BIPOLÁRNE TRANSISTORY

Bipolárny tranzistor je polovodičové zariadenie pozostávajúce z troch oblastí so striedajúcimi sa typmi elektrickej vodivosti a určené na zosilnenie signálu.

Bipolárne tranzistory sú polovodičové zariadenia na univerzálne použitie a sú široko používané v rôznych zosilňovačoch, generátoroch, impulzných a kľúčových zariadeniach.

Bipolárne tranzistory možno klasifikovať podľa materiálu: germánium a kremík;podľa typu vodivosti: typ p-n-r a n- p- n; z hľadiska výkonu: malý (Pmax< 0,3 W), priemer (P max= 1,5W) a veľký (Pmax> 1,5 W); podľa frekvencie: nízkofrekvenčné, stredofrekvenčné, vysokofrekvenčné a mikrovlnné.

V takýchto tranzistoroch je prúd určený pohybom nosičov náboja dvoch typov: elektrónov a dier. Odtiaľ pochádza ich názov: bipolárne.

bipolárny tranzistorje doska z germánia alebo kremíka, v ktorej sú vytvorené tri oblasti s rôznou elektrickou vodivosťou. Pre typ tranzistoran-R- nstredná oblasť má otvor a vonkajšie oblasti majú elektrickú elektrickú vodivosť.

Tranzistory typu Pn-p majú strednú oblasť s elektronickou a extrémnou - s dierovou vodivosťou.

Stredná oblasť tranzistora sa nazýva báza, jedna krajná oblasť je emitor, druhá je kolektor. Tranzistor má teda dva R- n- prechod: emitor - medzi emitorom a bázou a kolektor - medzi bázou a kolektorom.

Emitor je oblasť tranzistora na vstrekovanie nosičov náboja do bázy. Kolektor - oblasť, ktorej účelom je extrahovať nosiče náboja zo základne. Báza je oblasť, do ktorej sú emitorom vstrekované nosiče náboja, ktoré sú pre túto oblasť menšie.

Koncentrácia majoritných nosičov náboja v žiariči je mnohonásobne väčšia ako koncentrácia majoritných nosičovnáboj v základni a v kolektore je o niečo menší ako koncentrácia v žiariči. Preto je vodivosť žiariča oveľa vyššia ako vodivosť základne a vodivosť kolektora je menšia ako vodivosť žiariča.

V závislosti od toho, ktorý zo záverov je spoločný pre vstupné a výstupné obvody, existujú tri tranzistorové spínacie obvody: so spoločnou bázou (OB), spoločným emitorom (OE), spoločným kolektorom (OK).

Vstupný alebo riadiaci obvod sa používa na riadenie činnosti tranzistora. Vo výstupnom alebo riadenom obvode sa získajú zvýšené oscilácie. Zdroj zosilnených kmitov je zahrnutý v vstupný obvod a záťaž je zapnutá na výstupe.

Princíp činnosti tranzistora na príklade tranzistora p-n-р – typ zahrnutý v schéme so spoločnou základňou (CB).

Externé napätie dvoch napájacích zdrojov EE a EKomupripojený k tranzistoru takým spôsobom, že emitorový prechod P1 je predpätý v doprednom smere a kolektorový prechod P2 je predpätý v opačnom smere.

Ak sa na kolektorový prechod aplikuje spätné napätie a emitorový obvod je otvorený, potom v kolektorovom obvode preteká malý spätný prúdjado. Vzniká pôsobením spätného napätia a vzniká usmerneným pohybom menšinových nosičov náboja základných otvorov a kolektorových elektrónov cez kolektorový prechod. Obvodom preteká spätný prúd: + EKomu, základný kolektor, −ЕKomu.

Keď je do emitorového obvodu v priepustnom smere pripojené konštantné napätie EE, potenciálna bariéra emitorového prechodu klesá. Začína sa vstrekovanie otvorov do základne.

Ukázalo sa, že vonkajšie napätie aplikované na tranzistor je aplikované hlavne na prechody P1 a P2, pretože majú vysoký odpor v porovnaní s odporom oblasti bázy, emitora a kolektora. Preto sa v ňom diery vstrekované do základne pohybujú pomocou difúzie. V tomto prípade sa diery rekombinujú so základnými elektrónmi. Keďže koncentrácia nosičov v základni je oveľa menšia ako v žiariči, rekombinuje sa len veľmi málo otvorov. Pri malej hrúbke základne takmer všetky otvory dosiahnu spoj kolektora P2. Rekombinované elektróny sú nahradené elektrónmi zo zdroja energie EKomu. Diery, ktoré sa rekombinujú s elektrónmi v základni, vytvárajú základný prúdja B.

Pod vplyvom spätného napätia Edo,potenciálna bariéra kolektorového spojenia sa zvyšuje a hrúbka spojenia P2 sa zvyšuje. Otvory, ktoré vstupujú do oblasti kolektorového prechodu, spadajú do urýchľovacieho poľa vytvoreného na prechode kolektorovým napätím a sú vťahované kolektorom, čím vytvárajú kolektorový prúd.jaKomu. Kolektorový prúd preteká obvodom: + EKomu, základný kolektor, -EKomu.

Teda v b ipolárny Tranzistorom tečú tri typy prúdu: emitor, kolektor a báza.

V drôte, ktorý je výstupom základne, prúdy emitora a kolektora smerujú opačne. Základný prúd sa rovná rozdielu medzi emitorovým a kolektorovým prúdom:ja B = ja E − ja TO.

Fyzikálne procesy v typovom tranzistoren-R- npostupovať podobne ako procesy v tranzistore typu pn-R.

Celkový prúd emitorajaE je určené počtom hlavných nosičov náboja vstreknutých žiaričom. Hlavná časť týchto nosičov náboja, dosahujúca kolektor, vytvára kolektorový prúdjaKomu. Malá časť nosičov náboja vstreknutých do základne sa rekombinuje v základni a vytvára základný prúdjaB. Preto sa emitorový prúd rozdelí na bázový a kolektorový prúd, t.j.ja E = ja B+ jaKomu.

Výstupný prúd tranzistora závisí od vstupného prúdu. Preto je tranzistor prúdovo riadené zariadenie.

Zmeny prúdu emitora spôsobené zmenou napätia prechodu emitora sa plne prenesú do kolektorového obvodu, čo spôsobí zmenu kolektorového prúdu. A odvtedy napájacie napätie kolektora EKomuoveľa väčší ako žiarič Euh, potom výkon spotrebovaný v kolektorovom okruhu PKomu, v obvode emitora Р bude oveľa väčší výkonuh. Tak je možné riadiť veľký výkon v kolektorovom obvode tranzistora s malým výkonom vynaloženým v emitorovom obvode, t.j. dochádza k zvýšeniu výkonu.

Spínacie obvody pre bipolárne tranzistory

Tranzistor je súčasťou obvodu tak, že jedna z jeho svoriek je vstupná, druhá je výstupná a tretia je spoločná pre vstupné a výstupné obvody. V závislosti od toho, ktorá elektróda je spoločná, existujú tri tranzistorové spínacie obvody: OB, OE a OK. Pre tranzistorn-R- nv spínacích obvodoch sa mení iba polarita napätí a smer prúdov. Pre akúkoľvek schému spínania tranzistorov musí byť polarita zapínania napájacích zdrojov zvolená tak, že prechod emitoru je zapnutý v smere dopredu a prechod kolektora je zapnutý v opačnom smere.

Statické charakteristiky bipolárnych tranzistorov

Statický režim činnosti tranzistora je režim, keď vo výstupnom obvode nie je žiadna záťaž.

Statické charakteristiky tranzistorov nazývame graficky vyjadrené závislosti napätia a prúdu vstupného obvodu (input VAC) a výstupného obvodu (output VAC). Typ charakteristík závisí od spôsobu zapnutia tranzistora.

Charakteristika tranzistora zapojeného podľa obvodu OB

ja E = f(U EB) v U KB = konšt(A).

ja K = f(U KB) na ja E = konšt(b).

Statická charakteristika bipolárneho tranzistora zapojeného podľa obvodu OB.Výstupné CVC majú tri charakteristické oblasti: 1 - silná závislosťjaKomu od UKB; 2 - slabá závislosťjaKomu od UKB; 3 - rozpad kolektorovej križovatky.Charakteristickým znakom v oblasti 2 je ich mierny nárast so zvyšujúcim sa napätímU KB.

