ترانزیستور دوقطبی در چه حالت هایی می تواند کار کند. ترانزیستورهای دوقطبی

بسته به ولتاژ در پایانه ها، ترانزیستور می تواند در حالت های اصلی زیر باشد:

• حالت قطع؛
• حالت فعال؛
• حالت اشباع.

علاوه بر این حالت ها، حالت معکوس نیز وجود دارد که بسیار کم استفاده می شود.

حالت قطع

هنگامی که ولتاژ بین پایه و امیتر کمتر از 0.6 - 0.7 ولت باشد، اتصال p-n بین پایه و امیتر بسته می شود. در این حالت ترانزیستور عملا جریان پایه ندارد. در نتیجه، جریان کلکتوری نیز وجود نخواهد داشت، زیرا هیچ الکترون آزاد در پایه وجود ندارد که بتواند به سمت ولتاژ کلکتور حرکت کند. معلوم می شود که ترانزیستور قفل است و گفته می شود که در حالت قطع است.

حالت فعال

در حالت فعال، پایه با ولتاژ کافی برای باز کردن اتصال p-n بین پایه و امیتر تغذیه می شود. جریان پایه و کلکتور وجود دارد. جریان کلکتور برابر با جریان پایه ضرب در بهره است. یعنی حالت فعال حالت عادی کارکرد ترانزیستور است که برای تقویت استفاده می شود.

حالت اشباع

اگر جریان پایه را افزایش دهید، ممکن است لحظه ای برسد که افزایش جریان کلکتور متوقف شود، زیرا. ترانزیستور به طور کامل باز می شود و جریان فقط با ولتاژ منبع تغذیه و مقاومت بار در مدار کلکتور تعیین می شود. ترانزیستور به حالت اشباع می رسد. در حالت اشباع، جریان کلکتور حداکثری خواهد بود که می تواند توسط منبع تغذیه برای مقاومت بار معین ارائه شود و به جریان پایه بستگی ندارد. در این حالت، ترانزیستور قادر به تقویت سیگنال نیست، زیرا جریان کلکتور به تغییرات جریان پایه پاسخ نمی دهد. در حالت اشباع، رسانایی ترانزیستور حداکثر است و برای عملکرد کلید (کلید) در حالت "روشن" مناسب تر است. به همین ترتیب، در حالت قطع، رسانایی ترانزیستور حداقل است، و این مربوط به سوئیچ در حالت "خاموش" است. همه این حالت ها را می توان با استفاده از ویژگی های خروجی ترانزیستور توضیح داد.

مرحله تقویت را روی یک ترانزیستور متصل شده بر اساس مدار امیتر مشترک در نظر بگیرید (شکل 4.14). هنگامی که مقدار سیگنال ورودی تغییر می کند، جریان پایه Ib تغییر می کند. جریان کلکتور Ik متناسب با جریان پایه تغییر می کند:

Ik \u003d β I b. (4.5.1)

برنج. 4.14. طرح مرحله تقویت (شکل توسط نویسندگان ساخته شده است)

تغییر در جریان کلکتور را می توان با ویژگی های خروجی ترانزیستور ردیابی کرد (شکل 4.15). بر روی محور آبسیسا، قطعه ای برابر با E K - ولتاژ منبع تغذیه مدار کلکتور، و در محور اردینات، قطعه ای مطابق با حداکثر جریان ممکن در مدار این منبع را رسم می کنیم:

من تا حداکثر \u003d E به / R تا (4.5.2)

بین این نقاط یک خط مستقیم رسم می کنیم که به آن خط بار می گویند و با معادله توصیف می شود:

I به = (E به - U ke) / R به (4.5.3)

جایی که U KE ولتاژ بین کلکتور و امیتر ترانزیستور است. R K - مقاومت بار در مدار کلکتور.

برنج. 4.15. حالت های عملیاتی ترانزیستور دوقطبی (شکل توسط نویسندگان ساخته شده است)

از (4.5.3) چنین است که

R k \u003d Ek / I k max \u003d tanα. (4.5.4)

و بنابراین، شیب خط بار با مقاومت R K تعیین می شود. از شکل. 4.15 نتیجه می شود که بسته به جریان پایه Ib که در مدار ورودی ترانزیستور جریان دارد، نقطه کار ترانزیستور که جریان کلکتور و ولتاژ U KE آن را تعیین می کند، در امتداد خط بار از پایین ترین موقعیت حرکت می کند (نقطه 1). تعیین شده توسط تقاطع خط بار با مشخصه خروجی در I b = 0)، تا نقطه 2، تعیین شده توسط تقاطع خط بار با بخش اولیه به شدت افزایش یافته از مشخصات خروجی.

