Bipolāri tranzistori: shēmas, režīmi, modelēšana

Tranzistors parādījās 1948. gadā (1947), pateicoties trīs inženieru un Šoklija, Bredšteina, Bardīna darbam. Tajos laikos to straujā attīstība un popularizēšana vēl nebija paredzēta. Padomju Savienībā 1949. gadā Krasilova laboratorija zinātniskai pasaulei iesniedza tranzistora prototipu, tā bija C1-C4 triode (germānija). Termins tranzistors parādījās vēlāk, 50. vai 60. gados.

Tomēr tie tika plaši izmantoti 60. gadu beigās, 70. gadu sākumā, kad modē parādījās pārnēsājamie radioaparāti. Starp citu, tos jau sen sauc par “tranzistoriem”. Šis nosaukums iestrēdzis sakarā ar to, ka viņi elektroniskās caurules aizstāja ar pusvadītāju elementiem, kas radīja revolūciju radiotehnikā.

Kas ir pusvadītājs?

Tranzistori ir izgatavoti no pusvadītāju materiāliem, piemēram, silīcijs, germānija agrāk bija populārs, taču tagad tas ir reti sastopams, ņemot vērā tā augstās izmaksas un sliktākos parametrus temperatūras un citu lietu ziņā.

Pusvadītāji ir materiāli, kas vadītspējas ziņā ieņem vietu starp vadītājiem un dielektriķiem. Viņu pretestība ir miljons reižu lielāka nekā vadītājiem, un simtiem miljonu reižu mazāka nekā dielektriķiem. Turklāt, lai strāva varētu sākt plūst caur tiem, ir jāpieliek spriegums, kas pārsniedz joslas atstarpi, lai lādiņu nesēji pārietu no valences joslas uz vadīšanas joslu.

Aizliegtās zonas vadītāji kā tādi nav. Uzlādes nesējs (elektrons) var pārvietoties vadīšanas joslā ne tikai ārēja sprieguma, bet arī siltuma ietekmē - to sauc par siltuma strāvu. Strāvu, ko rada pusvadītāja gaismas plūsmas apstarošana, sauc par fotovirsmu. Fotorezistori, fotodiodes un citi gaismjutīgi elementi darbojas pēc šī principa.

Salīdzinājumam apskatiet dielektriķu un vadītāju darbiniekus:

Diezgan acīmredzams. Diagrammās redzams, ka dielektriķi joprojām var vadīt strāvu, bet tas notiek pēc aizliegtas zonas pārvarēšanas. Praksē to sauc par dielektrisko sabrukšanas spriegumu.

Tātad germānija un silīcija struktūru atšķirība ir tāda, ka germānijai joslu sprauga ir 0,3 eV (elektronu volti), bet silīcija - vairāk nekā 0,6 eV. No vienas puses, tas rada lielākus zaudējumus, bet silīcija izmantošana ir saistīta ar tehnoloģiskiem un ekonomiskiem faktoriem.

Dopinga rezultātā pusvadītājs saņem papildu lādiņnesējus, kas ir pozitīvi (caurumi) vai negatīvi (elektroni), to sauc par p- vai n-veida pusvadītāju. Iespējams, esat dzirdējis frāzi “pn krustojums”. Tātad šī ir robeža starp dažāda veida pusvadītājiem. Lādiņu kustības rezultātā katra veida piemaisījumu jonizētām daļiņām veidojoties galvenajam pusvadītājam, veidojas potenciāla barjera, tas neļauj strāvai plūst abos virzienos, vairāk par to ir aprakstīts grāmatā "Tranzistors ir viegli.".

Papildu lādiņu nesēju ieviešana (pusvadītāju dopings) ļāva izveidot pusvadītāju ierīces: diodes, tranzistorus, tiristorus utt. Vienkāršākais piemērs ir diode, kuras darbību mēs pārbaudījām iepriekšējā rakstā.

Ja jūs uzliekat spriegumu uz priekšu aizspriedumiem, t.i. Es plūdīšu pozitīvi uz p-reģionu, un negatīva strāva plūdīs uz n-reģionu, un otrādi, pašreizējā neplūs. Fakts ir tāds, ka ar tiešu novirzi p-reģiona (cauruma) galvenie lādiņu nesēji ir pozitīvi un atgrūžas no enerģijas avota pozitīvā potenciāla, parasti uz reģionu ar lielāku negatīvo potenciālu.

Tajā pašā laikā n-reģiona negatīvie nesēji atgrūžas no enerģijas avota negatīvā pola. Abiem šiem nesējiem ir tendence uz saskarni (pn krustojums).Pāreja kļūst šaurāka, un pārvadātāji pārvar potenciālo barjeru, pārvietojoties vietās ar pretēju lādiņu, kur viņi rekombinējas ar viņiem ...