Charakteristika tranzistora zapojeného podľa OE obvodu:

Vstupnou charakteristikou je závislosť:

ja B = f(U Poraziť U KE = konšt(b).

Výstupná charakteristika je závislosť:

ja K = f(U EC) pri ja B = konšt(A).

Prevádzkový režim bipolárneho tranzistora

Tranzistor môže pracovať v troch režimoch v závislosti od napätia na jeho prechodoch. Pri prevádzke v aktívnom režime je napätie priame na prechode emitora a reverzné na prechode kolektora.

Režim cut-off alebo blokovanie sa dosiahne privedením spätného napätia na oba prechody (oba p-n- prechody sú uzavreté).

Ak je na oboch prechodoch napätie priame (oba p-n- prechody sú otvorené), potom tranzistor pracuje v režime saturácie.V režime cutoff a saturation neexistuje takmer žiadne ovládanie tranzistora. V aktívnom režime sa takéto riadenie vykonáva najefektívnejšie a tranzistor môže vykonávať funkcie aktívneho prvku elektrického obvodu - zosilnenie, generovanie.

zosilňovací stupeň na bipolárnom tranzistore

Najväčšie uplatnenie nachádza tranzistorový spínací obvod podľa obvodu so spoločným emitorom.Hlavnými prvkami obvodu sú napájací zdroj EKomu, riadený prvok - tranzistorVT a odpor RKomu. Tieto prvky tvoria výstupný obvod zosilňovacieho stupňa, v ktorom v dôsledku toku riadeného prúdu vzniká na výstupe obvodu zosilnené striedavé napätie.Ostatné prvky obvodu zohrávajú podpornú úlohu. Kondenzátor CRsa oddeľuje. Pri absencii tohto kondenzátora by sa v obvode zdroja vstupného signálu z napájacieho zdroja E vytvoril jednosmerný prúdKomu.

Rezistor RB, zahrnutý v základnom obvode, zabezpečuje činnosť tranzistora pri absencii vstupného signálu. Pokojový režim zabezpečuje prúd kľudovej základneja B = E Komu/ R B. S odporomRKomuvzniká výstupné napätie.RKomuvykonáva funkciu vytvárania meniaceho sa napätia vo výstupnom obvode v dôsledku toku prúdu v ňom, riadeného základným obvodom.

Pre kolektorový obvod zosilňovacieho stupňa možno napísať nasledujúcu rovnicu elektrického stavu:

E Komu= Uke+ jaKomuRKomu,

súčet poklesu napätia na rezistoreRk a napätie kolektor-emitorUketranzistor sa vždy rovná konštantnej hodnote - EMF napájacieho zdroja EKomu.

Proces zosilnenia je založený na premene energie zdroja konštantného napätia EKomudo energie striedavé napätie vo výstupnom obvode zmenou odporu riadeného prvku (tranzistora) podľa zákona určeného vstupným signálom.

Zdravím vás milí priatelia! Dnes si povieme niečo o bipolárnych tranzistoroch a informácie budú užitočné predovšetkým pre začiatočníkov. Takže, ak vás zaujíma, čo je tranzistor, jeho princíp činnosti a vo všeobecnosti, s čím sa konzumuje, vezmeme si pohodlné kreslo a prídeme bližšie.

Pokračujme a máme tu obsah, bude pohodlnejšie sa v článku orientovať

Typy tranzistorov

Tranzistory sú prevažne dvoch typov: bipolárne tranzistory a tranzistory s efektom poľa. Samozrejme, bolo možné zvážiť všetky typy tranzistorov v jednom článku, ale nechcem vo vašej hlave variť kašu. Preto sa v tomto článku budeme zaoberať výlučne bipolárnymi tranzistormi a o tranzistoroch s efektom poľa budem hovoriť v jednom z nasledujúcich článkov. Nebudeme zasahovať do všetkého na jednej kope, ale budeme sa venovať každému, individuálne.

bipolárny tranzistor

Bipolárny tranzistor je potomkom elektrónkových triód, tých, ktoré boli v televízoroch 20. storočia. Triódy upadli do zabudnutia a ustúpili funkčnejším bratom - tranzistorom, alebo skôr bipolárnym tranzistorom.

Triódy sa až na vzácne výnimky používajú vo výbave pre milovníkov hudby.

Bipolárne tranzistory môžu vyzerať takto.

Ako vidíte, bipolárne tranzistory majú tri vývody a dizajnovo môžu vyzerať úplne inak. Ale na elektrické schémy vyzerajú jednoducho a vždy rovnako. A celá táto grafická nádhera vyzerá asi takto.

Tento obrázok tranzistorov sa nazýva aj UGO (Podmienené grafické označenie).

Okrem toho môžu mať bipolárne tranzistory iný typ vodivosti. Existujú tranzistory typu NPN a typu PNP.

Rozdiel medzi tranzistorom n-p-n a tranzistorom p-n-p je len v tom, že je to "nosič" elektrického náboja (elektróny alebo "diery"). Tie. pre pnp tranzistor sa elektróny pohybujú z emitora do kolektora a sú riadené bázou. Pre npn tranzistor idú elektróny z kolektora do emitora a sú riadené bázou. V dôsledku toho dospejeme k záveru, že na to, aby sme v obvode nahradili tranzistor jedného typu vodivosti iným, stačí zmeniť polaritu privedeného napätia. Alebo hlúpo zmeniť polaritu napájacieho zdroja.

Bipolárne tranzistory majú tri terminály: kolektor, emitor a základňu. Myslím si, že UGO bude ťažké zmiasť, ale v skutočnom tranzistore je ľahké sa zmiasť.

Zvyčajne, kde sa ktorý výstup určuje z adresára, ale môžete jednoducho. Tranzistorové výstupy zvonia ako dve diódy spojené v spoločnom bode (v oblasti bázy tranzistora).

Vľavo je obrázok pre tranzistor typu p-n-p, ktorý pri vytáčaní vytvára pocit (cez údaje multimetra), že máte pred sebou dve diódy, ktoré sú v jednom bode spojené svojimi katódami. Pre tranzistor typu n-p-n diódy v základnom bode sú spojené svojimi anódami. Myslím, že po experimentovaní s multimetrom to bude jasnejšie.

Princíp činnosti bipolárneho tranzistora

A teraz sa pokúsime zistiť, ako funguje tranzistor. Nebudem zachádzať do podrobností o vnútornej štruktúre tranzistorov, pretože tieto informácie iba mätú. Radšej sa pozrite na tento obrázok.

Tento obrázok najlepšie vysvetľuje, ako funguje tranzistor. Na tomto obrázku osoba ovláda kolektorový prúd cez reostat. Pozerá sa na základný prúd, ak sa základný prúd zvýši, potom osoba zvýši aj kolektorový prúd, berúc do úvahy zisk tranzistora h21E. Ak klesne základný prúd, potom sa zníži aj kolektorový prúd - osoba to opraví reostatom.

Táto analógia nemá nič spoločné s tým, ako tranzistor skutočne funguje, ale uľahčuje pochopenie toho, ako funguje.

Pre tranzistory je možné zaznamenať pravidlá, ktoré majú pomôcť uľahčiť pochopenie. (Tieto pravidlá sú prevzaté z knihy).

1. Kolektor má kladnejší potenciál ako žiarič.
2. Ako som povedal, obvody základňa-kolektor a základňa-emitor fungujú ako diódy.
3. Každý tranzistor je charakterizovaný limitmi, ako je kolektorový prúd, bázový prúd a napätie kolektor-emitor.
4. V prípade, že sú dodržané pravidlá 1-3, potom kolektorový prúd Ik je priamo úmerný základnému prúdu Ib. Tento pomer možno zapísať ako vzorec.

Z tohto vzorca môžete vyjadriť hlavnú vlastnosť tranzistora - malý základný prúd poháňa veľký kolektorový prúd.

Aktuálny zisk.

