des années 60, au début des années 70, lorsque les radios portables sont devenues à la mode. Soit dit en passant, ils ont longtemps été appelés le "transistor". Ce nom est resté dû au fait qu'ils ont remplacé les tubes électroniques par des éléments semi-conducteurs, ce qui a provoqué une révolution dans l'ingénierie radio.

Qu'est-ce qu'un semi-conducteur?

Les transistors sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs, par exemple à partir de silicium, le germanium était auparavant populaire, mais maintenant il est rarement trouvé, en raison de son coût élevé et de ses paramètres pires, en termes de température et autres.

Les semi-conducteurs sont des matériaux qui occupent une place entre les conducteurs et les diélectriques dans la conductivité. Leur résistance est un million de fois supérieure à celle des conducteurs et des centaines de millions de fois inférieure à celle des diélectriques. De plus, pour que le courant commence à les traverser, il est nécessaire d'appliquer une tension dépassant la bande interdite afin que les porteurs de charge se déplacent de la bande de valence à la bande de conduction.

Les conducteurs de la zone interdite ne sont pas présents en tant que tels. Un porteur de charge (électron) peut se déplacer dans la bande de conduction non seulement sous l'influence de la tension externe, mais aussi de la chaleur - c'est ce qu'on appelle le courant thermique. Le courant provoqué par l'irradiation du flux lumineux du semi-conducteur est appelé photocourant. Photorésistances, photodiodes et d'autres éléments photosensibles fonctionnent sur ce principe.

Pour comparaison, regardez ceux des diélectriques et des conducteurs:

Assez évident. Les diagrammes montrent que les diélectriques peuvent toujours conduire le courant, mais cela se produit après avoir surmonté la zone interdite. En pratique, cela s'appelle la tension de claquage diélectrique.

Ainsi, la différence entre les structures en germanium et en silicium est que pour le germanium, la bande interdite est de l'ordre de 0,3 eV (électron-volt), et celle du silicium est supérieure à 0,6 eV. D'une part, cela provoque plus de pertes, mais l'utilisation du silicium est due à des facteurs technologiques et économiques.

À la suite du dopage, un semi-conducteur reçoit des porteurs de charge supplémentaires positifs (trous) ou négatifs (électrons), c'est ce qu'on appelle un semi-conducteur de type p ou n. Vous avez peut-être entendu l'expression «jonction pn». C'est donc la frontière entre les semi-conducteurs de différents types. À la suite du mouvement des charges, de la formation de particules ionisées de chaque type d'impureté vers le semi-conducteur principal, une barrière de potentiel se forme, elle ne permet pas au courant de circuler dans les deux directions, plus à ce sujet est décrit dans le livre "Le transistor est facile.".

L'introduction de porteurs de charges supplémentaires (dopage des semi-conducteurs) a permis de créer des dispositifs semi-conducteurs: diodes, transistors, thyristors, etc. L'exemple le plus simple est une diode dont nous avons examiné le fonctionnement dans l'article précédent.

Si vous appliquez une tension dans une polarisation directe, c'est-à-dire Je vais circuler positif vers la région p, et un courant négatif circulera vers la région n, et si l'inverse est vrai, le courant ne circulera pas. Le fait est qu'avec une polarisation directe, les principaux porteurs de charge de la région p (trou) sont positifs et repoussent du potentiel positif de la source d'alimentation, tendent vers la région avec un potentiel plus négatif.

En même temps, les porteurs négatifs de la région n se repoussent du pôle négatif de la source d'alimentation. Ces deux porteuses ont tendance à l'interface (jonction pn).La transition devient plus étroite et les transporteurs franchissent la barrière potentielle, se déplaçant dans des zones de charges opposées, où ils se recombinent avec eux ...

Si une tension de polarisation inverse est appliquée, alors les porteurs positifs de la région p se déplacent vers l'électrode négative de la source d'alimentation, et les électrons de la région n se déplacent vers l'électrode positive. La transition se dilate, le courant ne circule pas.

Si vous n'entrez pas dans les détails, cela suffit pour comprendre les processus se déroulant dans un semi-conducteur.