Ja tiek piemērots apgriezts slīpuma spriegums, p-reģiona pozitīvie nesēji virzās uz enerģijas avota negatīvo elektrodu, un elektroni no n-reģiona virzās uz pozitīvo elektrodu. Pāreja paplašinās, strāva neplūst.

Ja jums nav iedziļināties detaļās, tas ir pietiekami, lai izprastu procesus, kas notiek pusvadītājā.

Tranzistora nosacīts grafiskais apzīmējums

Krievijas Federācijā šāds tranzistora apzīmējums ir pieņemts, kā redzat attēlā zemāk. Kolektors ir bez bultiņas, emitētājs ir ar bultiņu, un pamatne ir perpendikulāra līnijai starp emitētāju un kolektoru. Bultiņa uz emitētāja norāda strāvas plūsmas virzienu (no plus līdz mīnusam). NPN struktūrai emitētāja bultiņa ir vērsta no pamatnes, bet PNP - uz pamatni.

Turklāt tas pats apzīmējums bieži atrodams shēmās, bet bez apļa. Standarta burtu apzīmējums ir “VT” un skaitlis secībā diagrammā, dažreiz tie vienkārši raksta “T”.

 

Tranzistoru attēls bez apļa

Kas ir tranzistors?

Tranzistors ir aktīva pusvadītāju ierīce, kas paredzēta signāla pastiprināšanai un svārstību ģenerēšanai. Viņš nomainīja vakuuma caurules - triodes. Tranzistoriem parasti ir trīs kājas - savācējs, emitētājs un pamatne. Bāze ir vadības elektrods, piegādājot tam strāvu, mēs kontrolējam kolektora strāvu. Tādējādi ar nelielu bāzes strāvas palīdzību mēs regulējam lielas strāvas strāvas ķēdē, un signāls tiek pastiprināts.

Bipolārie tranzistori ir tieša uz priekšu (PNP) un atpakaļgaitas vadītspēja (NPN). To struktūra ir attēlota zemāk. Parasti bāze aizņem mazāku pusvadītāju kristāla tilpumu.

Raksturlielumi

Bipolāro tranzistoru galvenās īpašības:

• Ic - maksimālā kolektora strāva (nevar būt lielāka - tā sadedzinās);

• Ucemax - maksimālais spriegums, ko var pielietot starp kolektoru un emitētāju (tas nevar būt lielāks - tas saplīsīs);

• Ucesat ir tranzistora piesātinājuma spriegums. Sprieguma kritums piesātinājuma režīmā (jo mazāks, jo mazāk zaudējumu atvērtā stāvoklī un apkurei);

• Β vai H21E - tranzistora guvums, kas vienāds ar Ik / Ib. Atkarīgs no tranzistora modeļa. Piemēram, ar palielinājumu 100, pie strāvas caur 1 mA pamatni, caur kolektoru plūdīs 100 mA strāva utt.

Ir vērts teikt par tranzistora strāvām, ir trīs no tām:

1. Bāzes strāva.

2. Kolektora strāva.

3. Emitenta strāva - satur bāzes strāvu un emitētāja strāvu.

Visbiežāk emitētāja strāva samazinās, jo tas gandrīz neatšķiras no kolektora strāvas lieluma. Vienīgā atšķirība ir tā, ka kolektora strāva ir mazāka par emitētāja strāvu par bāzes strāvas vērtību, un kopš tā laika tranzistoriem ir liels ieguvums (teiksim 100), tad ar strāvu 1A caur emitētāju caur pamatni plūdīs 10mA, bet caur kolektoru - 990mA. Piekrītu, tā ir pietiekami maza atšķirība, lai tam veltītu laiku, studējot elektroniku. Tāpēc raksturotajās un norādītajās Icmax.

Darbības režīmi

Tranzistors var darboties dažādos režīmos:

1. Piesātinājuma režīms. Vienkārši sakot, tas ir režīms, kurā tranzistors ir maksimāli atvērtā stāvoklī (abas pārejas ir novirzītas uz priekšu).

2. Atslēgšanas režīms ir tad, kad strāva neplūst un tranzistors ir aizvērts (abas pārejas ir nobīdītas pretējā virzienā).

3. Aktīvais režīms (kolektora bāze ir nobīdīta pretējā virzienā, un emitētāja bāze ir nobīdīta virzienā uz priekšu).

4. Apgrieztais aktīvais režīms (kolektora bāze ir nobīdīta virzienā uz priekšu, un emitētāja bāze ir nobīdīta pretējā virzienā), taču to reti izmanto.

Tipiskas tranzistora komutācijas shēmas

Pastāv trīs tipiskas tranzistora komutācijas shēmas:

1. Vispārējā bāze.

2. General emitētājs.

3. Kopīgais kolekcionārs.

Ievades ķēde tiek uzskatīta par emitētāja pamatni, un izejas ķēde ir kolektora-izstarotājs. Tā kā ieejas strāva ir bāzes strāva, un izeja ir attiecīgi kolektora strāva.