Označuje sa aj ako

Z vyššie uvedeného vyplýva, že tranzistor môže pracovať v štyroch režimoch:

1. Režim odpojenia tranzistora- v tomto režime je prechod báza-emitor uzavretý, môže sa to stať, keď je napätie báza-emitor nedostatočné. Výsledkom je, že neexistuje žiadny základný prúd a teda ani kolektorový prúd.
2. Aktívny režim tranzistora je normálny prevádzkový režim tranzistora. V tomto režime je napätie báza-emitor dostatočné na otvorenie spojenia báza-emitor. Základný prúd je dostatočný a k dispozícii je aj kolektorový prúd. Kolektorový prúd sa rovná základnému prúdu vynásobenému ziskom.
3. Režim nasýtenia tranzistora - tranzistor sa prepne do tohto režimu, keď je základný prúd taký veľký, že výkon zdroja energie jednoducho nestačí na ďalšie zvýšenie kolektorového prúdu. V tomto režime sa kolektorový prúd nemôže zvýšiť po zvýšení základného prúdu.
4. Tranzistorový invertovaný režim- Tento režim sa používa zriedka. V tomto režime sú kolektor a emitor tranzistora obrátené. V dôsledku takýchto manipulácií veľmi trpí zisk tranzistora. Tranzistor nebol pôvodne navrhnutý na prevádzku v takomto špeciálnom režime.

Aby ste pochopili, ako funguje tranzistor, musíte sa pozrieť na konkrétne príklady obvodov, takže sa pozrime na niektoré z nich.

Tranzistor v kľúčovom režime

Spínaný tranzistor je jedným z tranzistorových obvodov so spoločným emitorom. Tranzistorový obvod v kľúčovom režime sa používa veľmi často. Tento tranzistorový obvod sa používa napríklad vtedy, keď potrebujete ovládať výkonnú záťaž cez mikrokontrolér. Noha ovládača nie je schopná utiahnuť silnú záťaž, ale tranzistor áno. Ukazuje sa, že regulátor riadi tranzistor a tranzistor riadi výkonnú záťaž. No, po prvé.

Hlavnou podstatou tohto režimu je, že základný prúd riadi kolektorový prúd. Okrem toho je kolektorový prúd oveľa väčší ako základný prúd. Tu voľným okom vidíte, že dochádza k aktuálnemu zosilneniu signálu. Toto zosilnenie sa vykonáva na úkor energie napájacieho zdroja.

Na obrázku je znázornená schéma činnosti tranzistora v kľúčovom režime.

Pre tranzistorové obvody nehrajú napätia veľkú úlohu, dôležité sú len prúdy. Ak je teda pomer kolektorového prúdu k základnému prúdu menší ako zosilnenie tranzistora, tak je všetko v poriadku.

V tomto prípade, aj keď máme na báze privedené napätie 5 voltov a v kolektorovom obvode 500 voltov, tak sa nič zlé nestane, tranzistor poslušne spína vysokonapäťovú záťaž.

Hlavná vec je, že tieto napätia neprekračujú limitné hodnoty pre konkrétny tranzistor (nastavené v charakteristikách tranzistora).

Pokiaľ vieme, aktuálna hodnota je charakteristikou zaťaženia.

Nepoznáme odpor žiarovky, ale vieme, že prevádzkový prúd žiarovky je 100 mA. Aby sa tranzistor otvoril a zabezpečil tok takého prúdu, je potrebné zvoliť vhodný základný prúd. Základný prúd môžeme upraviť zmenou hodnoty základného odporu.

Pretože minimálna hodnota zosilnenia tranzistora je 10, základný prúd musí byť 10 mA, aby sa tranzistor otvoril.

Prúd, ktorý potrebujeme, je známy. Napätie na rezistore bázy bude Táto hodnota napätia na rezistore sa ukázala z dôvodu, že na prechode báza-emitor ubúda 0,6V-0,7V a na to netreba zabudnúť.

V dôsledku toho môžeme celkom nájsť odpor odporu

Zostáva vybrať konkrétnu hodnotu z množstva odporov a je hotovo.

Teraz si asi myslíte, že tranzistorový spínač bude fungovať tak, ako má? Že keď je základný odpor pripojený na +5 V, kontrolka sa rozsvieti, keď je vypnutá, kontrolka zhasne? Odpoveď môže byť áno alebo nie.

Ide o to, že tu je malá nuansa.

Žiarovka zhasne, keď sa potenciál odporu rovná potenciálu zeme. Ak je odpor jednoducho odpojený od zdroja napätia, potom tu nie je všetko také jednoduché. Napätie na základnom rezistore môže zázračne vzniknúť v dôsledku snímačov alebo iného zla z iného sveta

Aby ste predišli tomuto efektu, postupujte nasledovne. Ďalší odpor Rbe je zapojený medzi bázu a emitor. Tento odpor je vybraný s hodnotou najmenej 10-násobku základného odporu Rb (v našom prípade sme vzali odpor 4,3 kOhm).

Pri pripojení bázy na akékoľvek napätie tranzistor funguje ako má, rezistor Rbe mu neprekáža. Tento odpor spotrebuje iba malú časť základného prúdu.

V prípade, že na základňu nie je privedené žiadne napätie, základňa je vytiahnutá až k zemnému potenciálu, čo nás chráni pred najrôznejšími rušeniami.

Tu sme v zásade zistili činnosť tranzistora v kľúčovom režime a ako ste videli, kľúčovým režimom činnosti je druh zosilnenia signálu napätím. Veď pomocou malého napätia 5V sme ovládali napätie 12V.

sledovač vysielača

Emitorový sledovač je špeciálnym prípadom tranzistorových obvodov so spoločným kolektorom.

Charakteristickým znakom spoločného kolektorového obvodu od obvodu so spoločným emitorom (variant tranzistorového spínača) je, že tento obvod nezosilňuje napäťový signál. To, čo prešlo cez základňu, vyšlo cez emitor s rovnakým napätím.

Skutočne, povedzme, že sme priviedli 10 voltov na základňu, pričom vieme, že na križovatke základňa-emitor je niekde okolo 0,6-0,7V. Ukazuje sa, že výstup (na emitore, pri záťaži Rn) bude mať základné napätie mínus 0,6V.

Ukázalo sa, že 9,4 V, slovom, takmer koľko prišlo a vyšlo. Uistili sme sa, že tento obvod nám nebude zvyšovať signál z hľadiska napätia.

"Aký má potom zmysel zapnúť tranzistor takto?" - pýtate sa. Ale ukazuje sa, že táto schéma má ešte jednu veľmi dôležitú vlastnosť. Tranzistorový spínací obvod so spoločným kolektorom zosilňuje výkonový signál. Výkon je súčinom prúdu a napätia, ale keďže sa napätie nemení, potom výkon sa zvyšuje iba v dôsledku prúdu! Zaťažovací prúd je súčtom základného prúdu plus kolektorového prúdu. Ale ak porovnáme základný prúd a kolektorový prúd, potom je základný prúd v porovnaní s kolektorovým prúdom veľmi malý. Zaťažovací prúd sa rovná kolektorovému prúdu. A výsledkom je tento vzorec.

Teraz si myslím, že je jasné, čo je podstatou obvodu sledovača emitora, ale to nie je všetko.

Emitorový sledovač má ďalšiu veľmi cennú kvalitu - vysokú vstupná impedancia. To znamená, že tento tranzistorový obvod nespotrebováva takmer žiadny vstupný signálový prúd a nezaťažuje obvod zdroja signálu.

Na pochopenie princípu fungovania tranzistora budú tieto dva tranzistorové obvody stačiť. A ak stále experimentujete s spájkovačkou vo svojich rukách, potom vás prehľad jednoducho nenechá čakať, pretože teória je teória a prax a osobná skúsenosť stokrát cennejšie!

Kde kúpiť tranzistory?

Rovnako ako všetky ostatné rádiové komponenty, aj tranzistory sa dajú kúpiť v ktoromkoľvek najbližšom obchode s rádiovými súčiastkami. Ak bývate niekde na periférii a o takýchto obchodoch ste nepočuli (ako ja predtým), tak ostáva posledná možnosť – objednať si tranzistory v internetovom obchode. Sám často objednávam rádiové komponenty prostredníctvom internetových obchodov, pretože v bežnom offline obchode jednoducho niečo nemusí byť.

Ak však zostavujete zariadenie čisto pre seba, nemôžete si urobiť parný kúpeľ, ale získať ho zo starého a takpovediac vdýchnuť nový život starému rádiovému komponentu.

Tak priatelia, to je z mojej strany všetko. Všetko, čo som vám dnes plánoval povedať. Ak máte nejaké otázky, opýtajte sa ich v komentároch, ak nie sú žiadne otázky, píšte komentáre, váš názor je pre mňa vždy dôležitý. Mimochodom, nezabudnite, že každý, kto zanechá komentár prvýkrát, dostane darček.

Nezabudnite sa tiež prihlásiť na odber nových článkov, pretože na vás čaká veľa zaujímavých a užitočných vecí.