منطقه ای که بین محور x و مشخصه خروجی اولیه مربوط به I b = 0 قرار دارد، منطقه قطع نامیده می شود و با این واقعیت مشخص می شود که هر دو انتقال ترانزیستور - امیتر و کلکتور در جهت مخالف بایاس می شوند. جریان کلکتور در این مورد جریان معکوس اتصال کلکتور - I K0 است که بسیار کوچک است و بنابراین تقریباً تمام ولتاژ منبع تغذیه E K بین امیتر و کلکتور یک ترانزیستور بسته کاهش می یابد:

U ke ≈ E به.

و افت ولتاژ در بار بسیار کم و برابر است با:

U Rk = I k0 R k (4.5.5)

گفته می شود که در این حالت ترانزیستور در حالت قطع کار می کند. از آنجایی که در این حالت جریان عبوری از بار به طور ناپدید کننده ای کوچک است و تقریباً کل ولتاژ منبع تغذیه به ترانزیستور بسته اعمال می شود، در این حالت ترانزیستور را می توان به عنوان یک کلید باز نشان داد.

اگر اکنون جریان پایه I b را افزایش دهیم، آنگاه نقطه عملیاتی در امتداد خط بار حرکت می کند تا به نقطه 2 برسد. جریان پایه مربوط به مشخصه عبور از نقطه 2، جریان پایه اشباع Ib us نامیده می شود. در اینجا ترانزیستور وارد حالت اشباع می شود و افزایش بیشتر در جریان پایه منجر به افزایش جریان کلکتور I K نمی شود. منطقه بین محور y و بخش به شدت در حال تغییر مشخصات خروجی منطقه اشباع نامیده می شود. در این مورد، هر دو اتصال ترانزیستور بایاس رو به جلو هستند. جریان کلکتور به حداکثر مقدار خود می رسد و تقریباً برابر با حداکثر جریان منبع تغذیه کلکتور است:

I k max ≈ I to us (4.5.6)

و ولتاژ بین کلکتور و امیتر یک ترانزیستور باز بسیار کم است. بنابراین، در حالت اشباع، ترانزیستور را می توان به عنوان یک کلید بسته نشان داد.

موقعیت میانی نقطه کار بین ناحیه قطع و ناحیه اشباع عملکرد ترانزیستور را در حالت بهره تعیین می کند و ناحیه ای که در آن قرار دارد منطقه فعال نامیده می شود. هنگام کار در این منطقه، اتصال قطره چکان در جهت جلو و محل اتصال جمع کننده در جهت مخالف جابجا می شود (Petrovich V.P.، 2008).

اول از همه، بیایید به یاد بیاوریم که ترانزیستورهای دوقطبی چه نوع رسانایی هستند. کسانی که مقالات قبلی را می خوانند، فکر می کنم به یاد داشته باشند که ترانزیستورها رسانایی NPN هستند:

و هدایت PNP

اصل عملکرد ترانزیستور PNP

این تصویر را در نظر بگیرید:

در اینجا لوله ای را می بینیم که آب از پایین به بالا تحت فشار زیاد از طریق آن جریان می یابد. در حال حاضر لوله با دمپر قرمز بسته شده و در نتیجه جریان آب وجود ندارد.

اما به محض اینکه با کمی کشیدن اهرم سبز دمپر را به عقب می کشیم، دمپر قرمز رنگ به عقب کشیده می شود و جریان متلاطمی از آب از پایین به بالا از لوله عبور می کند.

اما در اینجا دوباره اهرم سبز را رها می کنیم و چشمه آبی دمپر را به حالت اولیه باز می گرداند و مسیر آب را مسدود می کند.

یعنی دمپر را کمی به سمت خودمان کشیدیم و آب به صورت جویبار از لوله عبور کرد. ترانزیستور PNP تقریباً به همین شکل عمل می کند.اگر این لوله را به عنوان یک ترانزیستور تصور کنیم، نتیجه گیری آن به این صورت خواهد بود:

بنابراین، برای اینکه جریان از امیتر به جمع کننده برسد (و به یاد داشته باشید که جریان باید در جایی که فلش امیتر نشان می دهد اجرا شود)

ما باید از پایه اطمینان حاصل کنیم بیرون جاری شدجاری یا به تعبیر عامیانه، به پایه منهای توان اعمال شود("کشش" تنش بر روی خود).