Atkarībā no komutācijas ķēdes mēs pastiprinām strāvu vai spriegumu.Mācību grāmatās ir ierasts apsvērt tikai šādas iekļaušanas shēmas, taču praksē tās neizskatās tik acīmredzamas.

Ir vērts atzīmēt, ka, pieslēdzoties ķēdei ar kopēju kolektoru, mēs pastiprinām strāvu un ieejā un izejā iegūstam fāzi (tādu pašu kā ieeja polaritātē) spriegumu, un ķēdē ar kopēju emitētāju mēs iegūstam spriegumu un apgrieztu sprieguma pieaugumu (izeja ir apgriezta attiecībā pret ievade). Raksta beigās mēs simulēsim šādas shēmas un skaidri to redzēsim.

Tranzistora atslēgas modelēšana

Pirmais modelis, kuru apskatīsim, ir taustiņu režīma tranzistors. Lai to izdarītu, jums jāveido ķēde, kā parādīts zemāk redzamajā attēlā. Pieņemsim, ka mēs iekļausim slodzi ar strāvu 0,1A, tās lomu spēlēs rezistors R3, kas uzstādīts kolektora ķēdē.

Eksperimentu rezultātā es atklāju, ka izvēlētā tranzistora modeļa h21E ir aptuveni 20, starp citu, MJE13007 datu lapā tas norāda no 8 līdz 40.

Bāzes strāvai jābūt aptuveni 5mA. Dalītāju aprēķina tā, lai bāzes strāvai būtu minimāla ietekme uz dalītāja strāvu. Lai norādītais spriegums neplūst, kad tranzistors ir ieslēgts. Tāpēc pašreizējais dalītājs ir noteikts 100mA.

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

Šī ir aprēķināta vērtība, kuras rezultātā straumes parādījās šādi:

Ar bāzes strāvu 5mA strāva slodzē bija aptuveni 100mA, tranzistors spriegums nokrītas līdz 0,27 V. Aprēķini ir pareizi.

Ko mēs ieguvām?

Mēs varam kontrolēt slodzi, kuras strāva ir 20 reizes lielāka par vadības strāvu. Lai vēl vairāk pastiprinātu, jūs varat dublēt kaskādi, samazinot vadības strāvu. Vai arī izmantojiet citu tranzistoru.

Kolektora strāvu ierobežoja slodzes pretestība, eksperimentam es nolēmu veikt slodzes pretestību 0 Ohm, tad strāvu caur tranzistoru nosaka bāzes strāva un pastiprinājums. Rezultātā straumes praktiski neatšķiras, kā redzat.

Lai izsekotu tranzistora veida un tā pieauguma ietekmi uz strāvām, mēs to aizstājam, nemainot ķēdes parametrus.

Pēc tranzistora nomaiņas no MJE13007 uz MJE18006, ķēde turpināja darboties, bet uz tranzistora nokrīt 0,14 V, kas nozīmē, ka tajā pašā strāvā šis tranzistors uzkarsīs mazāk, jo izceļas siltumā

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

Un iepriekšējā gadījumā:

Potenciāls = 0,27 V * 0,1 A = 0,027 W

Atšķirība ir gandrīz divkārša, ja desmitdaļās vatu tā nav tik ievērojama, iedomājieties, kas notiks ar desmitiem ampēru strāvu, tad zaudējumu jauda palielināsies 100 reizes. Tas noved pie tā, ka atslēgas pārkarst un neizdodas.

Siltums, kas izdalās sildīšanas laikā, izplatās pa ierīci un var radīt problēmas kaimiņu komponentu darbībā. Šim nolūkam visi jaudas elementi tiek uzstādīti uz radiatoriem, un dažreiz tiek izmantotas aktīvās dzesēšanas sistēmas (dzesētājs, šķidrums utt.).

Turklāt, palielinoties temperatūrai, palielinās pusvadītāja vadītspēja, tāpat kā caur tiem plūst strāva, kas atkal izraisa temperatūras paaugstināšanos. Lavīnām līdzīgais strāvas un temperatūras paaugstināšanas process galu galā nogalina atslēgu.

Secinājums ir šāds: jo mazāks ir sprieguma kritums visā tranzistorā atvērtā stāvoklī, jo mazāka ir tā sildīšana un jo augstāka ir visas ķēdes efektivitāte.

Atslēgas sprieguma kritums kļuva mazāks sakarā ar to, ka, lai par to pārliecinātos, mēs ievietojam jaudīgāku atslēgu ar lielāku ieguvumu, mēs no ķēdes noņemam slodzi. Lai to izdarītu, es atkal iestatīju R3 = 0 omi. Kolektora strāva kļuva par 219mA, MJE13003 tajā pašā ķēdē tā bija aptuveni 130mA, kas nozīmē, ka šī tranzistora modelī H21E ir divreiz lielāka.

