Биполярни транзистори: вериги, режими, моделиране

Транзисторът се появява през 1948 г. (1947 г.), благодарение на работата на трима инженери и Шокли, Брадщайн, Бардин. В онези дни все още не се очакваше бързото им развитие и популяризиране. В Съветския съюз през 1949 г. прототипът на транзистора беше представен на научния свят от лабораторията на Красилов, това беше триодът С1-С4 (германий). Терминът транзистор се появи по-късно, през 50-те или 60-те години.

Те обаче намериха широко приложение в края на 60-те и началото на 70-те, когато на мода влязоха преносими радиостанции. Между другото, те отдавна са наричани "транзисторът". Това име остана поради факта, че замениха електронните тръби с полупроводникови елементи, което предизвика революция в радиотехниката.

Какво е полупроводник?

Транзисторите са направени от полупроводникови материали, например силиций, германий преди е бил популярен, но сега той се среща рядко, поради високата си цена и по-лошите параметри, по отношение на температурата и други неща.

Полупроводниците са материали, които заемат място между проводници и диелектрици по проводимост. Съпротивлението им е милион пъти по-голямо от проводниците и стотици милиони пъти по-малко от диелектриците. Освен това, за да може токът да тече през тях, е необходимо да се приложи напрежение, надвишаващо лентата на лентата, така че носителите на заряд да преминат от валентната лента към лентата на проводимост.

Проводниците на забранената зона не присъстват като такива. Носител на заряд (електрон) може да се движи в проводимата лента не само под влияние на външно напрежение, но и от топлина - това се нарича термичен ток. Токът, предизвикан от облъчването на светлинния поток на полупроводника, се нарича фототок. Фоторезистори, фотодиоди и други фоточувствителни елементи работят на този принцип.

За сравнение вижте тези в диелектриците и проводниците:

Доста очевидно. Диаграмите показват, че диелектриците все още могат да провеждат ток, но това се случва след преодоляване на забранената зона. На практика това се нарича диелектрично напрежение на разрушаване.

И така, разликата между германиевата и силициевата структура е, че за германий лентата на пропастта е от порядъка на 0,3 eV (електронни волта), а тази на силиция е повече от 0,6 eV. От една страна, това причинява повече загуби, но използването на силиций се дължи на технологични и икономически фактори.

В резултат на допинг, полупроводник получава допълнителни носители на заряд положителни (дупки) или отрицателни (електрони), това се нарича п- или n-тип полупроводник. Може би сте чували израза „pn junction“. Така че това е границата между полупроводници от различни видове. В резултат на движението на зарядите, образуването на йонизирани частици от всеки тип примеси към основния полупроводник, образува се потенциална бариера, тя не позволява на тока да тече в двете посоки, повече за това е описано в книгата "Транзисторът е лесен.".

Въвеждането на допълнителни носители на заряд (допинг на полупроводници) даде възможност за създаване на полупроводникови устройства: диоди, транзистори, тиристори и др. Най-простият пример е диод, чиято работа изследвахме в предишната статия.

Ако приложите напрежение в отклонение напред, т.е. Ще поток положително към p-регион и отрицателен ток ще потече към n-регион, и ако е точно обратното, токът няма да тече. Факт е, че при директни пристрастия основните носители на p-регион (дупка) са положителни и отблъскват от положителния потенциал на източника на енергия, са склонни към региона с по-отрицателен потенциал.

В същото време отрицателните носители на n-региона се отблъскват от отрицателния полюс на източника на енергия. И двата носителя са склонни към интерфейса (pn кръстовище).Преходът става по-тесен и превозвачите преодоляват потенциалната бариера, придвижвайки се в райони с противоположни заряди, където рекомбинират с тях ...

Ако се приложи обратно напрежение на отклонение, положителните носители на p-областта се придвижват към отрицателния електрод на източника на захранване, а електроните от n-областта се движат към положителния електрод. Преходът се разширява, токът не тече.

Ако не навлизате в подробности, това е достатъчно, за да разберете процесите, които протичат в полупроводник.

Условно графично обозначение на транзистора

В Руската федерация такова транзисторно обозначение е прието, както виждате на снимката по-долу. Колекторът е без стрела, излъчвателят е със стрелка, а основата е перпендикулярна на линията между емитера и колектора. Стрелката на излъчвателя показва посоката на текущия поток (от плюс към минус). За структурата на NPN стрелката на излъчвателя е насочена от основата, а за PNP - насочена към основата.

Освен това, същото наименование често се среща в схеми, но без кръг. Стандартното обозначение на буквата е „VT“ и числото поред на диаграмата, понякога те просто пишат „T“.

 

Изображение на транзистори без кръг

Какво е транзистор?

Транзисторът е активно полупроводниково устройство, проектирано да усилва сигнал и да генерира трептения. Той замени вакуумните тръби - триоди. Обикновено транзисторите имат три крака - колектор, емитер и основа. Основата е управляващият електрод, подавайки ток към него, ние контролираме тока на колектора. Така с помощта на малък базов ток регулираме големи токове в силовата верига и сигналът се усилва.