Prajem vám veľa šťastia, úspechov a slnečnej nálady!

N/A Vladimír Vasiliev

P.S. Priatelia, nezabudnite sa prihlásiť na odber aktualizácií! Prihlásením sa na odber dostanete nový obsah priamo do vašej schránky! A mimochodom, každý predplatiteľ dostane užitočný darček!

TÉMA 4. BIPOLÁRNE TRANSISTORY

4.1 Konštrukcia a princíp činnosti

Bipolárny tranzistor je polovodičové zariadenie pozostávajúce z troch oblastí so striedajúcimi sa typmi elektrickej vodivosti a je vhodné na zosilnenie výkonu.

V súčasnosti vyrábané bipolárne tranzistory možno klasifikovať podľa nasledujúcich kritérií:

Podľa materiálu: germánium a kremík;

Podľa typu vodivosti oblastí: typ p-n-p a n-p-n;

Podľa výkonu: nízky (Pmax £ 0,3 W), stredný (Pmax £ 1,5 W) a veľká sila(Pmax > 1,5 W);

Podľa frekvencie: nízkofrekvenčné, stredofrekvenčné, vysokofrekvenčné a mikrovlnné.

V bipolárnych tranzistoroch je prúd určený pohybom dvoch typov nosičov náboja: elektrónov a dier (alebo základných a menších). Odtiaľ pochádza ich názov - bipolárne.

V súčasnosti sa vyrábajú a používajú iba tranzistory s rovinnými tranzistormi. p-n- križovatka mi.

Zariadenie planárneho bipolárneho tranzistora je schematicky znázornené na obr. 4.1.

Ide o platničku z germánia alebo kremíka, v ktorej sú vytvorené tri oblasti s rôznou elektrickou vodivosťou. Pre typ tranzistora n-p-n stredné oblasť má dieru a krajné oblasti majú elektrickú elektrickú vodivosť.

Tranzistory typu p-n-p majú strednú oblasť s elektronickou a extrémne oblasti s dierovou elektrickou vodivosťou.

Stredná oblasť tranzistora sa nazýva báza, jedna krajná oblasť je emitor, druhá je kolektor. Tranzistor má teda dva p-n-prechody: emitor - medzi emitorom a základňou a kolektor - medzi základňou a kolektorom. Oblasť spojenia emitora je menšia ako oblasť spojenia kolektora.

Emitor je oblasť tranzistora, ktorej účelom je vstreknúť nosiče náboja do základne. Kolektor je oblasť, ktorej účelom je extrahovať nosiče náboja zo základne. Báza je oblasť, do ktorej emitor vstrekuje nosiče náboja, ktoré sú pre túto oblasť menšie.

Koncentrácia majoritných nosičov náboja v žiariči je mnohonásobne väčšia ako koncentrácia majoritných nosičov náboja v báze a ich koncentrácia v kolektore je o niečo menšia ako koncentrácia v žiariči. Preto je vodivosť emitora o niekoľko rádov vyššia ako vodivosť základne a vodivosť kolektora je o niečo menšia ako vodivosť emitora.

Závery sú vyvodené zo základne, žiariča a kolektora. V závislosti od toho, ktorý zo záverov je spoločný pre vstupné a výstupné obvody, existujú tri tranzistorové spínacie obvody: so spoločnou bázou (OB), spoločným emitorom (OE), spoločným kolektorom (OK).

Vstupný alebo riadiaci obvod sa používa na riadenie činnosti tranzistora. Vo výstupnom alebo riadenom obvode sa získajú zvýšené oscilácie. Zdroj zosilnených kmitov je pripojený k vstupnému obvodu a záťaž je pripojená k výstupnému obvodu.

Zvážte princíp činnosti tranzistora na príklade tranzistora typu p-n-p zapojeného podľa spoločného základného obvodu (obr. 4.2).

Obrázok 4.2 - Princíp činnosti bipolárneho tranzistora (typ p-n-p)

Vonkajšie napätia dvoch zdrojov energie EE a Ek sú pripojené k tranzistoru tak, že prechod P1 emitoru je predpätý v priepustnom smere (napätie vpred) a prechod kolektora P2 je predpätý v opačnom smere (spätné napätie ).

Ak je na prechod kolektora privedené spätné napätie a obvod emitora je otvorený, potom v obvode kolektora preteká malý spätný prúd Iko (jednotky mikroampérov). Tento prúd vzniká pôsobením spätného napätia a vzniká smerovým pohybom menšinových nosičov náboja základných otvorov a kolektorových elektrónov cez kolektorový prechod. Obvodom preteká spätný prúd: +Ek, základňa-kolektor, −Ek. Veľkosť spätného prúdu kolektora nezávisí od napätia kolektora, ale závisí od teploty polovodiča.

Keď je do emitorového obvodu v priepustnom smere pripojené konštantné napätie EE, potenciálna bariéra emitorového prechodu klesá. Začína sa vstrekovanie (injektovanie) otvorov do základne.

Ukázalo sa, že vonkajšie napätie aplikované na tranzistor je aplikované hlavne na prechody P1 a P2, pretože majú vysoký odpor v porovnaní s odporom oblasti bázy, emitora a kolektora. Preto sa v ňom diery vstrekované do základne pohybujú pomocou difúzie. V tomto prípade sa diery rekombinujú so základnými elektrónmi. Keďže koncentrácia nosičov v základni je oveľa menšia ako v žiariči, rekombinuje sa len veľmi málo otvorov. Pri malej hrúbke základne takmer všetky otvory dosiahnu spoj kolektora P2. Rekombinované elektróny sú nahradené elektrónmi zo zdroja energie Ek. Diery, ktoré sa rekombinujú s elektrónmi v základni, vytvárajú základný prúd IB.

Pôsobením spätného napätia Ek sa potenciálna bariéra kolektorového prechodu zvyšuje a hrúbka prechodu P2 sa zvyšuje. Potenciálna bariéra kolektorovej križovatky však nebráni priechodu otvorov cez ňu. Otvory, ktoré vstupujú do oblasti kolektorového prechodu, spadajú do silného urýchľovacieho poľa vytvoreného na prechode kolektorovým napätím a sú extrahované (vťahované) kolektorom, čím vzniká kolektorový prúd Ik. Kolektorový prúd preteká obvodom: + Ek, základňa-kolektor, -Ek.

V tranzistore teda tečú tri prúdy: prúd emitora, kolektora a bázy.

V drôte, ktorý je výstupom základne, prúdy emitora a kolektora smerujú opačne. Preto sa základný prúd rovná rozdielu medzi prúdom emitora a kolektora: IB \u003d IE - IK.

Fyzikálne procesy v tranzistore typu n-p-n postupovať podobne ako procesy v p-n-p tranzistore.

Celkový prúd IE emitora je určený počtom hlavných nosičov náboja vstreknutých emitorom. Hlavná časť týchto nosičov náboja, dosahujúca kolektor, vytvára kolektorový prúd Ik. Nepodstatná časť nosičov náboja vstreknutých do bázy sa v báze rekombinuje a vytvára bázový prúd IB. Preto bude prúd emitoru rozdelený na prúd bázy a kolektora, t.j. IE \u003d IB + Ik.

Emitorový prúd je vstupný prúd, kolektorový prúd je výstupný. Výstupný prúd je súčasťou vstupu, t.j.

(4.1)

kde a je koeficient prenosu prúdu pre obvod OB;

Pretože výstupný prúd je menší ako vstupný prúd, koeficient a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

V obvode so spoločným emitorom je výstupný prúd kolektorový prúd a vstupný prúd je základný prúd. Aktuálny zisk pre obvod OE:

(4.2) (4.3)

V dôsledku toho je prúdový zisk pre obvod OE desiatky jednotiek.

Výstupný prúd tranzistora závisí od vstupného prúdu. Preto je tranzistor prúdovo riadené zariadenie.

Zmeny prúdu emitora spôsobené zmenou napätia prechodu emitora sa plne prenesú do kolektorového obvodu, čo spôsobí zmenu kolektorového prúdu. A odvtedy napätie zdroja energie kolektora Ek je oveľa väčšie ako napätie emitora Ee, potom výkon spotrebovaný v obvode kolektora Pk bude oveľa väčší ako výkon v obvode emitora Re. Tak je možné riadiť veľký výkon v kolektorovom obvode tranzistora s malým výkonom vynaloženým v emitorovom obvode, t.j. dochádza k zvýšeniu výkonu.