Ir vērts atzīmēt, ka viena modeļa ieguvums atkarībā no konkrētā gadījuma var mainīties desmitiem vai simtiem reižu. Tas prasa analogo shēmu noregulēšanu un pielāgošanu. Šajā programmā tranzistoru modeļos tiek izmantoti fiksēti koeficienti, es zinu viņu izvēlēto loģiku. MJE18006 datu lapā maksimālā H21E attiecība ir 36.

Maiņstrāvas pastiprinātāja simulācija

Dotais modelis parāda atslēgas uzvedību, ja tam tiek piemērots mainīgs signāls un vienkārša shēma tā iekļaušanai ķēdē. Tas atgādina mūzikas spēka pastiprinātāja shēmu.

Parasti viņi izmanto vairākas šādas sērijveidā savienotas kaskādes. Kaskādi skaits un shēmas, to strāvas ķēdes ir atkarīgas no klases, kurā darbojas pastiprinātājs (A, B utt.). Es imitēšu vienkāršāko A klases pastiprinātāju, kas darbojas lineārajā režīmā, kā arī ņemšu ieejas un izejas sprieguma viļņu formas.

Rezistors R1 nosaka tranzistora darbības punktu. Viņi mācību grāmatās raksta, ka jums jāatrod šāds punkts tranzistora CVC taisnā segmentā. Ja nobīdes spriegums ir pārāk zems, signāla apakšējais pusviļnis tiks izkropļots.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondensatori ir nepieciešami, lai mainīgo komponentu atdalītu no konstantes. Rezistori R2 ir uzstādīti, lai iestatītu atslēgas darbības režīmu un iestatītu darba strāvas. Apskatīsim viļņu formas. Mēs dodam signālu ar amplitūdu 10mV un frekvenci 10 000 Hz. Izejas amplitūda ir gandrīz 2V.

Magenta norāda izejas viļņu formu, sarkana norāda ieejas viļņu formu.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka signāls ir apgriezts, t.i. izejas signāls ir apgriezts attiecībā pret ieeju. Šī ir kopējās emitētāja ķēdes iezīme. Saskaņā ar shēmu signāls tiek noņemts no kolektora. Tāpēc, atverot tranzistoru (kad ieejas signāls palielinās), spriegums tam kritīsies. Kad ieejas signāls pazeminās, tranzistors sāk aizvērties un spriegums sāk pieaugt.

Šī shēma tiek uzskatīta par visaugstāko signāla pārraides kvalitātes ziņā, taču par to jums jāmaksā ar zaudējumu jaudu. Fakts ir tāds, ka stāvoklī, kurā netiek ievadīts signāls, tranzistors vienmēr ir atvērts un vada strāvu. Tad izdalās siltums:

Pods = (UKE) / Ik

UKE ir tranzistora kritums, ja nav ieejas signāla.

Šī ir vienkāršākā pastiprinātāja shēma, savukārt jebkura cita ķēde darbojas līdzīgi, tikai elementu savienojums un to kombinācija ir atšķirīga. Piemēram, B klases tranzistora pastiprinātājs sastāv no diviem tranzistoriem, no kuriem katrs darbojas savam pusviļņam.

Šeit tiek izmantoti dažādu vadītspēju tranzistori:

• VT1 ir NPN;

• VT2 - PNP.

Mainīgā ieejas signāla pozitīvā daļa atver augšējo tranzistoru, bet negatīvā - apakšējo.

Šī shēma nodrošina lielāku efektivitāti, pateicoties tam, ka tranzistori pilnībā atveras un aizveras. Sakarā ar to, ka tad, kad signāla nav - abi tranzistori ir aizvērti, ķēde neizmanto strāvu, tāpēc nav zudumu.

Secinājums

Izpratne par tranzistora darbību ir ļoti svarīga, ja jūs gatavojaties darīt elektroniku. Šajā jomā ir svarīgi ne tikai iemācīties sastādīt shēmas, bet arī analizēt tās. Lai sistemātiski izpētītu un saprastu ierīces, jums jāsaprot, kur un kā plūdīs strāvas. Tas palīdzēs gan montāžā, gan ķēžu regulēšanā un remontā.

Ir vērts atzīmēt, ka es apzināti esmu izlaidis daudzas nianses un faktorus, lai nepārslogotu rakstu. Tajā pašā laikā pēc aprēķiniem tas joprojām ir uzņemt rezistorus. Modelēšanā to ir viegli izdarīt. Bet praksē nomēriet strāvas un spriegumu ar multimetru, un ideālā gadījumā vajag osciloskopslai pārbaudītu, vai ieejas un izejas viļņu formas sakrīt, pretējā gadījumā rodas kropļojumi.