Désignation graphique conditionnelle du transistor

En Fédération de Russie, une telle désignation de transistor est adoptée comme vous le voyez dans l'image ci-dessous. Le collecteur est sans flèche, l'émetteur est avec une flèche et la base est perpendiculaire à la ligne entre l'émetteur et le collecteur. La flèche sur l'émetteur indique la direction du flux de courant (de plus à moins). Pour la structure NPN, la flèche de l'émetteur est dirigée depuis la base et pour le PNP, elle est dirigée vers la base.

De plus, la même désignation se retrouve souvent dans les schémas, mais sans cercle. La désignation de lettre standard est "VT" et le nombre dans l'ordre sur le diagramme, parfois ils écrivent simplement "T".

 

Image de transistors sans cercle

Qu'est-ce qu'un transistor?

Un transistor est un dispositif semi-conducteur actif conçu pour amplifier un signal et générer des oscillations. Il a remplacé les tubes à vide - triodes. Les transistors ont généralement trois jambes - un collecteur, un émetteur et une base. La base est l'électrode de commande, lui fournissant du courant, nous contrôlons le courant du collecteur. Ainsi, à l'aide d'un petit courant de base, nous régulons de grands courants dans le circuit de puissance et le signal est amplifié.

Les transistors bipolaires sont à conductivité directe (PNP) et à conductivité inverse (NPN). Leur structure est illustrée ci-dessous. Typiquement, la base occupe un plus petit volume du cristal semi-conducteur.

CARACTÉRISTIQUES

Les principales caractéristiques des transistors bipolaires:

• Ic - courant maximum du collecteur (ne peut pas être plus élevé - il brûlera);

• Ucemax - tension maximale qui peut être appliquée entre le collecteur et l'émetteur (il est impossible de le dessus - il se cassera);

• Ucesat est la tension de saturation du transistor. Chute de tension en mode saturation (plus les pertes sont faibles à l'état ouvert et sous chauffage);

• Β ou H21E - gain du transistor, égal à Ik / Ib. Dépend du modèle de transistor. Par exemple, à un gain de 100, à un courant à travers la base de 1 mA, un courant de 100 mA passera à travers le collecteur, etc.

Il vaut la peine de dire sur les courants des transistors, il y en a trois:

1. Le courant de base.

2. Courant de collecteur.

3. Courant d'émetteur - contient le courant de base et le courant d'émetteur.

Le plus souvent, le courant de l'émetteur diminue car il ne diffère presque pas du courant du collecteur en amplitude. La seule différence est que le courant de collecteur est inférieur au courant d'émetteur par la valeur du courant de base, et puisque les transistors ont un gain élevé (disons 100), puis à un courant de 1A à travers l'émetteur, 10mA passeront à travers la base et 990mA à travers le collecteur. D'accord, c'est une assez petite différence pour y consacrer du temps lorsque vous étudiez l'électronique. Par conséquent, dans les caractéristiques et indiqué Icmax.

Modes de fonctionnement

Le transistor peut fonctionner dans différents modes:

1. Mode de saturation. En termes simples, c'est le mode dans lequel le transistor est dans l'état ouvert maximum (les deux transitions sont polarisées dans le sens direct).

2. Le mode de coupure est lorsque le courant ne circule pas et que le transistor est fermé (les deux transitions sont polarisées dans le sens opposé).

3. Mode actif (la base du collecteur est polarisée dans la direction opposée et la base de l'émetteur est polarisée dans la direction avant).

4. Mode actif inverse (la base du collecteur est polarisée dans la direction avant et la base de l'émetteur est polarisée dans la direction opposée), mais elle est rarement utilisée.

Circuits de commutation à transistors typiques

Il existe trois circuits de commutation de transistors typiques:

1. La base générale.

2. Émetteur général.

3. Le collecteur commun.

Le circuit d'entrée est considéré comme la base de l'émetteur et le circuit de sortie est le collecteur-émetteur. Alors que le courant d'entrée est le courant de base et la sortie est le courant de collecteur, respectivement.