تجربه عملی

خوب، بیایید یک تجربه طولانی مدت داشته باشیم. برای انجام این کار، ترانزیستور KT814B را بگیرید که یک جفت مکمل ترانزیستور KT815B است.

برای کسانی از شما که مقالات گذشته را نخوانده اید، می خواهم به شما یادآوری کنم زوج افتخاری برای کسی ترانزیستور - این یک ترانزیستور با مشخصات و پارامترهای مشابه است, ولیاو به سادگی دارد رسانایی دیگر. این بدان معناست که ترانزیستور KT815 ما داریم معکوسرسانایی، یعنی NPN و KT814 سر راستهدایت، یعنی PNP. برعکس آن نیز صادق است: برای ترانزیستور KT814، جفت مکمل ترانزیستور KT815 است. خلاصه برادران دوقلو آینه ای.

ترانزیستور KT814B یک ترانزیستور رسانایی PNP است:

این هم پینوشت او:

به منظور نشان دادن اصل عملکرد آن، ما آن را مطابق طرح مشترک امیتر (CE) مونتاژ می کنیم:

در واقع، کل طرح چیزی شبیه به این است:

سیم های تمساح آبی از منبع تغذیه می آیند خفاش 1و دو سیم دیگر با کروکودیل سیاه و قرمز از منبع تغذیه خفاش 2.

بنابراین، برای اینکه این طرح کار کند، آن را تنظیم می کنیم خفاش 2ولتاژ برای تغذیه یک لامپ رشته ای از آنجایی که ما یک لامپ 6 ولتی داریم، آن را روی 6 ولت تنظیم می کنیم.

روی منبع تغذیه خفاش 1با دقت ولتاژ را از صفر و تا زمانی که لامپ رشته ای روشن شود اضافه کنید. و اکنون در ولتاژ 0.6 ولت

ما یک لامپ داریم

یعنی ترانزیستور "باز شد" و جریان الکتریکی از مدار امیتر-کلکتور عبور کرد که باعث سوختن لامپ ما شد. ولتاژ باز شدن افت ولتاژ در سرتاسر پایه-امیتر است. همانطور که به یاد دارید، برای ترانزیستورهای سیلیکونی (و ترانزیستور KT814B سیلیکونی است، این با حرف "K" در ابتدای نام آن نشان داده شده است)، این مقدار در محدوده 0.5-0.7 ولت است. یعنی برای "باز کردن" ترانزیستور کافی است ولتاژی بیش از 0.5-0.7 ولت به پایه امیتر اعمال کنید.

مدارهای سوئیچینگ برای ترانزیستورهای NPN و PNP

بنابراین، به دو مدار نگاه کنید و تفاوت را پیدا کنید. در سمت چپ ترانزیستور NPN KT815B در مدار با OE و در سمت راست KT814B مطابق با همان طرح سوئیچینگ قرار دارد:

خوب، چه تفاوتی دارد؟ بله در قطبیت قدرت! و اکنون می توانیم با اطمینان بگوییم که ترانزیستور رسانایی PNP با "منهای" باز می شود، زیرا ما یک "منهای" را به پایه اعمال می کنیم و ترانزیستور رسانایی NPN با یک "بعلاوه" باز می شود.

ترانزیستور PNP یک دستگاه الکترونیکی است، به معنایی خاص، برعکس ترانزیستور NPN. در این نوع طراحی ترانزیستور، اتصالات PN آن با ولتاژهای قطبیت معکوس نسبت به نوع NPN باز می شود. در نماد دستگاه، فلش که ترمینال امیتر را نیز مشخص می کند، این زمان به داخل نماد ترانزیستور اشاره می کند.

طراحی ابزار

نمودار ساختاری یک ترانزیستور نوع PNP شامل دو ناحیه از مواد نیمه هادی نوع p در دو طرف یک منطقه مواد نوع n است که در شکل زیر نشان داده شده است.

فلش امیتر و جهت عمومی پذیرفته شده جریان آن ("in" برای ترانزیستور PNP) را مشخص می کند.

ترانزیستور PNP مشخصات بسیار مشابهی با همتای دوقطبی NPN خود دارد، با این تفاوت که جهت جریان ها و قطبیت ولتاژهای موجود در آن برای هر یک از سه طرح کلیدزنی ممکن معکوس می شود: پایه مشترک، امیتر مشترک و کلکتور مشترک.

