Tranzystory bipolarne: obwody, mody, modelowanie

Tranzystor pojawił się w 1948 r. (1947 r.), Dzięki pracy trzech inżynierów i Shockleya, Bradsteina, Bardina. W tamtych czasach ich szybki rozwój i popularyzacja nie była jeszcze przewidywana. W Związku Radzieckim w 1949 r. Prototyp tranzystora został zaprezentowany światu naukowemu przez laboratorium Krasiłowa, była to trioda C1-C4 (german). Termin tranzystor pojawił się później, w latach 50. lub 60.

Jednak znalazły szerokie zastosowanie pod koniec lat 60., na początku 70., kiedy modne stały się przenośne radia. Nawiasem mówiąc, od dawna nazywane są „tranzystorami”. Ta nazwa utknęła z powodu zastąpienia lamp elektronicznych elementami półprzewodnikowymi, co spowodowało rewolucję w inżynierii radiowej.

Co to jest półprzewodnik?

Tranzystory są wykonane z materiałów półprzewodnikowych, na przykład krzemu, german był wcześniej popularny, ale teraz jest rzadko spotykany, ze względu na wysokie koszty i gorsze parametry, pod względem temperatury i innych rzeczy.

Półprzewodniki to materiały, które zajmują miejsce między przewodnikami a dielektrykami pod względem przewodności. Ich oporność jest milion razy większa niż przewodników i setki milionów razy mniejsza niż dielektryków. Ponadto, aby prąd mógł przez nie przepływać, konieczne jest przyłożenie napięcia przekraczającego przerwę pasmową, aby nośniki ładunku przemieszczały się z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia.

Przewodniki strefy zabronionej nie są jako takie obecne. Nośnik ładunku (elektron) może poruszać się w paśmie przewodzenia nie tylko pod wpływem napięcia zewnętrznego, ale także ciepła - nazywa się to prądem cieplnym. Prąd wywołany przez napromieniowanie strumienia świetlnego półprzewodnika nazywa się fotoprądem. Fotorezystory, fotodiody i inne elementy światłoczułe działają na tej zasadzie.

Dla porównania spójrz na te w dielektrykach i przewodnikach:

Całkiem oczywiste. Diagramy pokazują, że dielektryki nadal mogą przewodzić prąd, ale dzieje się tak po pokonaniu zakazanej strefy. W praktyce nazywa się to napięciem przebicia dielektrycznego.

Różnica między strukturami germanu i krzemu polega na tym, że dla germanu pasmo wzbronione jest rzędu 0,3 eV (woltów elektronów), a różnica krzemu jest większa niż 0,6 eV. Z jednej strony powoduje to więcej strat, ale zastosowanie krzemu wynika z czynników technologicznych i ekonomicznych.

W wyniku domieszkowania półprzewodnik otrzymuje dodatkowe nośniki ładunku dodatnie (dziury) lub ujemne (elektrony), co nazywa się półprzewodnikiem typu p lub n. Być może słyszałeś wyrażenie „pn junction”. Jest to granica między półprzewodnikami różnych typów. W wyniku ruchu ładunków, tworzenia zjonizowanych cząstek każdego rodzaju zanieczyszczeń do głównego półprzewodnika, tworzy się bariera potencjału, nie pozwala na przepływ prądu w obu kierunkach, więcej na ten temat opisano w książce „Tranzystor jest łatwy”..

Wprowadzenie dodatkowych nośników ładunku (domieszkowanie półprzewodników) umożliwiło stworzenie urządzeń półprzewodnikowych: diod, tranzystorów, tyrystorów itp. Najprostszym przykładem jest dioda, której działanie zbadaliśmy w poprzednim artykule.

Jeśli przyłożysz napięcie do przodu, tzn. Przepłynę pozytywnie do regionu p, a prąd ujemny popłynie do regionu n i odwrotnie, prąd nie będzie płynął. Faktem jest, że przy bezpośrednim nastawieniu główne nośniki ładunku regionu p (dziury) są dodatnie i odpychają od dodatniego potencjału źródła energii, mają tendencję do regionu o bardziej ujemnym potencjale.

Jednocześnie ujemne nośniki regionu n odpychają się od ujemnego bieguna źródła zasilania. Obaj przewoźnicy mają tendencję do interfejsu (złącze pn).Przejście staje się węższe, a przewoźnicy pokonują potencjalną barierę, poruszając się w obszarach o przeciwnych ładunkach, gdzie rekombinują z nimi ...

