Bipolære transistorer: kredsløb, tilstande, modellering

Transistoren optrådte i 1948 (1947), takket være arbejdet fra tre ingeniører og Shockley, Bradstein, Bardin. I disse dage var deres hurtige udvikling og popularisering endnu ikke forventet. I Sovjetunionen i 1949 blev prototypen af ​​transistoren præsenteret for den videnskabelige verden af ​​Krasilov-laboratoriet, det var C1-C4-trioden (germanium). Udtrykket transistor optrådte senere, i 50'erne eller 60'erne.

De fandt imidlertid udbredt brug i slutningen af ​​60'erne og begyndelsen af ​​70'erne, da bærbare radioer kom på mode. I øvrigt er de længe blevet kaldt "transistor". Dette navn gik fast på grund af det faktum, at de erstattede elektroniske rør med halvlederelementer, hvilket forårsagede en revolution inden for radioteknik.

Hvad er en halvleder?

Transistorer er lavet af halvledermaterialer, for eksempel, silicium, germanium var tidligere populært, men nu findes det sjældent på grund af dets høje omkostninger og dårligere parametre med hensyn til temperatur og andre ting.

Halvledere er materialer, der optager et sted mellem ledere og dielektrik i ledningsevne. Deres modstand er en million gange større end ledere og hundreder af millioner gange mindre end dielektrik. For at strømmen kan strømme gennem dem er det endvidere nødvendigt at påføre en spænding, der overskrider båndspalten, så ladningsbærerne passerer fra valensbåndet til ledningsbåndet.

Konduktørerne i den forbudte zone er ikke til stede som sådan. En ladningsbærer (elektron) kan bevæge sig ind i ledningsbåndet ikke kun under påvirkning af ekstern spænding, men også fra varme - dette kaldes termisk strøm. Strømmen forårsaget af bestråling af halvfladens lysstrøm kaldes fotostrømmen. Fotoresistorer, fotodioder og andre lysfølsomme elementer fungerer efter dette princip.

Til sammenligning kan du se på dem i dielektrik og ledere:

Temmelig indlysende. Diagrammerne viser, at dielektrik stadig kan lede strøm, men dette sker efter at have overvundet den forbudte zone. I praksis kaldes dette dielektrisk nedbrydningsspænding.

Så forskellen mellem germanium og siliciumstrukturer er, at for germium er båndgabet i størrelsesordenen 0,3 eV (elektron volt), og siliciums størrelse er over 0,6 eV. På den ene side forårsager dette flere tab, men brugen af ​​silicium skyldes teknologiske og økonomiske faktorer.

Som et resultat af doping modtager en halvleder yderligere ladningsbærere positive (huller) eller negative (elektroner), dette kaldes en p- eller n-type halvleder. Du har muligvis hørt udtrykket "pn-kryds." Så dette er grænsen mellem halvledere af forskellige typer. Som et resultat af ladningens bevægelse, dannelsen af ​​ioniserede partikler af hver type urenhed til den vigtigste halvleder, en potentiel barriere dannes, den tillader ikke strømmen at flyde i begge retninger, mere om dette er beskrevet i bogen "Transistoren er let.".

Indførelsen af ​​ekstra ladningsbærere (doping af halvledere) gjorde det muligt at oprette halvlederenheder: dioder, transistorer, tyristorer osv. Det enkleste eksempel er en diode, hvis funktion vi undersøgte i den forrige artikel.

Hvis du anvender en spænding i en fremadskævning, dvs. Jeg vil flyde positivt til p-regionen, og en negativ strøm vil strømme til n-regionen, og hvis det modsatte er sandt, vil strømmen ikke flyde. Faktum er, at med direkte bias er de vigtigste ladningsbærere i p-regionen (hulet) positive og frastøder det positive potentiale i strømkilden, har de en tendens til regionen med et mere negativt potentiale.

Samtidig frastøder negative bærere af n-regionen fra den negative pol i strømkilden. Begge luftfartsselskaber har tendens til grænsefladen (pn-kryds).Overgangen bliver smalere, og transportørerne overvinder den potentielle barriere og bevæger sig i områder med modsatte ladninger, hvor de rekombinerer med dem ...