تفاوت های اصلی بین دو نوع ترانزیستور دوقطبی

تفاوت اصلی بین آنها این است که سوراخ ها حامل جریان اصلی ترانزیستورهای PNP هستند، ترانزیستورهای NPN دارای الکترون هایی در این ظرفیت هستند. بنابراین، قطبیت ولتاژهای تغذیه کننده ترانزیستور معکوس شده و جریان ورودی آن از پایه جریان می یابد. در مقابل، با یک ترانزیستور NPN، جریان پایه به داخل آن جریان می یابد، همانطور که در نمودار سیم کشی زیر برای هر دو نوع دستگاه با پایه مشترک و امیتر مشترک نشان داده شده است.

اصل کار ترانزیستور نوع PNP بر اساس استفاده از جریان پایه کوچک (مانند نوع NPN) و ولتاژ بایاس پایه منفی (برخلاف نوع NPN) برای هدایت جریان امیتر-کلکتور بسیار بزرگتر است. به عبارت دیگر، برای یک ترانزیستور PNP، امیتر نسبت به پایه و همچنین نسبت به کلکتور مثبت تر است.

تفاوت های نوع PNP در مدار سوئیچینگ با پایه مشترک را در نظر بگیرید

در واقع، از آن می توان دریافت که آی سی جریان کلکتور (در مورد ترانزیستور NPN) از قطب مثبت باتری B2 خارج می شود، از ترمینال کلکتور می گذرد، وارد آن می شود و سپس باید از ترمینال پایه خارج شود. برای بازگشت به قطب منفی باتری. به همین ترتیب، با نگاهی به مدار امیتر، می توانید ببینید که چگونه جریان آن از قطب مثبت باتری B1 از طریق ترمینال پایه وارد ترانزیستور شده و سپس به امیتر نفوذ می کند.

بنابراین، هر دو جریان کلکتور I C و جریان امیتر I E از ترمینال پایه عبور می کنند. از آنجایی که آنها در جهت مخالف در مدارهای خود گردش می کنند، جریان پایه حاصل برابر با اختلاف آنها است و بسیار کوچک است، زیرا I C کمی کمتر از I E است. اما از آنجایی که دومی هنوز بزرگتر است، جهت جریان جریان دیفرانسیل (جریان پایه) با I E منطبق است و بنابراین ترانزیستور دوقطبی نوع PNP دارای جریانی است که از پایه جریان دارد و ترانزیستور دوقطبی نوع NPN دارای جریان است. جاری شدن در

تفاوت نوع PNP در مثال مدار سوئیچینگ با امیتر مشترک

در این مدار جدید، اتصال PN پایه-امیتر توسط ولتاژ باتری B1 روشن می شود و اتصال کلکتور-پایه توسط ولتاژ باتری B2 بایاس معکوس می شود. بنابراین ترمینال امیتر بین مدارهای پایه و کلکتور مشترک است.

کل جریان امیتر از مجموع دو جریان I C و I B به دست می آید. عبور از خروجی امیتر در یک جهت. بنابراین، I E = I C + I B داریم.

در این مدار، جریان پایه I B به سادگی از جریان امیتر I E منشعب می شود، همچنین در جهت با آن منطبق است. در همان زمان، یک ترانزیستور نوع PNP همچنان دارای جریانی است که از پایه I B جریان دارد و یک ترانزیستور نوع NPN دارای جریانی است که در آن جریان دارد.

در سومین مدارهای سوئیچینگ ترانزیستوری شناخته شده، با یک کلکتور مشترک، وضعیت دقیقاً به همین صورت است. بنابراین برای صرفه جویی در زمان و مکان برای خوانندگان آن را ارائه نمی کنیم.

ترانزیستور PNP: اتصال منابع ولتاژ

منبع ولتاژ بین پایه و امیتر (V BE) به پایه منفی و به امیتر مثبت وصل می شود، زیرا عملکرد ترانزیستور PNP زمانی اتفاق می افتد که پایه نسبت به امیتر بایاس منفی شود.

ولتاژ تغذیه امیتر نیز نسبت به کلکتور مثبت است (V CE). بنابراین، در یک ترانزیستور نوع PNP، ترمینال امیتر همیشه نسبت به پایه و کلکتور مثبت تر است.

منابع ولتاژ مطابق شکل زیر به ترانزیستور PNP متصل می شوند.

این بار کلکتور از طریق یک مقاومت بار R L به ولتاژ تغذیه V CC متصل می شود که حداکثر جریان عبوری از دستگاه را محدود می کند. ولتاژ پایه VB، که آن را در جهت منفی نسبت به امیتر بایاس می کند، از طریق مقاومت RB به آن اعمال می شود، که دوباره برای محدود کردن حداکثر جریان پایه استفاده می شود.