Jeżeli zastosowane zostanie napięcie wsteczne odchylenia, wówczas dodatnie nośniki regionu p przemieszczają się w kierunku elektrody ujemnej źródła zasilania, a elektrony z regionu n przemieszczają się w kierunku elektrody dodatniej. Przejście rozszerza się, prąd nie płynie.

Jeśli nie zagłębisz się w szczegóły, wystarczy zrozumieć procesy zachodzące w półprzewodniku.

Warunkowe oznaczenie graficzne tranzystora

W Federacji Rosyjskiej takie oznaczenie tranzystora przyjmuje się, jak widać na poniższym zdjęciu. Kolektor nie ma strzałki, emiter ma strzałkę, a podstawa jest prostopadła do linii między emiterem a kolektorem. Strzałka na emiterze wskazuje kierunek przepływu prądu (od plus do minus). W przypadku struktury NPN strzałka emitera jest skierowana od podstawy, a w przypadku PNP jest skierowana do podstawy.

Co więcej, to samo oznaczenie często znajduje się w schematach, ale bez koła. Standardowym oznaczeniem literowym jest „VT” i liczba w kolejności na schemacie, czasami po prostu piszą „T”.

 

Obraz tranzystorów bez koła

Co to jest tranzystor?

Tranzystor jest aktywnym urządzeniem półprzewodnikowym przeznaczonym do wzmacniania sygnału i generowania oscylacji. Wymienił lampy próżniowe - triody. Tranzystory zwykle mają trzy nogi - kolektor, emiter i podstawę. Podstawą jest elektroda kontrolna, dostarczająca do niej prąd, kontrolujemy prąd kolektora. Tak więc za pomocą małego prądu podstawowego regulujemy duże prądy w obwodzie mocy, a sygnał jest wzmacniany.

Tranzystory bipolarne mają bezpośrednie przewodzenie do przodu (PNP) i przewodnictwo zwrotne (NPN). Ich struktura jest przedstawiona poniżej. Zazwyczaj baza zajmuje mniejszą objętość kryształu półprzewodnika.

Charakterystyka

Główne cechy tranzystorów bipolarnych:

• Ic - maksymalny prąd kolektora (nie może być wyższy - spłonie);

• Ucemax - maksymalne napięcie, które można przyłożyć między kolektor i emiter (nie można go przekroczyć - pęknie);

• Ucesat to napięcie nasycenia tranzystora. Spadek napięcia w trybie nasycenia (im mniejsze, tym mniejsze straty w stanie otwartym i nagrzewania);

• Β lub H21E - wzmocnienie tranzystora, równe Ik / Ib. Zależy od modelu tranzystora. Na przykład przy wzmocnieniu 100, przy prądzie przez podstawę 1 mA, prąd 100 mA przepłynie przez kolektor itp.

Warto powiedzieć o prądach tranzystorowych, są trzy z nich:

1. Prąd podstawowy.

2. Prąd kolektora.

3. Prąd emitera - zawiera prąd bazowy i prąd emitera.

Najczęściej prąd emitera spada, ponieważ prawie nie różni się wielkością od prądu kolektora. Jedyną różnicą jest to, że prąd kolektora jest mniejszy niż prąd emitera o wartość prądu bazowego i odtąd tranzystory mają wysoki zysk (powiedzmy 100), a następnie przy prądzie 1A przez emiter, 10mA przepłynie przez podstawę, a 990mA przez kolektor. Zgadzam się, to wystarczająco mała różnica, aby poświęcić temu czas na studiowanie elektroniki. Dlatego w charakterystyce i wskazano Icmax.

Tryby pracy

Tranzystor może pracować w różnych trybach:

1. Tryb nasycenia. Krótko mówiąc, jest to tryb, w którym tranzystor znajduje się w stanie maksymalnego otwarcia (oba przejścia są tendencyjne w kierunku do przodu).

2. Tryb odcięcia ma miejsce, gdy prąd nie płynie, a tranzystor jest zamknięty (oba przejścia są przesunięte w przeciwnym kierunku).

3. Tryb aktywny (baza kolektora jest odchylona w przeciwnym kierunku, a baza emitera jest odchylona w kierunku do przodu).

4. Odwrotny tryb aktywny (baza kolektora jest odchylona w kierunku do przodu, a baza emitera jest odchylona w przeciwnym kierunku), ale jest rzadko używana.