4.2 Schémy zapínania bipolárnych tranzistorov

Tranzistor je zapojený do elektrického obvodu tak, že jedna z jeho svoriek (elektróda) ​​je vstupná, druhá je výstupná a tretia je spoločná pre vstupné a výstupné obvody. V závislosti od toho, ktorá elektróda je spoločná, existujú tri tranzistorové spínacie obvody: OB, OE a OK. Tieto obvody pre p-n-p tranzistor sú znázornené na obr. 4.3. Pre n-p-n tranzistor sa v spínacích obvodoch mení iba polarita napätí a smer prúdov. Pre každý tranzistorový spínací obvod (v aktívnom režime) je potrebné zvoliť polaritu zapínania zdrojov tak, aby bol prechod emitoru zapnutý v smere dopredu a prechod kolektora bol zapnutý v opačnom smere.

Obrázok 4.3 - Schémy zapínania bipolárnych tranzistorov: a) O; b) OE; c) OK

4.3 Statické charakteristiky bipolárnych tranzistorov

Statický režim činnosti tranzistora je režim, keď vo výstupnom obvode nie je žiadna záťaž.

Statické charakteristiky tranzistorov nazývame graficky vyjadrené závislosti napätia a prúdu vstupného obvodu (input VAC) a výstupného obvodu (output VAC). Typ charakteristík závisí od spôsobu zapnutia tranzistora.

4.3.1 Charakteristika tranzistora zapojeného podľa obvodu OB

IE \u003d f (UEB) s UKB \u003d const (obr. 4.4, a).

IK \u003d f (UKB) s IE \u003d const (obr. 4.4, b).

Obrázok 4.4 - Statická charakteristika bipolárneho tranzistora zapojeného podľa obvodu OB

Výstupné I–V charakteristiky majú tri charakteristické oblasti: 1 – silná závislosť Ik od UKB (nelineárna počiatočná oblasť); 2 – slabá závislosť Ik od UKB (lineárny región); 3 - rozpad kolektorovej križovatky.

Charakteristickým znakom charakteristík v oblasti 2 je ich mierny nárast so zvyšujúcim sa napätím UKB.

4.3.2 Charakteristika tranzistora zapojeného podľa schémy OE:

Vstupnou charakteristikou je závislosť:

IB \u003d f (UBE) s UKE \u003d const (obr. 4.5, b).

Výstupná charakteristika je závislosť:

IK \u003d f (UKE) s IB \u003d const (obr. 4.5, a).

Obrázok 4.5 - Statická charakteristika bipolárneho tranzistora zapojeného podľa OE obvodu

Tranzistor v OE obvode poskytuje prúdový zisk. Prúdové zosilnenie v obvode OE:

Ak koeficient a pre tranzistory a = 0,9¸0,99, potom koeficient b = 9¸99. Toto je najdôležitejšia výhoda zapínania tranzistora podľa obvodu OE, čo predurčuje najmä širšie praktické uplatnenie tohto spínacieho obvodu v porovnaní s obvodom OB.

Z princípu činnosti tranzistora je známe, že cez svorku bázy tečú v opačnom smere dve zložky prúdu (obr. 4.6): spätný prúd kolektorového prechodu IKO a časť prúdu emitoru (1 - a). IE. V tomto smere je nulová hodnota základného prúdu (IB = 0) určená rovnosťou indikovaných zložiek prúdov, t.j. (1 − a)IE = IKO. Nulový vstupný prúd zodpovedá prúdu emitora IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO a prúdu kolektora

. Inými slovami, pri nulovom základnom prúde (IB \u003d 0) prúdi cez tranzistor v obvode OE prúd, ktorý sa nazýva počiatočný alebo priechodný prúd IKO (E) a rovná sa (1 + b) IKO.

Obrázok 4.6 - Spínací obvod pre tranzistor so spoločným emitorom (OE obvod)

4.4 Základné parametre

Na analýzu a výpočet obvodov s bipolárnymi tranzistormi sa používajú tzv. h - parametre tranzistora zapojeného podľa OE obvodu.

Elektrický stav tranzistora zapojeného podľa obvodu OE je charakterizovaný hodnotami IB, IBE, IK, UKE.

Systém h - parametrov zahŕňa tieto veličiny:

1. Vstupná impedancia

h11 = DU1/DI1 s U2 = konšt. (4.4)

predstavuje odpor tranzistora voči striedavému vstupnému prúdu, pri ktorom dôjde ku skratu na výstupe, t.j. pri absencii výstupného striedavého napätia.

2. Faktor spätnej väzby napätia:

h12 = DU1/DU2 s I1= konšt. (4,5)

ukazuje, aký podiel vstupného striedavého napätia sa prenáša na vstup tranzistora v dôsledku spätnej väzby v ňom.

3. Súčiniteľ súčasnej sily (súčiniteľ prenosu prúdu):

h21 = DI2/DI1 s U2= konšt. (4.6)

zobrazuje AC zosilnenie tranzistora v režime bez zaťaženia.

4. Výstupná vodivosť:

h22 = DI2/DU2 s I1 = konšt. (4.7)

predstavuje AC vodivosť medzi výstupnými svorkami tranzistora.

Výstupný odpor Rout = 1/h22.

Pre obvod so spoločným emitorom platia nasledujúce rovnice:

(4.8)

Aby sa zabránilo prehriatiu kolektorovej križovatky, je potrebné, aby sila uvoľnená v nej pri prechode kolektorového prúdu neprekročila určitú maximálnu hodnotu:

(4.9)

Okrem toho existujú obmedzenia týkajúce sa napätia kolektora:

a kolektorový prúd:

4.5 Prevádzkové režimy bipolárnych tranzistorov

Tranzistor môže pracovať v troch režimoch v závislosti od napätia na jeho prechodoch. Pri prevádzke v aktívnom režime je napätie priame na prechode emitora a reverzné na prechode kolektora.

Režim cutoff alebo blokovanie sa dosiahne privedením spätného napätia na oba prechody (oba p-n-prechody sú uzavreté).

Ak je napätie priame na oboch prechodoch (oba p-n-prechody sú otvorené), potom tranzistor pracuje v režime saturácie.

V režime cutoff a saturation neexistuje takmer žiadne ovládanie tranzistora. V aktívnom režime sa takéto riadenie vykonáva najefektívnejšie a tranzistor môže vykonávať funkcie aktívneho prvku elektrického obvodu (zosilnenie, generovanie atď.).

4.6 Rozsah pôsobnosti

Bipolárne tranzistory sú polovodičové zariadenia na univerzálne použitie a sú široko používané v rôznych zosilňovačoch, generátoroch, impulzných a kľúčových zariadeniach.

4.7 Najjednoduchší zosilňovací stupeň na bipolárnom tranzistore

Najväčšie uplatnenie nachádza obvod spínania tranzistorov podľa obvodu so spoločným emitorom (obr. 4.7)

Hlavnými prvkami obvodu sú napájací zdroj Ek, riadeným prvkom je tranzistor VT a odpor Rk. Tieto prvky tvoria hlavný (výstupný) obvod zosilňovacieho stupňa, v ktorom v dôsledku toku riadeného prúdu vzniká na výstupe obvodu zosilnené striedavé napätie.

Zvyšné prvky zohrávajú podpornú úlohu. Kondenzátor Cp sa oddeľuje. Pri absencii tohto kondenzátora by sa v obvode zdroja vstupného signálu vytvoril jednosmerný prúd zo zdroja Ek.

Obrázok 4.7 - Schéma najjednoduchšieho zosilňovacieho stupňa na bipolárnom tranzistore podľa obvodu so spoločným emitorom

Rezistor RB, zaradený do základného obvodu, zabezpečuje činnosť tranzistora v kľudovom režime, t.j. pri absencii vstupného signálu. Kľudový režim zabezpečuje kľudový prúd IB » Ek/RB.

Pomocou rezistora Rk sa vytvorí výstupné napätie, t.j. Rk vykonáva funkciu vytvárania meniaceho sa napätia vo výstupnom obvode v dôsledku toku prúdu v ňom, riadeného základným obvodom.

Pre kolektorový obvod zosilňovacieho stupňa možno napísať nasledujúcu rovnicu elektrického stavu:

Ek \u003d Uke + IkRk, (4.10)

t.j. súčet poklesu napätia na rezistore Rk a napätia kolektor-emitor Uke tranzistora sa vždy rovná konštantnej hodnote - EMF zdroja Ek.