Биполярните транзистори са директни напред (PNP) и обратна проводимост (NPN). Тяхната структура е изобразена по-долу. Обикновено основата заема по-малък обем на кристала на полупроводника.

характеристики на

Основните характеристики на биполярните транзистори:

• Ic - максимален ток на колектора (не може да бъде по-висок - ще изгори);

• Ucemax - максимално напрежение, което може да бъде приложено между колектора и излъчвателя (невъзможно е отгоре - ще се счупи);

• Ucesat е напрежението на насищане на транзистора. Спад на напрежение в режим на насищане (колкото по-малки, толкова по-малки загуби в отворено състояние и нагряване);

• Β или H21E - коефициент на усилване на транзистора, равен на Ik / Ib. Зависи от модела на транзистора. Например при усилване 100, при ток през основата на 1 mA, ток от 100 mA ще потече през колектора и т.н.

Заслужава да се каже за транзисторните токове, има три от тях:

1. Основният ток.

2. Колекторен ток.

3. Излъчващ ток - съдържа основния и емитерния ток.

Най-често токът на емитер пада, защото почти не се различава от тока на колектора по величина. Единствената разлика е, че токът на колектора е по-малък от тока на емитер по стойността на базовия ток и оттогава транзисторите имат висока печалба (да речем 100), тогава при ток от 1А през емитера, 10mA ще потече през основата, а 990mA през колектора. Съгласете се, това е достатъчно малка разлика, за да отделите време за това при изучаване на електроника. Следователно, в характеристиките и посочени Icmax.

Режими на работа

Транзисторът може да работи в различни режими:

1. Режим на насищане. С прости думи, това е режимът, в който транзисторът е в максимално отворено състояние (и двата прехода са предубедени в посока напред).

2. Режимът на изключване е, когато токът не тече и транзисторът е затворен (и двата прехода са отклонени в обратна посока).

3. Активен режим (колектор-основата е отклонена в обратна посока, а основата на излъчвателя е отклонена в посока напред).

4. Обратен активен режим (колектор-основата е пристрастна в посока напред, а основата на емитер е склонена в обратна посока), но рядко се използва.

Типични схеми за превключване на транзистори

Има три типични транзисторни комутационни вериги:

1. Общата база.

2. Общ емитер.

3. Общият колектор.

Входната верига се счита за основата на излъчвателя, а изходната верига е колектор-излъчвател. Като има предвид, че входният ток е базовият ток, а изходът е съответно токът на колектора.

В зависимост от комутационната верига усилваме тока или напрежението.В учебниците е обичайно да се разглеждат точно такива схеми за включване, но на практика те не изглеждат толкова очевидни.

Заслужава да се отбележи, че когато сме свързани към верига с общ колектор, ние усилваме тока и получаваме фазово (същото като входа с полярност) напрежение на входа и изхода, а във веригата с общ емитер получаваме напрежението и обратното усилване на напрежението (изходът е обърнат спрямо вход). В края на статията ще симулираме такива схеми и ясно ще видим това.

Моделиране на транзисторни ключове

Първият модел, който ще разгледаме е транзистор с ключов режим, За да направите това, трябва да изградите схема, както е на фигурата по-долу. Да предположим, че ще включим товар с ток 0,1А, неговата роля ще играе резисторът R3, инсталиран в колекторната верига.

В резултат на експерименти установих, че h21E на избрания транзисторен модел е около 20, между другото, в листа с данни на MJE13007 пише от 8 до 40.

Базовият ток трябва да бъде около 5mA. Разделителят се изчислява така, че базовият ток има минимален ефект върху делителния ток. Така че посоченото напрежение не плава, когато транзисторът е включен. Следователно, делителят на ток е 100mA.

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

Това е изчислена стойност, токовете в резултат на това излязоха, както следва:

При базов ток от 5 mA, токът в натоварването е около 100 mA, напрежението спада до 0,27 V в транзистора. Изчисленията са правилни.

Какво получихме?

Можем да контролираме товар, чийто ток е 20 пъти по-голям от контролния ток. За допълнително усилване можете да дублирате каскадата, намалявайки контролния ток. Или използвайте друг транзистор.

Токът на колектора е ограничен от съпротивлението на натоварването, за експеримента реших да направя съпротивлението на натоварването 0 Ohm, тогава токът през транзистора се задава от основния ток и усилването. В резултат на това теченията практически не се различават, както можете да видите.

За да проследим ефекта на типа транзистор и неговото усилване върху токове, го заместваме без да променяме параметрите на веригата.

След замяната на транзистора от MJE13007 на MJE18006, веригата продължи да работи, но 0,14 V пада върху транзистора, което означава, че при същия ток този транзистор ще се нагрява по-малко, защото ще се откроява в топлина

Саксия = 0.14V * 0.1A = 0.014W,

И в предишния случай:

Potprevious = 0.27V * 0.1A = 0.027W

Разликата е почти двойна, ако не е толкова значителна при десети ватове, представете си какво ще се случи при токове от десетки ампери, тогава силата на загубите ще се увеличи 100 пъти. Това води до факта, че клавишите се прегряват и се провалят.