Typowe tranzystorowe obwody przełączające

Istnieją trzy typowe tranzystorowe obwody przełączające:

1. Ogólna podstawa.

2. Ogólny emiter.

3. Wspólny kolektor.

Obwód wejściowy jest uważany za podstawę emitera, a obwód wyjściowy to kolektor-emiter. Natomiast prąd wejściowy jest prądem bazowym, a wyjściowy odpowiednio prądem kolektora.

W zależności od obwodu przełączającego wzmacniamy prąd lub napięcie.W podręcznikach zwykle bierze się pod uwagę takie schematy włączenia, ale w praktyce nie wyglądają one tak oczywisto.

Warto zauważyć, że po podłączeniu do obwodu ze wspólnym kolektorem wzmacniamy prąd i otrzymujemy napięcie fazowe (takie samo jak biegunowość wejściowa) na wejściu i wyjściu, aw obwodzie ze wspólnym emiterem otrzymujemy napięcie i odwrotny wzrost napięcia (wyjście jest odwrócone w stosunku do wejście). Na końcu artykułu przeprowadzimy symulację takich obwodów i wyraźnie to zobaczymy.

Modelowanie kluczy tranzystorowych

Pierwszy model, na który spojrzymy, to tranzystor kluczowy. Aby to zrobić, musisz zbudować obwód, jak na poniższym rysunku. Załóżmy, że uwzględnimy obciążenie o prądzie 0,1A, jego rolę będzie odgrywał rezystor R3 zainstalowany w obwodzie kolektora.

W wyniku eksperymentów odkryłem, że h21E wybranego modelu tranzystorowego wynosi około 20, nawiasem mówiąc, w arkuszu danych na MJE13007 podaje on od 8 do 40.

Prąd podstawowy powinien wynosić około 5 mA. Dzielnik jest obliczany tak, aby prąd bazowy miał minimalny wpływ na prąd dzielnika. Aby określone napięcie nie pływało, gdy tranzystor jest włączony. Dlatego aktualny dzielnik ustawiony na 100mA.

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

Jest to wartość obliczona, w wyniku czego powstały prądy:

Przy prądzie bazowym 5mA prąd w obciążeniu wynosił około 100mA, napięcie spada na tranzystorze do 0,27 V. Obliczenia są prawidłowe.

Co otrzymaliśmy

Możemy kontrolować obciążenie, którego prąd jest 20 razy większy niż prąd sterowania. Aby dodatkowo wzmocnić, można powielić kaskadę, zmniejszając prąd sterujący. Lub użyj innego tranzystora.

Prąd kolektora był ograniczony przez rezystancję obciążenia, dla eksperymentu postanowiłem zrobić rezystancję obciążenia 0 Ohm, następnie prąd przez tranzystor jest ustalany przez prąd podstawowy i wzmocnienie. W rezultacie prądy praktycznie się nie różnią, jak widać.

Aby prześledzić wpływ rodzaju tranzystora i jego wzmocnienia na prądy, zastępujemy go bez zmiany parametrów obwodu.

Po wymianie tranzystora z MJE13007 na MJE18006 obwód nadal działał, ale 0,14 V spada na tranzystor, co oznacza, że ​​przy tym samym prądzie ten tranzystor będzie się mniej nagrzewał, ponieważ wyróżnia się w upale

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

I w poprzednim przypadku:

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

Różnica jest prawie podwójna, jeśli nie jest tak znacząca przy dziesiątych watów, wyobraź sobie, co stanie się z prądami dziesiątek amperów, wtedy siła strat wzrośnie 100 razy. Prowadzi to do tego, że klucze przegrzewają się i zawodzą.

Ciepło uwalniane podczas ogrzewania rozchodzi się przez urządzenie i może powodować problemy w działaniu sąsiednich elementów. W tym celu wszystkie elementy mocy są instalowane na grzejnikach, a czasami stosowane są aktywne systemy chłodzenia (chłodnica, ciecz itp.).

Ponadto wraz ze wzrostem temperatury wzrasta przewodnictwo półprzewodnika, podobnie jak przepływający przez nie prąd, co ponownie powoduje wzrost temperatury. Lawinowy proces zwiększania prądu i temperatury ostatecznie zabije klucz.

Wniosek jest następujący: im mniejszy spadek napięcia na tranzystorze w stanie otwartym, tym mniejsze jest jego nagrzewanie i wyższa wydajność całego obwodu.

Spadek napięcia na kluczu zmniejszył się ze względu na fakt, że wkładamy mocniejszy klucz, z wyższym wzmocnieniem, aby się upewnić, usuwamy obciążenie z obwodu. Aby to zrobić, ponownie ustawiam R3 = 0 Ohm. Prąd kolektora wyniósł 219 mA, na MJE13003 w tym samym obwodzie wynosił około 130 mA, co oznacza, że ​​H21E w modelu tego tranzystora jest dwa razy większy.