Proces zosilnenia je založený na premene energie zdroja konštantného napätia Ek na energiu striedavého napätia vo výstupnom obvode v dôsledku zmeny odporu riadeného prvku (tranzistora) podľa zákona určeného vstupom. signál.

Pri privedení striedavého napätia uin na vstup zosilňovacieho stupňa vznikne v základnom obvode tranzistora striedavá zložka IB ~, čo znamená, že sa zmení prúd bázy. Zmena základného prúdu vedie k zmene hodnoty kolektorového prúdu (IK = bIB), a tým k zmene hodnôt napätí na odpore Rk a Uke. Zosilňovacie schopnosti sú spôsobené tým, že zmena hodnôt kolektorového prúdu je b-krát väčšia ako základný prúd.

4.8 Výpočet elektrických obvodov s bipolárnymi tranzistormi

Pre kolektorový obvod zosilňovacieho stupňa (obr. 4.7) v súlade s druhým Kirchhoffovým zákonom platí rovnica (4.10).

Voltampérová charakteristika kolektorového odporu RK je lineárna a voltampérová charakteristika tranzistora sú nelineárne kolektorové charakteristiky tranzistora (obr. 4.5, a) zapojeného podľa obvodu OE.

Výpočet takéhoto nelineárneho obvodu, t.j. určenie IK, URK a UKE pre rôzne hodnoty základných prúdov IB a odporu rezistora RK, je možné vykonať graficky. Aby ste to dosiahli, na skupine charakteristík kolektora (obr. 4.5, a) je potrebné nakresliť z bodu EK na vodorovnej osi volty - prúdovú charakteristiku odporu RK, ktorá spĺňa rovnicu:

Uke \u003d Ek - RkIk. (4.11)

Táto charakteristika je postavená na dvoch bodoch:

Uke =Ek pri Ik = 0 na osi x a Ik = Ek/Rk pri Uke = 0 na osi y. CVC takto skonštruovaného kolektorového odporu Rk sa nazýva záťažová čiara. Jeho priesečníky s charakteristikou kolektora dávajú grafické riešenie rovnice (4.11) pre daný odpor Rk a rôzne hodnoty základného prúdu IB. Tieto body je možné použiť na určenie kolektorového prúdu Ik, ktorý je rovnaký pre tranzistor a rezistor Rk, ako aj napätie UKE a URK.

Priesečník záťažovej čiary s jednou zo statických IV charakteristík sa nazýva pracovný bod tranzistora. Zmenou IB ho môžete posúvať pozdĺž čiary zaťaženia. Počiatočná poloha tohto bodu pri absencii vstupného premenného signálu sa nazýva pokojový bod − Т0.

a) b)

Obrázok 4.8 - Grafoanalytický výpočet pracovného režimu tranzistora pomocou výstupných a vstupných charakteristík.

Pokojový bod (pracovný bod) T0 určuje aktuálny IKP a napätie UKEP v pokojovom režime. Z týchto hodnôt môžete zistiť výkon RCP uvoľneného v tranzistore v pokojovom režime, ktorý by nemal prekročiť maximálny výkon PK max, čo je jeden z parametrov tranzistora:

RKP = IKP ×UKEP € RK max. (4.12)

Referenčné knihy zvyčajne neposkytujú skupinu vstupných charakteristík, ale iba charakteristiky pre UKE = 0 a pre niektoré UKE > 0.

Vstupné charakteristiky pre rôzne UKE presahujúce 1V sú veľmi blízko seba. Preto je možné výpočet vstupných prúdov a napätí približne vykonať podľa vstupnej charakteristiky pre UKE > 0, prevzatej z referenčnej knihy.

Do tejto krivky sa prenesú body A, To a B. prevádzková charakteristika a získajú sa body A1, T1 a B1 (obr. 4.8, b). Pracovný bod T1 určuje konštantné napätie bázy UBEP a priamy prúd základne IBP.

Odpor rezistora RB (zabezpečuje činnosť tranzistora v pokojovom režime), cez ktorý bude zo zdroja EK privádzané konštantné napätie do základne:

(4.13)

V aktívnom (zosilňovacom) režime sa pokojový bod tranzistora To nachádza približne v strede úseku záťažového vedenia AB a pracovný bod nepresahuje úsek AB.

Strana 1 z 2

Zariadenie a princíp činnosti bipolárneho tranzistora

Bipolárny tranzistor je polovodičové zariadenie, ktoré má dva prechody elektrón-diera vytvorené v jednom polovodičovom monokryštáli. Tieto prechody tvoria tri oblasti v polovodiči s rôzne druhy vodivosť. Jedna krajná oblasť sa nazýva emitor (E), druhá sa nazýva kolektor (K), stredná oblasť sa nazýva báza (B). Kovové vodiče sú prispájkované ku každej oblasti, aby sa zapol tranzistor v elektrickom obvode.
Elektrická vodivosť žiariča a kolektora je opačná k elektrickej vodivosti bázy. V závislosti od poradia striedania p- a n-oblastí sa rozlišujú tranzistory p-n-p štruktúra a n-p-n. Podmienené grafické symboly tranzistory p-n-p a n-p-n sa líšia len v smere šípky pri elektróde označujúcej žiarič.

Princíp činnosti tranzistorov p-n-p a n-p-n je rovnaký, takže v budúcnosti budeme uvažovať iba o činnosti tranzistora so štruktúrou p-n-p.
Prechod elektrón-diera tvorený emitorom a bázou sa nazýva prechod emitor a kolektor a báza sa nazýva kolektor kolektor. Vzdialenosť medzi prechodmi je veľmi malá: pre vysokofrekvenčné tranzistory je menšia ako 10 mikrometrov (1 μm = 0,001 mm) a pre nízkofrekvenčné tranzistory nepresahuje 50 μm.
Keď je tranzistor v prevádzke, jeho spoje prijímajú externé napätie zo zdroja energie. V závislosti od polarity týchto napätí môže byť každý prechod zapojený v smere dopredu aj dozadu. Existujú tri režimy činnosti tranzistora: 1) režim vypnutia - oba prechody, a teda tranzistor je úplne uzavretý; 2) režim nasýtenia - tranzistor je úplne otvorený; 3) aktívny režim je režim medzi prvými dvoma. Režimy cutoff a saturation sa používajú spoločne v kľúčových fázach, keď je tranzistor striedavo buď úplne otvorený, alebo úplne uzamknutý s frekvenciou impulzov vstupujúcich do jeho bázy. Kaskády pracujúce v kľúčovom režime sa používajú v impulzných obvodoch (spínané zdroje, horizontálne snímacie koncové stupne TV a pod.). Čiastočne v režime cutoff môžu fungovať koncové stupne výkonových zosilňovačov.
Tranzistory sa najčastejšie používajú v aktívnom režime. Tento režim je určený privedením malého napätia na bázu tranzistora, ktoré sa nazýva predpätie (pozri U) Tranzistor sa mierne otvorí a jeho prechodmi začne pretekať prúd. Princíp činnosti tranzistora je založený na skutočnosti, že relatívne malý prúd pretekajúci prechodom emitoru (základný prúd) poháňa väčší prúd v kolektorovom obvode. Emitorový prúd je súčtom základných a kolektorových prúdov.

Prevádzkové režimy bipolárneho tranzistora

Režim cutoff tranzistor sa získa, keď sú p-n prechody emitoru a kolektora pripojené k vonkajším zdrojom v opačnom smere. V tomto prípade cez oba p-n prechody pretekajú veľmi malé reverzné emitorové prúdy ( ja EBO) a zberateľ ( I KBO). Základný prúd sa rovná súčtu týchto prúdov a v závislosti od typu tranzistora sa pohybuje od jednotiek mikroampérov - μA (pre kremíkové tranzistory) až po jednotky miliampérov - mA (pre germániové tranzistory).

Ak sú p-n prechody emitoru a kolektora pripojené k externým zdrojom v priepustnom smere, tranzistor bude v saturačný režim . difúzia elektrické pole prechody emitoru a kolektora budú čiastočne utlmené elektrickým poľom vytvoreným externými zdrojmi U EB A U KB. V dôsledku toho sa potenciálna bariéra, ktorá obmedzuje difúziu hlavných nosičov náboja, zníži a začne sa prenikanie (injektovanie) otvorov z emitora a kolektora do základne, to znamená, že cez emitor a kolektor budú pretekať prúdy. tranzistor, nazývaný saturačné prúdy emitora ( ja e.us) a zberateľ ( Ja K.us).