Selon le circuit de commutation, nous amplifions le courant ou la tension.Dans les manuels, il est habituel de ne considérer que de tels schémas d'inclusion, mais en pratique, ils ne semblent pas si évidents.

Il est à noter que lorsqu'il est connecté à un circuit avec un collecteur commun, nous amplifions le courant et obtenons une tension en phase (la même que l'entrée en polarité) à l'entrée et à la sortie, et dans le circuit avec un émetteur commun, nous obtenons la tension et le gain de tension inverse (la sortie est inversée par rapport à entrée). À la fin de l'article, nous simulerons de tels circuits et le verrons clairement.

Modélisation de clé de transistor

Le premier modèle que nous examinerons est transistor de mode clé. Pour ce faire, vous devez créer un circuit comme dans la figure ci-dessous. Supposons que l'on inclue une charge avec un courant de 0,1A, son rôle sera joué par la résistance R3 installée dans le circuit collecteur.

À la suite d'expériences, j'ai trouvé que le h21E du modèle de transistor sélectionné est d'environ 20, soit dit en passant, dans la fiche technique du MJE13007, il est dit de 8 à 40.

Le courant de base doit être d'environ 5 mA. Le diviseur est calculé de sorte que le courant de base ait un effet minimal sur le courant du diviseur. De sorte que la tension spécifiée ne flotte pas lorsque le transistor est activé. Par conséquent, le diviseur de courant est réglé sur 100 mA.

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

Il s'agit d'une valeur calculée, les courants en résultant sont sortis comme suit:

Avec un courant de base de 5mA, le courant dans la charge était d'environ 100mA, la tension chute à 0,27V au transistor.Les calculs sont corrects.

Qu'avons-nous obtenu?

On peut contrôler une charge dont le courant est 20 fois le courant de commande. Pour amplifier davantage, vous pouvez dupliquer la cascade, réduisant le courant de commande. Ou utilisez un autre transistor.

Le courant du collecteur était limité par la résistance de charge, pour l'expérience j'ai décidé de faire la résistance de charge 0 Ohm, puis le courant à travers le transistor est réglé par le courant de base et le gain. En conséquence, les courants ne diffèrent pratiquement pas, comme vous pouvez le voir.

Pour tracer l'effet du type de transistor et son gain sur les courants, nous le remplaçons sans changer les paramètres du circuit.

Après avoir remplacé le transistor de MJE13007 à MJE18006, le circuit a continué à fonctionner, mais 0,14 V chute sur le transistor, ce qui signifie qu'au même courant, ce transistor chauffera moins, car se démarquera par la chaleur

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

Et dans le cas précédent:

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

La différence est presque double, si elle n'est pas si importante au dixième de watts, imaginez ce qui se passera à des courants de dizaines d'ampères, alors la puissance des pertes augmentera 100 fois. Cela conduit au fait que les clés surchauffent et échouent.

La chaleur dégagée lors du chauffage se propage à travers l'appareil et peut entraîner des problèmes de fonctionnement des composants voisins. Pour cela, tous les éléments de puissance sont installés sur des radiateurs, et parfois des systèmes de refroidissement actifs (refroidisseur, liquide, etc.) sont utilisés.

De plus, avec l'augmentation de la température, la conductivité du semi-conducteur augmente, tout comme le courant qui les traverse, ce qui provoque à nouveau une augmentation de la température. Le processus semblable à une avalanche d'augmentation du courant et de la température tuera finalement la clé.

La conclusion est la suivante: plus la chute de tension aux bornes du transistor à l'état ouvert est faible, moins il chauffe et plus l'efficacité de l'ensemble du circuit est élevée.

La chute de tension sur la clé est devenue plus petite en raison du fait que nous avons mis une clé plus puissante, avec un gain plus élevé, pour nous en assurer, nous supprimons la charge du circuit. Pour ce faire, j'ai à nouveau mis R3 = 0 Ohms. Le courant du collecteur est devenu 219mA, sur le MJE13003 dans le même circuit, il était d'environ 130mA, ce qui signifie que le H21E dans le modèle de ce transistor est deux fois plus grand.