Hvis der anvendes en omvendt forspændingsspænding, bevæger de positive bærere i p-regionen sig mod den negative elektrode i strømkilden, og elektronerne fra n-regionen bevæger sig mod den positive elektrode. Overgangen udvides, strømmen flyder ikke.

Hvis du ikke går nærmere ind på detaljer, er dette nok til at forstå processerne, der finder sted i en halvleder.

Betinget grafisk betegnelse af transistoren

I Den Russiske Føderation vedtages en sådan transistorbetegnelse, som du ser på billedet herunder. Samleren er uden en pil, emitteren er med en pil, og basen er vinkelret på linjen mellem emitteren og samleren. Pilen på emitteren angiver strømningsretningen (fra plus til minus). For NPN-strukturen rettes emitterpilen fra basen, og for PNP-ledningen rettes den til basen.

Desuden findes den samme betegnelse ofte i skemaer, men uden en cirkel. Standardbrevbetegnelsen er “VT” og nummeret i rækkefølge på diagrammet, nogle gange skriver de blot “T”.

 

Billede af transistorer uden en cirkel

Hvad er en transistor?

En transistor er en aktiv halvlederenhed designet til at forstærke et signal og generere svingninger. Han udskiftede vakuumrørene - trioder. Transistorer har normalt tre ben - en samler, emitter og base. Basen er kontrolelektroden, der leverer strøm til den, vi styrer kollektorstrømmen. Således ved hjælp af en lille basestrøm regulerer vi store strømme i strømkredsen, og signalet forstærkes.

Bipolære transistorer er direkte fremad (PNP) og omvendt konduktivitet (NPN). Deres struktur er afbildet nedenfor. Basen optager typisk et mindre volumen af ​​halvlederkrystallen.

karakteristika

De vigtigste egenskaber ved bipolære transistorer:

• Ic - maksimal kollektorstrøm (kan ikke være højere - det vil brænde);

• Ucemax - maksimal spænding, der kan påføres mellem opsamleren og emitteren (det er umuligt at over - det vil gå i stykker);

• Ucesat er transistorens mætningsspænding. Spændingsfald i mætningstilstand (jo mindre, jo mindre tab i åben tilstand og opvarmning);

• Β eller H21E - forstærkning af transistoren, lig med Ik / Ib. Afhænger af transistormodellen. For eksempel vil en strøm på 100 mA strømme gennem samleren osv. Ved en forstærkning på 100, ved en strøm gennem basen på 1 mA.

Det er værd at sige om transistorstrømme, der er tre af dem:

1. Basisstrømmen.

2. Samlerstrøm.

3. Emitterstrøm - indeholder basestrøm og emitterstrøm.

Oftest falder emitterstrømmen fordi det adskiller sig næsten ikke fra kollektorstrømmen i størrelse. Den eneste forskel er, at kollektorstrømmen er mindre end emitterstrømmen efter værdien af ​​basestrømmen, og siden transistorer har en høj forstærkning (siger 100), så vil en strøm på 1A gennem emitteren strømme 10mA gennem basen og 990mA gennem samleren. Enig, dette er en lille nok forskel til at bruge tid på det, når man studerer elektronik. Derfor i karakteristika og angivet Icmax.

Driftsformer

Transistoren kan arbejde i forskellige tilstande:

1. Mætningstilstand. Med enkle ord er dette den tilstand, hvor transistoren er i den maksimale åbne tilstand (begge overgange er partiske i fremadretningen).

2. Afbrydelsestilstanden er, når strømmen ikke flyder, og transistoren er lukket (begge overgange er partiske i den modsatte retning).

3. Aktiv tilstand (samlerbase er partisk i den modsatte retning, og emitterbasen er partisk i fremadretningen).

4. Inverse aktiv tilstand (samlerbase er partisk i fremadretningen, og emitterbasen er partisk i den modsatte retning), men den bruges sjældent.

Typiske transistorkoblings kredsløb

Der er tre typiske transistorkoblings kredsløb:

1. Den generelle base.

2. Generel emitter.

3. Den fælles samler.

Indgangskredsløbet betragtes som emitterbasen, og udgangskredsløbet er kollektor-emitteren. Mens inputstrømmen er basisstrømmen, og udgangen er henholdsvis kollektorstrømmen.