Používa sa na zosilnenie signálov aktívny režim tranzistora .
Keď je tranzistor v aktívnom režime, jeho emitorový prechod je zapnutý v smere dopredu a kolektorový prechod je zapnutý v opačnom smere.

Pod jednosmerným napätím UEB otvory sa vstrekujú z žiariča do základne. Akonáhle sú v základni typu n, diery sa v nej stávajú menšími nosičmi náboja a pôsobením difúznych síl sa pohybujú (difundujú) ku kolektorovému p-n prechodu. Časť otvorov v základni sa vyplní (rekombinuje) voľnými elektrónmi v nej prítomnými. Šírka základne je však malá, od niekoľkých jednotiek do 10 μm. Preto hlavná časť otvorov dosiahne kolektor p-n prechod a je prenášaná do kolektora jeho elektrickým poľom. Je jasné, že kolektorový prúd ja K p nemôže byť viac ako prúd emitora, pretože niektoré otvory sa v základni rekombinujú. Preto ja Kp = h 21B ja uh
Hodnota h 21B sa nazýva koeficient prenosu statického prúdu emitora. Pre moderné tranzistory h 21B= 0,90...0,998. Pretože kolektorový prechod je obrátený (často sa hovorí, že je spätne predpätý), preteká ním aj spätný prúd. ja KBO , tvorené menšinovými nosičmi bázy (diery) a kolektora (elektróny). Preto celkový kolektorový prúd tranzistora zapojeného podľa spoločného základného obvodu

jaKomu = h 21B ja uh + jaKBO
Otvory, ktoré nedosiahli spoj kolektora a rekombinované (vyplnené) v základni, mu dávajú kladný náboj. Na obnovenie elektrickej neutrality bázy sa do nej dostane rovnaký počet elektrónov z vonkajšieho obvodu. Pohyb elektrónov z vonkajšieho obvodu do bázy v ňom vytvára rekombinačný prúd I B.rec. Okrem rekombinačného prúdu preteká základňou spätný kolektorový prúd v opačnom smere a celkový prúd základne
I B \u003d I B. rieka - I KBO
V aktívnom režime je základný prúd desaťkrát a stokrát menší ako prúd kolektora a prúd emitora.

Spínacie obvody bipolárnych tranzistorov

V predchádzajúcom diagrame elektrický obvod, tvorený zdrojom U EB, emitor a báza tranzistora sa nazýva vstup a obvod tvorený zdrojom U KB, kolektor a báza toho istého tranzistora - výstup. Báza je spoločná elektróda tranzistora pre vstupné a výstupné obvody, takže toto zahrnutie sa nazýva spoločný základný obvod alebo skrátene „schéma OB“.

Nasledujúci obrázok znázorňuje obvod, v ktorom je spoločnou elektródou pre vstupný a výstupný obvod emitor. Ide o spínací obvod so spoločným emitorom alebo skrátene "OE schéma".

V ňom je výstupný prúd, rovnako ako v obvode OB, kolektorový prúd ja K, mierne odlišný od prúdu emitora ja e a vstupom je základný prúd ja B, oveľa menej ako kolektorový prúd. Vzťah medzi prúdmi ja B A ja K v schéme OE je určená rovnicou: ja K= h 21 E ja B + ja KEO
Faktor proporcionality h 21 E sa nazýva koeficient prenosu statického prúdu bázy. Dá sa vyjadriť ako koeficient prenosu statického prúdu žiariča h 21B
h 21 E = h 21B / (1 —h 21B )
Ak h 21B je v rozmedzí 0,9 ... 0,998, zodpovedajúce hodnoty h 21 E bude v priebehu 9...499.
Komponent ja keo sa v obvode OE nazýva spätný kolektorový prúd. Jeho hodnota je 1+ h 21 E krát viac ako ja KBO, t.j. ja QEO = (1+ h 21 E ) ja KBO. Reverzné prúdy ja KBO a ja FEC nezávisí od vstupného napätia U EB A U BE a v dôsledku toho sa nazývajú nekontrolované zložky kolektorového prúdu. Tieto prúdy sú veľmi závislé od teploty. životné prostredie a určiť tepelné vlastnosti tranzistora. Je stanovené, že hodnota spätného prúdu ja TBE sa zdvojnásobí, keď sa teplota zvýši o 10 °C pre germániové tranzistory a o 8 °C pre kremíkové tranzistory. V obvode OE sa mení teplota nekontrolovaného spätného prúdu ja KEO môže prekročiť teplotné zmeny nekontrolovaného spätného prúdu desaťkrát a stokrát ja OBE a úplne narušia činnosť tranzistora. Preto sa v tranzistorových obvodoch používajú špeciálne opatrenia na tepelnú stabilizáciu tranzistorových kaskád, ktoré pomáhajú znižovať vplyv teplotných zmien v prúdoch na činnosť tranzistora.
V praxi sa často vyskytujú obvody, v ktorých je spoločnou elektródou pre vstupné a výstupné obvody tranzistora kolektor. Ide o spoločný kolektorový okruh, príp "OK okruh" (sledovač vysielača) .

Bez ohľadu na spínací obvod tranzistora vždy platí rovnica týkajúca sa prúdov jeho elektród:
I e \u003d I k + I B.

Porovnávacie hodnotenie spínacích obvodov pre bipolárne tranzistory

K I- aktuálny zisk

K U- zosilnenie napätia

KP- zisk moci

Možno je dnes ťažké predstaviť si moderný svet bez tranzistorov, takmer v akejkoľvek elektronike, od rádií a televízorov až po autá, telefóny a počítače, tak či onak sa používajú.

Existujú dva typy tranzistorov: bipolárne A lúka. Bipolárne tranzistory sú riadené prúdom, nie napätím. Existujú výkonné a nízkovýkonové, vysokofrekvenčné a nízkofrekvenčné, p-n-p a n-p-n štruktúr... Tranzistory sa dodávajú v rôznych baleniach a veľkostiach, od čipov SMD (v skutočnosti sú oveľa menšie ako čip), ktoré sú určené na povrchovú montáž, až po veľmi výkonné tranzistory. Podľa rozptýleného výkonu sa rozlišujú nízkovýkonové tranzistory do 100 mW, stredný výkon od 0,1 do 1 W a výkonné tranzistory nad 1 W.

Keď hovoríme o tranzistoroch, zvyčajne znamenajú bipolárne tranzistory. Bipolárne tranzistory sú vyrobené z kremíka alebo germánia. Nazývajú sa bipolárne, pretože ich práca je založená na použití elektrónov a dier ako nosičov náboja. Tranzistory na obvodoch sú označené nasledovne:

Jedna z extrémnych oblastí tranzistorovej štruktúry sa nazýva emitor. Stredná oblasť sa nazýva základňa a druhý extrém sa nazýva kolektor. Tieto tri elektródy tvoria dve p-n križovatka: medzi základňou a kolektorom - kolektorom a medzi základňou a žiaričom - žiaričom. Rovnako ako konvenčný spínač, tranzistor môže byť v dvoch stavoch - "zapnutý" a "vypnutý". To však neznamená, že majú pohyblivé alebo mechanické časti, vypínajú sa pomocou elektrických signálov.

Tranzistory sú určené na zosilnenie, konverziu a generovanie elektrických oscilácií. Činnosť tranzistora môže byť znázornená na príklade vodovodného systému. Predstavte si vodovodnú batériu v kúpeľni, jedna tranzistorová elektróda je rúrka ku kohútiku (kohútik), druhá (druhá) je rúrka za kohútikom, kde vyteká voda a tretia riadiaca elektróda je len kohútik, s ktorým budeme zapnite vodu.
Tranzistor si môžeme predstaviť ako dve diódy zapojené do série, v prípade NPN sú anódy spojené dohromady a v prípade PNP sú spojené katódy.

Rozlišujte medzi PNP a NPN tranzistormi, PNP tranzistory sa otvárajú s napätím so zápornou polaritou, NPN s kladnou polaritou. V tranzistoroch NPN sú hlavnými nosičmi náboja elektróny a v dierach PNP, ktoré sú menej mobilné, sa tranzistory NPN spínajú rýchlejšie.