Il convient de noter que le gain d'un modèle, en fonction d'une instance spécifique, peut varier de dizaines ou de centaines de fois. Cela nécessite le réglage et l'ajustement des circuits analogiques. Dans ce programme, des coefficients fixes sont utilisés dans les modèles à transistors, je connais la logique de leur choix. Sur le MJE18006 de la fiche technique, le rapport H21E maximum est de 36.

Simulation d'amplificateur AC

Le modèle donné affiche le comportement de la clé si un signal alternatif et un simple circuit pour son inclusion dans le circuit lui sont appliqués. Il ressemble à un circuit d'amplification de puissance musicale.

Habituellement, ils utilisent plusieurs cascades connectées en série. Le nombre et les schémas des cascades, leurs circuits de puissance dépendent de la classe dans laquelle l'amplificateur fonctionne (A, B, etc.). Je vais simuler l'amplificateur de classe A le plus simple, qui fonctionne en mode linéaire, ainsi que prendre des formes d'onde de tension d'entrée et de sortie.

La résistance R1 définit le point de fonctionnement du transistor. Dans les manuels, ils écrivent que vous devez trouver un tel point sur un segment droit du CVC du transistor. Si la tension de polarisation est trop faible, la demi-onde inférieure du signal sera déformée.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Des condensateurs sont nécessaires pour séparer la composante variable de la constante. Des résistances R2 sont installées afin de régler le mode de fonctionnement de la clé et de régler les courants de fonctionnement. Regardons les formes d'onde. Nous donnons un signal avec une amplitude de 10mV et une fréquence de 10 000 Hz. L'amplitude de sortie est de près de 2V.

Le magenta indique la forme d'onde de sortie, le rouge indique la forme d'onde d'entrée.

Veuillez noter que le signal est inversé, c'est-à-dire le signal de sortie est inversé par rapport à l'entrée. C'est une caractéristique d'un circuit d'émetteur commun. Selon le schéma, le signal est retiré du collecteur. Par conséquent, lorsque le transistor est ouvert (lorsque le signal d'entrée augmente), la tension aux bornes de celui-ci chute. Lorsque le signal d'entrée chute, le transistor commence à se fermer et la tension commence à augmenter.

Ce schéma est considéré comme la plus haute qualité en termes de qualité de transmission du signal, mais vous devez payer cela avec la puissance des pertes. Le fait est que dans un état où aucun signal n'est entré, le transistor est toujours ouvert et conduit le courant. Ensuite, la chaleur est libérée:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE est une goutte sur un transistor en l'absence de signal d'entrée.

Il s'agit du circuit amplificateur le plus simple, tandis que tout autre circuit fonctionne de cette manière, seule la connexion des éléments et leur combinaison sont différentes. Par exemple, un amplificateur à transistor de classe B se compose de deux transistors, chacun fonctionnant pour sa propre demi-onde.

Des transistors de conductivités différentes sont utilisés ici:

• VT1 est NPN;

• VT2 - PNP.

La partie positive du signal d'entrée variable ouvre le transistor supérieur et le négatif - le inférieur.

Ce schéma donne une plus grande efficacité du fait que les transistors s'ouvrent et se ferment complètement. En raison du fait que lorsque le signal est absent - les deux transistors sont fermés, le circuit ne consomme pas de courant, il n'y a donc pas de pertes.

Conclusion

Comprendre le fonctionnement du transistor est très important si vous voulez faire de l'électronique. Dans ce domaine, il est important non seulement d'apprendre à assembler des schémas, mais aussi de les analyser. Pour une étude et une compréhension systématiques des appareils, vous devez comprendre où et comment les courants circuleront. Cela aidera à la fois dans le montage et dans le réglage et la réparation des circuits.

Il convient de noter que j'ai intentionnellement omis de nombreuses nuances et facteurs afin de ne pas surcharger l'article. En même temps, après les calculs, c'est toujours ramasser des résistances. En modélisation, c'est facile à faire. Mais en pratique mesurer les courants et les tensions avec un multimètre, et idéalement besoin oscilloscopepour vérifier si les formes d'onde d'entrée et de sortie correspondent, sinon vous aurez une distorsion.