عملکرد مرحله ترانزیستور PNP

بنابراین، برای ایجاد جریان پایه در یک ترانزیستور PNP، پایه باید منفی تر از امیتر باشد (جریان باید از پایه خارج شود) حدود 0.7 ولت برای سیلیکون یا 0.3 ولت برای ژرمانیوم. فرمول های مورد استفاده برای محاسبه مقاومت پایه، جریان پایه یا جریان کلکتور همان فرمول هایی است که برای ترانزیستور NPN معادل استفاده می شود و در زیر نشان داده شده است.

می بینیم که تفاوت اساسی بین یک ترانزیستور NPN و یک ترانزیستور PNP در بایاس صحیح اتصالات pn است، زیرا جهت جریان ها و قطبیت ولتاژ در آنها همیشه مخالف است. بنابراین برای مدار فوق: I C = I E - I B زیرا جریان باید از پایه جاری شود.

به عنوان یک قاعده، یک ترانزیستور PNP را می توان با یک ترانزیستور NPN در اکثر مدارهای الکترونیکی جایگزین کرد، تفاوت فقط در قطبیت ولتاژ و جهت جریان است. چنین ترانزیستورهایی همچنین می توانند به عنوان وسایل سوئیچینگ استفاده شوند و نمونه ای از سوئیچ PNP در زیر نشان داده شده است.

مشخصات ترانزیستور

مشخصات خروجی یک ترانزیستور PNP بسیار شبیه به ترانزیستور NPN معادل است، با این تفاوت که برای محاسبه قطبیت معکوس ولتاژها و جریان ها، 180 درجه چرخانده می شوند (جریان پایه و کلکتور ترانزیستور PNP منفی است). به طور مشابه، برای یافتن نقاط عملیاتی یک ترانزیستور PNP، می توان خط بار دینامیکی آن را در ربع سوم سیستم مختصات دکارتی رسم کرد.

مشخصات معمول ترانزیستور 2N3906 PNP در شکل زیر نشان داده شده است.

جفت ترانزیستورها در مراحل تقویت کننده

ممکن است بپرسید دلیل استفاده از ترانزیستورهای PNP در زمانی که ترانزیستورهای NPN زیادی وجود دارد که می توانند به عنوان تقویت کننده یا سوئیچ حالت جامد استفاده شوند چیست؟ با این حال، وجود دو نوع مختلف ترانزیستور - NPN و PNP - مزایای زیادی در طراحی مدارهای تقویت کننده قدرت به ارمغان می آورد. این تقویت کننده ها در مرحله خروجی از جفت ترانزیستورهای "مکمل" یا "همسان" (که یک ترانزیستور PNP و یک NPN به هم متصل هستند) در مرحله خروجی استفاده می کنند.

دو ترانزیستور NPN و PNP متناظر با مشخصات نزدیک و یکسان با یکدیگر مکمل نامیده می شوند. به عنوان مثال، TIP3055 (نوع NPN) و TIP2955 (نوع PNP) نمونه های خوبی از ترانزیستورهای قدرت سیلیکونی مکمل هستند. هر دو دارای افزایش جریان ثابت β=I C/I B هستند که در 10% منطبق است و جریان کلکتوری بالایی در حدود 15A دارند که آنها را برای کنترل موتور یا کاربردهای روباتیک ایده آل می کند.

علاوه بر این، تقویت کننده های کلاس B از جفت ترانزیستورهای همسان در مراحل خروجی توان خود نیز استفاده می کنند. در آنها، ترانزیستور NPN فقط نیمه موج مثبت سیگنال را هدایت می کند و ترانزیستور PNP فقط نیمه منفی آن را هدایت می کند.

این به تقویت کننده اجازه می دهد تا توان مورد نیاز را از طریق بلندگو در هر دو جهت برای یک توان و امپدانس معین حمل کند. در نتیجه، جریان خروجی که معمولاً در حد چند آمپر است، به طور مساوی بین دو ترانزیستور مکمل توزیع می شود.

جفت ترانزیستورها در مدارهای کنترل موتور

آنها همچنین در مدارهای کنترل پل H برای موتورهای DC برگشت پذیر استفاده می شوند که امکان تنظیم جریان از طریق موتور را به طور یکنواخت در هر دو جهت چرخش آن ممکن می کند.