Топлината, която се отделя при нагряване, се разпространява през устройството и може да причини проблеми в работата на съседните компоненти. За това всички захранващи елементи са инсталирани на радиатори, а понякога се използват активни системи за охлаждане (охладител, течност и др.).

Освен това с увеличаване на температурата проводимостта на полупроводника се увеличава, както и токът, който протича през тях, което отново причинява повишаване на температурата. Лавинообразният процес на увеличаване на тока и температурата в крайна сметка ще убие ключа.

Изводът е следният: колкото по-малък е спадът на напрежението през транзистора в отворено състояние, толкова по-малко е неговото нагряване и по-висока ефективност на цялата верига.

Спадът на напрежението върху ключа стана по-малък поради факта, че поставяме по-мощен ключ, с по-голямо усилване, за да сме сигурни в това, премахваме товара от веригата. За да направя това, отново зададох R3 = 0 Ома. Токът на колектора стана 219mA, на MJE13003 в същата верига беше около 130mA, което означава, че H21E в модела на този транзистор е два пъти по-голям.

Заслужава да се отбележи, че печалбата на един модел, в зависимост от конкретен случай, може да варира в десетки или стотици пъти. Това налага настройка и настройка на аналогови вериги. В тази програма фиксираните коефициенти се използват в модели на транзистори, знам логиката на техния избор. В MJE18006 в листа с данни, максималното съотношение H21E е 36.

Симулация на променливотоков усилвател

Даденият модел показва поведението на ключа, ако към него се прилагат променлив сигнал и проста схема за включването му във веригата. Прилича на музикална схема на усилвателя на мощността.

Обикновено те използват няколко такива каскади, свързани със серия. Броят и схемите на каскадите, техните силови вериги зависят от класа, в който усилвателят работи (A, B и т.н.). Ще симулирам най-простият усилвател от клас А, който работи в линеен режим, както и ще взема вълнови форми на входно и изходно напрежение.

Резистор R1 задава работната точка на транзистора. В учебниците те пишат, че трябва да намерите такава точка на прав сегмент от CVC на транзистора. Ако напрежението на отклонение е твърде ниско, долната полувълна на сигнала ще бъде изкривена.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Кондензаторите са необходими за отделяне на променливия компонент от константата. Резисторите R2 се инсталират, за да се зададе режимът на работа на ключа и да се зададат работните токове. Нека да разгледаме вълновите форми. Ние даваме сигнал с амплитуда 10mV и честота 10 000 Hz. Амплитудата на изхода е почти 2V.

Magenta обозначава формата на изходната вълна, червеното показва формата на входната вълна.

Моля, обърнете внимание, че сигналът е обърнат, т.е. изходният сигнал е обърнат спрямо входа. Това е характеристика на обща емитерна верига. Според схемата сигналът се отстранява от колектора. Следователно, когато транзисторът се отвори (когато входният сигнал се повиши), напрежението през него ще спадне. Когато входният сигнал падне, транзисторът започва да се затваря и напрежението започва да нараства.

Тази схема се счита за най-високо качество по отношение на качеството на предаване на сигнала, но трябва да платите за нея с мощността на загубата. Факт е, че в състояние, в което не се подава сигнал, транзисторът винаги е отворен и провежда ток. Тогава се отделя топлина:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE е спад на транзистор при липса на входен сигнал.

Това е най-простата схема на усилвателя, докато всяка друга схема работи по този начин, само връзката на елементите и комбинацията им е различна. Например транзисторен усилвател от клас В се състои от два транзистора, всеки от които работи за своя полувълна.

Тук се използват транзистори с различна проводимост:

• VT1 е NPN;

• VT2 - PNP.

Положителната част на променливия входен сигнал отваря горния транзистор, а отрицателната - долния.

Тази схема дава по-голяма ефективност поради факта, че транзисторите се отварят и затварят напълно. Поради факта, че когато сигналът отсъства - и двата транзистора са затворени, веригата не консумира ток, така че няма загуби.

заключение

Разбирането на работата на транзистора е много важно, ако ще се занимавате с електроника. В тази област е важно не само да се научим как да сглобяваме схеми, но и да ги анализираме. За систематично проучване и разбиране на устройствата трябва да разберете къде и как ще текат токове. Това ще помогне както при монтажа, така и при настройката и ремонта на вериги.

Заслужава да се отбележи, че умишлено съм пропуснал много от нюансите и факторите, за да не претоваря статията. В същото време, след изчисленията, все още вземете резистори, При моделирането това е лесно. Но на практика измервайте токове и напрежения с мултицети в идеалния случай се нуждаят осцилоскопза да проверите дали входната и изходната форма на вълната съвпадат, в противен случай ще имате изкривяване.