Afhængigt af omskiftningskredsløbet forstærker vi strømmen eller spændingen.I lærebøger er det sædvanligt at overveje netop sådanne inkluderingsordninger, men i praksis ser de ikke så indlysende ud.

Det er værd at bemærke, at når vi er tilsluttet et kredsløb med en fælles opsamler, forstærker vi strømmen og får i-fase (det samme som input i polaritet) spænding ved indgangen og udgangen, og i kredsløbet med en fælles emitter, får vi spændingen og den inverse spændingsforstærkning (udgangen er inverteret i forhold til input). I slutningen af ​​artiklen vil vi simulere sådanne kredsløb og tydeligt se dette.

Transistor nøglemodellering

Den første model, vi vil se på, er nøgletilstand transistor. For at gøre dette skal du bygge et kredsløb som i figuren herunder. Antag, at vi inkluderer en belastning med en strøm på 0,1A, dens rolle vil blive spillet af modstanden R3, der er installeret i kollektorkredsløbet.

Som et resultat af eksperimenter fandt jeg, at h21E for den valgte transistormodel er forresten omkring 20 i databladet på MJE13007, der står fra 8 til 40.

Basisstrømmen skal være omkring 5mA. Opdeleren beregnes således, at basisstrømmen har en minimal effekt på skillestrømmen. Så at den specificerede spænding ikke flyder, når transistoren er tændt. Derfor indstiller den nuværende divider 100mA.

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

Dette er en beregnet værdi, strømme som et resultat heraf kom ud som følger:

Med en basestrøm på 5mA var strømmen i belastningen ca. 100 mA, spændingen falder til 0,27 V. ved transistoren. Beregningerne er korrekte.

Hvad fik vi?

Vi kan styre en belastning, hvis strøm er 20 gange kontrolstrømmen. For yderligere at forstærke kan du kopiere kaskaden og reducere kontrolstrømmen. Eller brug en anden transistor.

Opsamlerstrømmen var begrænset af belastningsmodstanden, for eksperimentet besluttede jeg at gøre belastningsmodstanden 0 Ohm, derefter indstilles strømmen gennem transistoren af ​​basisstrømmen og forstærkning. Som et resultat afviger næsten ikke strømmen, som du kan se.

For at spore effekten af ​​typen af ​​transistor og dens forstærkning på strømme erstatter vi den uden at ændre kredsløbsparametrene.

Efter udskiftning af transistoren fra MJE13007 til MJE18006 fortsatte kredsløbet med at fungere, men 0,14 V falder på transistoren, hvilket betyder, at ved samme strøm denne transistor opvarmes mindre, fordi vil skille sig ud i varmen

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

Og i det foregående tilfælde:

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

Forskellen er næsten to gange, hvis den ikke er så markant ved tiendedele watt, forestil dig hvad der vil ske ved strømme på snesevis af ampere, så vil tabetes styrke øges 100 gange. Dette fører til det faktum, at tasterne overophedes og mislykkes.

Den varme, der frigøres under opvarmningen, spreder sig gennem enheden og kan forårsage problemer i driften af ​​tilstødende komponenter. Til dette er alle strømelementer installeret på radiatorer, og nogle gange bruges aktive kølesystemer (køler, væske osv.).

Desuden øges halvlederens ledningsevne med stigende temperatur, ligesom strømmen, der flyder gennem dem, hvilket igen medfører en stigning i temperaturen. Den lavine-lignende proces med at øge strøm og temperatur vil i sidste ende dræbe nøglen.

Konklusionen er denne: Jo mindre spændingsfaldet over transistoren er i åben tilstand, jo mindre er opvarmningen og desto højere er effektiviteten for hele kredsløbet.

Spændingsfaldet på nøglen er blevet mindre på grund af det faktum, at vi sætter en mere kraftfuld nøgle, med en højere forstærkning, for at sikre det, fjerner vi belastningen fra kredsløbet. For at gøre dette indstiller jeg igen R3 = 0 Ohms. Opsamlerstrømmen blev 219mA, på MJE13003 i det samme kredsløb var det omkring 130mA, hvilket betyder, at H21E i modellen til denne transistor er dobbelt så stor.