مدار پل H فوق به این دلیل نامگذاری شده است که پیکربندی اصلی چهار کلید ترانزیستوری آن شبیه حرف "H" با موتور در یک خط متقاطع است. ترانزیستور پل H احتمالاً یکی از متداول ترین انواع مدارهای کنترل موتور DC برگشت پذیر است. از جفت های "مکمل" ترانزیستورهای نوع NPN و PNP در هر شاخه استفاده می کند که به عنوان کلید در کنترل موتور عمل می کنند.

ورودی کنترل A به موتور اجازه می دهد در یک جهت کار کند، در حالی که ورودی B برای چرخش معکوس استفاده می شود.

به عنوان مثال، هنگامی که ترانزیستور TR1 روشن و TR2 خاموش است، ورودی A به ولتاژ تغذیه (+Vcc) وصل می شود و اگر ترانزیستور TR3 خاموش و TR4 روشن است، ورودی B به ولتاژ 0 (GND) وصل می شود. بنابراین، موتور در یک جهت می‌چرخد که مربوط به پتانسیل مثبت ورودی A و منفی ورودی B است.

اگر حالت سوئیچ طوری تغییر کند که TR1 خاموش، TR2 روشن، TR3 روشن و TR4 خاموش باشد، جریان موتور در جهت مخالف جریان می یابد و باعث معکوس شدن آن می شود.

با استفاده از سطوح مخالف منطق "1" یا "0" در ورودی های A و B می توان جهت چرخش موتور را کنترل کرد.

تعیین نوع ترانزیستور

هر ترانزیستور دوقطبی را می توان اساساً به عنوان دو دیود به هم متصل کرد.

ما می توانیم از این قیاس برای تعیین اینکه آیا ترانزیستور از نوع PNP یا NPN است با آزمایش مقاومت آن در سه پایانه آن استفاده کنیم. با آزمایش هر جفت از آنها در هر دو جهت با یک مولتی متر، پس از شش اندازه گیری به نتیجه زیر می رسیم:

1. امیتر - پایه.این پین ها باید مانند یک دیود معمولی عمل کنند و فقط جریان را در یک جهت هدایت کنند.

2.گردآورنده - پایه.این پین ها نیز باید مانند یک دیود معمولی عمل کنند و فقط جریان را در یک جهت هدایت کنند.

3. امیتر - گردآورنده.این یافته ها نباید در هیچ جهتی باشد.

مقادیر مقاومت انتقالی هر دو نوع ترانزیستور

سپس می توانیم ترانزیستور PNP را خوب و بسته تعریف کنیم. یک جریان خروجی کوچک و یک ولتاژ منفی در پایه آن (B) نسبت به امیتر (E) آن را باز می کند و اجازه می دهد جریان امیتر-کلکتور بسیار بزرگتری جریان یابد. ترانزیستورهای PNP با پتانسیل امیتر مثبت هدایت می کنند. به عبارت دیگر، یک ترانزیستور دوقطبی PNP تنها زمانی هدایت می‌شود که پایه‌های پایه و کلکتور نسبت به امیتر منفی باشند.

ترانزیستور دوقطبی- یک دستگاه نیمه هادی الکترونیکی، یکی از انواع ترانزیستورها، که برای تقویت، تولید و تبدیل سیگنال های الکتریکی طراحی شده است. ترانزیستور نامیده می شود دوقطبی، از آنجایی که دو نوع حامل شارژ به طور همزمان در عملکرد دستگاه شرکت می کنند - الکترون هاو سوراخ ها. در این تفاوت دارد تک قطبیترانزیستور (اثر میدانی) که تنها یک نوع حامل بار در آن شرکت دارد.

اصل کار هر دو نوع ترانزیستور شبیه عملکرد شیر آب است که جریان آب را تنظیم می کند، فقط جریان الکترون ها از ترانزیستور می گذرد. در ترانزیستورهای دوقطبی، دو جریان از دستگاه عبور می کنند - جریان اصلی "بزرگ" و جریان "کوچک" کنترل. قدرت جریان اصلی به قدرت کنترل بستگی دارد. در ترانزیستورهای اثر میدان فقط یک جریان از دستگاه عبور می کند که قدرت آن به میدان الکترومغناطیسی بستگی دارد. در این مقاله، عملکرد ترانزیستور دوقطبی را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد.

دستگاه ترانزیستور دوقطبی.