Uke = napätie kolektor-emitor
Ube = napätie báza-emitor
Ic = kolektorový prúd
Ib = základný prúd

V závislosti od stavov, v ktorých sa nachádzajú prechody tranzistora, sa rozlišujú režimy jeho činnosti. Keďže tranzistor má dva prechody (emitor a kolektor) a každý z nich môže byť v dvoch stavoch: 1) otvorený 2) zatvorený. Existujú štyri režimy činnosti tranzistora. Hlavným režimom je aktívny režim, v ktorom je kolektorový prechod v uzavretom stave a emitorový prechod je v otvorenom stave. Tranzistory pracujúce v aktívnom režime sa používajú v zosilňovacích obvodoch. Okrem aktívneho existuje inverzný režim, v ktorom je prechod emitoru uzavretý a prechod kolektora je otvorený, režim saturácie, v ktorom sú oba prechody otvorené, a režim cut-off, v ktorom sú oba prechody uzavreté. .

Keď tranzistor pracuje s vysokofrekvenčnými signálmi, čas hlavných procesov (čas pohybu nosičov od emitora ku kolektoru) je úmerný perióde zmeny vstupného signálu. V dôsledku toho sa schopnosť tranzistora zosilňovať elektrické signály so zvyšujúcou sa frekvenciou zhoršuje.

Niektoré parametre bipolárnych tranzistorov

Konštantný/impulzný kolektor napätia - emitor.
Kolektor konštantného napätia - základňa.
Emitor konštantného napätia - základňa.
Limitná frekvencia základného prenosového pomeru
Priamy/pulzný kolektorový prúd.
Aktuálny prevodný pomer
Maximálny povolený prúd
Vstupná impedancia
Rozptýlený výkon.
teplota p-n prechodu.
Teplota okolia atď...

Hraničné napätie Ukeo gr. je maximálne povolené napätie medzi kolektorom a emitorom, s otvoreným obvodom základne a kolektorovým prúdom. Napätie na kolektore je menšie ako Ukeo gr. charakteristika pulzných prevádzkových režimov tranzistora pri prúdoch báz iných ako nula a im zodpovedajúcich základných prúdoch (napr. npn tranzistory základný prúd>0 a pre p-n-p naopak, Ib<0).

Bipolárne tranzistory možno klasifikovať ako unijunkčné tranzistory, ako je napríklad KT117. Takýto tranzistor je trojelektródové polovodičové zariadenie s jedným p-n prechodom. Unijunkčný tranzistor pozostáva z dvoch báz a žiariča.

V poslednej dobe sa v obvodoch často používajú kompozitné tranzistory, nazývajú sa párové alebo Darlingtonove tranzistory, majú veľmi vysoký koeficient prenosu prúdu, skladajú sa z dvoch alebo viacerých bipolárnych tranzistorov, ale vyrábajú sa aj hotové tranzistory v jednom balení, taký je napríklad TIP140. Zapínajú sa so spoločným kolektorom, ak pripojíte dva tranzistory, budú fungovať ako jeden, zahrnutie je znázornené na obrázku nižšie. Použitie zaťažovacieho odporu R1 umožňuje zlepšiť niektoré charakteristiky kompozitného tranzistora.

Niektoré nevýhody kompozitného tranzistora: nízky výkon, najmä prechod z otvoreného do zatvoreného. Pokles napätia v priepustnom smere na prechode báza-emitor je takmer dvojnásobný v porovnaní s konvenčným tranzistorom. No, samozrejme, potrebujete viac miesta na doske.

Kontrola bipolárnych tranzistorov

Keďže tranzistor pozostáva z dvoch prechodov, z ktorých každý je polovodičová dióda, môžete tranzistor otestovať rovnakým spôsobom ako diódu. Tranzistor sa zvyčajne kontroluje ohmmetrom, kontrolujú sa oba p-n prechody tranzistora: kolektor - báza a emitor - báza. Na kontrolu priameho odporu tranzistorových prechodov p-n-p je záporná svorka ohmmetra pripojená k základni a kladná svorka ohmmetra je zase pripojená ku kolektoru a emitoru. Na kontrolu spätného odporu prechodov je kladná svorka ohmmetra pripojená k základni. Pri kontrole n-p-n tranzistorov sa zapojenie vykoná naopak: priamy odpor sa meria pri pripojení k základni kladnej svorky ohmmetra a spätný odpor sa meria pri pripojení k základni zápornej svorky. Tranzistory je možné volať aj digitálnym multimetrom v režime kontinuity diódy. Pre NPN pripojíme červenú sondu zariadenia "+" k báze tranzistora a striedavo sa dotýkame čiernej sondy "-" kolektora a emitora. Zariadenie by malo vykazovať určitý odpor, približne od 600 do 1200. Potom zmeníme polaritu pripojenia sond, v tomto prípade by zariadenie nemalo ukazovať nič. Pre štruktúru PNP bude poradie overovania obrátené.

Chcem povedať pár slov o MOSFET tranzistoroch (kov-oxid-polovodičový tranzistor s efektom poľa), (Metal Oxide Semiconductor (MOS)) - to sú tranzistory s efektom poľa, ktoré si nemožno zamieňať s obyčajnými tranzistormi s efektom poľa! Tranzistory s efektom poľa majú tri vývody: G - gate, D - drain, S - source. Existuje kanál N a P, v označení týchto tranzistorov je Schottkyho dióda, prechádza prúdom zo zdroja do kolektora a obmedzuje napätie medzi kolektorom a zdrojom.

Používajú sa hlavne na spínanie vysokých prúdov, sú riadené nie prúdom, ako bipolárne tranzistory, ale napätím a spravidla majú veľmi nízky odpor otvoreného kanála, odpor kanála je konštantný a nezávisí od prúdu. MOSFET tranzistory sú špeciálne navrhnuté pre kľúčové obvody, dá sa povedať ako náhrada relé, ale v niektorých prípadoch môžu byť aj zosilnené, používajú sa vo výkonných nízkofrekvenčných zosilňovačoch.

Výhody týchto tranzistorov sú nasledovné:
Minimálny výkon pohonu a vysoký prúdový zisk
Lepší výkon, napríklad vyššia rýchlosť prepínania.
Odolné voči veľkým napäťovým impulzom.
Obvody využívajúce takéto tranzistory sú zvyčajne jednoduchšie.

mínusy:
Sú drahšie ako bipolárne tranzistory.
Strach zo statickej elektriny.
Najčastejšie sa N-kanálové MOSFETy používajú na spínanie výkonových obvodov. Riadiace napätie musí prekročiť hranicu 4V, vo všeobecnosti je na spoľahlivé zapnutie MOSFET potrebných 10-12V. Riadiace napätie je napätie aplikované medzi bránou a zdrojom na zapnutie MOSFET.

Hodnoty väčšiny parametrov tranzistora závisia od aktuálneho prevádzkového režimu a teploty a so zvyšujúcou sa teplotou sa môžu parametre tranzistora meniť. Referenčná kniha obsahuje spravidla typické (spriemerované) závislosti parametrov tranzistora od prúdu, napätia, teploty, frekvencie atď.

Na zabezpečenie spoľahlivej prevádzky tranzistorov je potrebné prijať opatrenia, ktoré vylúčia dlhodobé elektrické zaťaženie blízke maximálnym prípustným, napríklad sa neoplatí nahradiť tranzistor podobným, ale nižším výkonom, to platí nielen pre výkon , ale aj na iné parametre tranzistora. V niektorých prípadoch na zvýšenie výkonu môžu byť tranzistory zapojené paralelne, keď je emitor pripojený k emitoru, kolektor ku kolektoru a báza k základni. Preťaženia môžu byť spôsobené rôznymi príčinami, napríklad z prepätia, na prepäťovú ochranu sa často používajú rýchle diódy.

Pokiaľ ide o zahrievanie a prehrievanie tranzistorov, teplotný režim tranzistorov ovplyvňuje nielen hodnotu parametrov, ale určuje aj spoľahlivosť ich prevádzky. Mali by ste sa snažiť zabezpečiť, aby sa tranzistor počas prevádzky neprehrieval, v koncových stupňoch zosilňovačov musia byť tranzistory umiestnené na veľkých radiátoroch. Ochrana tranzistorov pred prehriatím musí byť zabezpečená nielen počas prevádzky, ale aj počas spájkovania. Pri pocínovaní a spájkovaní treba prijať opatrenia na zabránenie prehriatiu tranzistora, tranzistory je vhodné pri spájkovaní držať pinzetou na ochranu pred prehriatím.