Det er værd at bemærke, at gevinsten ved en model afhængigt af et specifikt eksempel kan variere med titusinder eller hundreder af gange. Dette nødvendiggør indstilling og justering af analoge kredsløb. I dette program bruges faste koefficienter i transistormodeller, jeg kender logikken efter deres valg. På MJE18006 i databladet er det maksimale H21E-forhold 36.

AC forstærker simulering

Den givne model viser nøglens opførsel, hvis et vekslende signal og et simpelt kredsløb til optagelse i kredsløbet påføres den. Det ligner et musikalsk forstærker kredsløb.

Normalt bruger de flere sådanne seriekoblede kaskader. Antallet og skemaerne for kaskader, deres effektkredsløb afhænger af den klasse, hvor forstærkeren fungerer (A, B osv.). Jeg vil simulere den enkleste klasse A-forstærker, der fungerer i lineær tilstand, samt tage bølgeformer af indgangs- og udgangsspænding.

Modstand R1 indstiller transistorens driftspunkt. I lærebøgerne skriver de, at du skal finde et sådant punkt på et lige segment af transistorns CVC. Hvis forspændingsspændingen er for lav, vil den nedre halvbølge af signalet blive forvrænget.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondensatorer er nødvendige for at adskille den variable komponent fra konstanten. Modstande R2 er installeret for at indstille driftsform for tasten og indstille driftsstrømme. Lad os se på bølgeformerne. Vi giver et signal med en amplitude på 10 mV og en frekvens på 10.000 Hz. Udgangsamplitude er næsten 2V.

Magenta angiver udgangsbølgeformen, rød angiver indgangsbølgeformen.

Bemærk, at signalet er omvendt, dvs. udgangssignalet inverteres i forhold til input. Dette er en funktion i et fælles emitterkredsløb. I henhold til skemaet fjernes signalet fra samleren. Derfor, når transistoren åbnes (når indgangssignalet stiger), vil spændingen hen over den falde. Når indgangssignalet falder, begynder transistoren at lukke, og spændingen begynder at stige.

Denne ordning betragtes som den højeste kvalitet med hensyn til signaltransmissionskvalitet, men du skal betale for dette med tab af kraft. Faktum er, at i en tilstand, hvor der ikke indlæses noget signal, er transistoren altid åben og leder strøm. Derefter frigøres varme:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE er et fald på en transistor i mangel af et indgangssignal.

Dette er det enkleste forstærkerkredsløb, mens ethvert andet kredsløb fungerer på denne måde, er kun forbindelsen mellem elementerne og deres kombination forskellig. For eksempel består en klasse B-transistorforstærker af to transistorer, som hver fungerer for sin egen halvbølge.

Her bruges transistorer med forskellige konduktiviteter:

• VT1 er NPN;

• VT2 - PNP.

Den positive del af det variable indgangssignal åbner den øverste transistor, og den negative - den nederste.

Denne ordning giver større effektivitet på grund af det faktum, at transistorerne åbner og lukker helt. På grund af det faktum, at når signalet er fraværende - begge transistorer er lukket, forbruger kredsløbet ikke strøm, så der er ingen tab.

konklusion

Det er meget vigtigt at forstå transistorens drift, hvis du skal lave elektronik. På dette område er det vigtigt ikke kun at lære at samle skemaer, men også at analysere dem. For en systematisk undersøgelse og forståelse af enheder skal du forstå, hvor og hvordan strømme vil flyde. Dette vil hjælpe både ved samling og justering og reparation af kredsløb.

Det er værd at bemærke, at jeg med vilje udeladte mange af de nuancer og faktorer for ikke at overbelaste artiklen. På samme tid efter beregningerne er det stadig afhente modstande. Ved modellering er dette let at gøre. Men i praksis måle strømme og spændinger med en multimeter, og ideelt behov oscilloskopfor at kontrollere, om input- og outputbølgeformerne stemmer overens, ellers får du forvrængning.