ترانزیستور دوقطبی از سه لایه نیمه هادی و دو اتصال PN تشکیل شده است. ترانزیستورهای PNP و NPN با نوع سوراخ متناوب و رسانایی الکترونیکی متمایز می شوند. مانند دو دیود است که رو به رو یا بالعکس متصل شده اند.

یک ترانزیستور دوقطبی دارای سه تماس (الکترود) است. تماس خارج شده از لایه مرکزی نامیده می شود پایه (پایه).الکترودهای انتهایی نامگذاری شده اند گردآورندهو ساطع کننده (گردآورندهو ساطع کننده). لایه پایه نسبت به کلکتور و امیتر بسیار نازک است. علاوه بر این، مناطق نیمه هادی در لبه های ترانزیستور متقارن نیستند. لایه نیمه هادی در سمت کلکتور کمی ضخیم تر از سمت امیتر است. این برای عملکرد صحیح ترانزیستور ضروری است.

فرآیندهای فیزیکی را که در حین کار یک ترانزیستور دوقطبی رخ می دهد در نظر بگیرید. بیایید مدل NPN را به عنوان مثال در نظر بگیریم. اصل کار ترانزیستور PNP مشابه است، فقط قطبیت ولتاژ بین کلکتور و امیتر مخالف خواهد بود.

همانطور که قبلاً در مقاله در مورد انواع رسانایی در نیمه هادی ها ذکر شد ، در یک ماده نوع P یون های دارای بار مثبت - سوراخ ها وجود دارد. یک ماده از نوع N با الکترون های دارای بار منفی اشباع شده است. در ترانزیستور، غلظت الکترون ها در ناحیه N بسیار بیشتر از غلظت حفره های ناحیه P است.

یک منبع ولتاژ را بین کلکتور و امیتر V CE (V CE) وصل کنید. تحت عمل آن، الکترون‌های قسمت N بالایی شروع به جذب به مثبت می‌کنند و در نزدیکی کلکتور جمع می‌شوند. با این حال، جریان نمی تواند جریان یابد زیرا میدان الکتریکی منبع ولتاژ به امیتر نمی رسد. این امر توسط یک لایه ضخیم از نیمه هادی کلکتور به اضافه یک لایه نیمه هادی پایه جلوگیری می شود.

اکنون ولتاژ بین پایه و امیتر V BE را وصل می کنیم، اما بسیار کمتر از V CE (برای ترانزیستورهای سیلیکونی، حداقل V BE مورد نیاز 0.6 ولت است). از آنجایی که لایه P بسیار نازک است، به علاوه یک منبع ولتاژ متصل به پایه، می‌تواند با میدان الکتریکی خود به ناحیه N از امیتر "دراز کند". تحت عمل آن، الکترون ها به سمت پایه خواهند رفت. برخی از آنها شروع به پر کردن سوراخ های واقع در آنجا می کنند (ترکیب مجدد). قسمت دیگر حفره آزاد برای خود پیدا نمی کند، زیرا غلظت حفره های پایه بسیار کمتر از غلظت الکترون ها در امیتر است.

در نتیجه لایه مرکزی پایه با الکترون های آزاد غنی می شود. بیشتر آنها به سمت کلکتور می روند، زیرا ولتاژ در آنجا بسیار بالاتر است. این نیز با ضخامت بسیار کمی از لایه مرکزی تسهیل می شود. بخشی از الکترون ها، اگرچه بسیار کوچکتر هستند، همچنان به سمت مثبت پایه جریان خواهند داشت.

در نتیجه، دو جریان دریافت می کنیم: یک جریان کوچک - از پایه به امیتر I BE و یک جریان بزرگ - از کلکتور به امیتر I CE.

اگر ولتاژ پایه افزایش یابد، الکترون های بیشتری در لایه P تجمع می کنند. در نتیجه جریان پایه کمی افزایش می یابد و جریان کلکتور به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. بدین ترتیب، با یک تغییر کوچک در جریان پایه Iب ، جریان کلکتور I بسیار متفاوت استج. این طور است تقویت سیگنال در ترانزیستور دوقطبی. نسبت جریان کلکتور I C به جریان پایه I B بهره جریان نامیده می شود. نشان داده شده است β , hfeیا h21eبسته به مشخصات محاسبات انجام شده با ترانزیستور.