Warto zauważyć, że zysk jednego modelu, w zależności od konkretnego wystąpienia, może różnić się dziesiątki lub setki razy. Wymaga to strojenia i regulacji obwodów analogowych. W tym programie w modelach tranzystorowych stosowane są stałe współczynniki, znam logikę ich wyboru. W MJE18006 w arkuszu danych maksymalny stosunek H21E wynosi 36.

Symulacja wzmacniacza prądu przemiennego

Dany model wyświetla zachowanie klucza, jeśli zastosuje się do niego sygnał przemienny i prosty obwód do włączenia w obwód. Przypomina muzyczny obwód wzmacniacza mocy.

Zwykle używają kilku takich szeregowo połączonych kaskad. Liczba i schematy kaskad, ich obwody mocy zależą od klasy, w której działa wzmacniacz (A, B itp.). Będę symulować najprostszy wzmacniacz klasy A, który działa w trybie liniowym, a także przyjmować przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego.

Rezystor R1 ustawia punkt pracy tranzystora. W podręcznikach piszą, że trzeba znaleźć taki punkt na prostym segmencie CVC tranzystora. Jeśli napięcie polaryzacji jest zbyt niskie, dolna półfala sygnału zostanie zniekształcona.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0,7 V.

Ib = IK / H21E

Kondensatory są potrzebne do oddzielenia składnika zmiennego od stałej. Rezystory R2 są instalowane w celu ustawienia trybu pracy klucza i ustawienia prądów roboczych. Spójrzmy na przebiegi. Dajemy sygnał o amplitudzie 10 mV i częstotliwości 10 000 Hz. Amplituda wyjściowa wynosi prawie 2 V.

Purpurowy wskazuje przebieg wyjściowy, czerwony wskazuje przebieg wejściowy.

Należy pamiętać, że sygnał jest odwrócony, tj. sygnał wyjściowy jest odwrócony względem wejścia. Jest to cecha wspólnego obwodu emitera. Zgodnie ze schematem sygnał jest usuwany z kolektora. Dlatego, gdy tranzystor zostanie otwarty (gdy sygnał wejściowy wzrośnie), napięcie na nim spadnie. Kiedy sygnał wejściowy spada, tranzystor zaczyna się zamykać, a napięcie zaczyna rosnąć.

Ten schemat jest uważany za najwyższą jakość pod względem jakości transmisji sygnału, ale trzeba za to zapłacić siłą strat. Faktem jest, że w stanie, w którym nie ma sygnału, tranzystor jest zawsze otwarty i przewodzi prąd. Następnie uwalniane jest ciepło:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE to kropla na tranzystorze przy braku sygnału wejściowego.

Jest to najprostszy obwód wzmacniacza, podczas gdy każdy inny obwód działa w ten sposób, tylko połączenie elementów i ich kombinacja jest inna. Na przykład wzmacniacz tranzystorowy klasy B składa się z dwóch tranzystorów, z których każdy działa na swoją własną półfalę.

Stosowane są tutaj tranzystory o różnych przewodnościach:

• VT1 oznacza NPN;

• VT2 - PNP.

Dodatnia część zmiennego sygnału wejściowego otwiera górny tranzystor, a ujemna - dolny.

Ten schemat zapewnia większą wydajność ze względu na to, że tranzystory otwierają się i zamykają całkowicie. Ze względu na brak sygnału - oba tranzystory są zamknięte, obwód nie pobiera prądu, więc nie ma strat.

Wniosek

Zrozumienie działania tranzystora jest bardzo ważne, jeśli zamierzasz robić elektronikę. W tym obszarze ważne jest nie tylko nauczenie się składania schematów, ale także ich analiza. Aby systematycznie badać i rozumieć urządzenia, musisz zrozumieć, gdzie i jak płyną prądy. Pomoże to zarówno w montażu, jak i regulacji i naprawie obwodów.

Warto zauważyć, że celowo pominąłem wiele niuansów i czynników, aby nie przeciążać artykułu. Jednocześnie po obliczeniach jest nadal podnosić rezystory. W modelowaniu jest to łatwe do zrobienia. Ale w praktyce mierzyć prądy i napięcia za pomocą multimetrui idealnie potrzebujesz oscyloskopaby sprawdzić, czy przebiegi wejściowe i wyjściowe są zgodne, w przeciwnym razie wystąpią zniekształcenia.