ساده ترین تقویت کننده ترانزیستور دوقطبی

اجازه دهید با جزئیات بیشتر اصل تقویت سیگنال در صفحه الکتریکی را با استفاده از مدار به عنوان مثال در نظر بگیریم. من از قبل رزرو می کنم که چنین طرحی کاملاً صحیح نیست. هیچ کس منبع ولتاژ DC را مستقیماً به منبع AC متصل نمی کند. اما در این مورد، درک مکانیسم تقویت خود با استفاده از یک ترانزیستور دوقطبی آسان تر و واضح تر خواهد بود. همچنین خود تکنیک محاسبه در مثال زیر تا حدودی ساده شده است.

1. شرح عناصر اصلی زنجیره

بنابراین، فرض کنید یک ترانزیستور با بهره 200 (β = 200) داریم. از سمت کلکتور، ما یک منبع تغذیه نسبتاً قدرتمند 20 ولت را وصل می کنیم که به دلیل انرژی آن تقویت می شود. از سمت پایه ترانزیستور، منبع تغذیه ضعیف 2 ولت را وصل می کنیم. به آن منبع ولتاژ متناوب را به صورت یک سینوسی با دامنه نوسان 0.1 ولت به صورت سری وصل می کنیم. این سیگنالی است که باید تقویت شود. مقاومت Rb در نزدیکی پایه برای محدود کردن جریان خروجی از منبع سیگنال، که معمولاً توان پایینی دارد، مورد نیاز است.

2. محاسبه جریان ورودی پایه I ب

حال بیایید جریان پایه I b را محاسبه کنیم. از آنجایی که ما با ولتاژ متناوب سر و کار داریم، باید دو مقدار جریان را محاسبه کنیم - در حداکثر ولتاژ (V max) و حداقل (V min). بیایید این مقادیر فعلی را به ترتیب بنامیم - I bmax و I bmin.

همچنین، برای محاسبه جریان پایه، باید ولتاژ پایه-امیتر V BE را بدانید. یک اتصال PN بین پایه و امیتر وجود دارد. به نظر می رسد که جریان پایه در مسیر خود با یک دیود نیمه هادی ملاقات می کند. ولتاژی که در آن یک دیود نیمه هادی شروع به هدایت می کند حدود 0.6 ولت است. ما به جزئیات ویژگی های ولتاژ جریان دیود نمی پردازیم و برای سهولت محاسبه، یک مدل تقریبی را انتخاب می کنیم که بر اساس آن ولتاژ در سراسر دیود رسانای جریان همیشه 0.6 ولت است. این بدان معنی است که ولتاژ بین پایه و امیتر V BE = 0.6V است. و از آنجایی که امیتر به زمین متصل است (V E = 0)، ولتاژ از پایه به زمین نیز 0.6V است (V B = 0.6V).

بیایید I bmax و I bmin را با استفاده از قانون اهم محاسبه کنیم:

2. محاسبه جریان خروجی کلکتور I C

اکنون با دانستن بهره (β = 200)، می‌توانیم به راحتی حداکثر و حداقل مقدار جریان کلکتور (I cmax و I cmin) را محاسبه کنیم.

3. محاسبه ولتاژ خروجی V out

جریان کلکتور از مقاومت Rc می گذرد که قبلاً آن را محاسبه کرده ایم. باقی مانده است که مقادیر را جایگزین کنیم:

4. تجزیه و تحلیل نتایج

همانطور که از نتایج مشاهده می شود، V Cmax کمتر از V Cmin بود. این به این دلیل است که ولتاژ V Rc از ولتاژ تغذیه VCC کم می شود. با این حال، در بیشتر موارد این مهم نیست، زیرا ما به جزء متغیر سیگنال علاقه مند هستیم - دامنه، که از 0.1 ولت به 1 ولت افزایش یافته است. فرکانس و شکل موج سینوسی تغییر نکرده است. البته یک V out / V در نسبت ده برابر با بهترین شاخص برای تقویت کننده فاصله زیادی دارد، اما برای نشان دادن روند تقویت کاملاً مناسب است.

بنابراین، اجازه دهید اصل عملکرد یک تقویت کننده در یک ترانزیستور دوقطبی را خلاصه کنیم. جریان I b از پایه عبور می کند و یک جزء ثابت و متغیر را حمل می کند. جزء ثابت مورد نیاز است تا اتصال PN بین پایه و امیتر شروع به هدایت کند - "باز می شود". جزء متغیر در واقع خود سیگنال است (اطلاعات مفید). قدرت جریان کلکتور-امیتر در داخل ترانزیستور حاصل ضرب جریان پایه در بهره β است. به نوبه خود، ولتاژ روی مقاومت Rc بالای کلکتور حاصل ضرب جریان تقویت شده کلکتور در مقدار مقاومت است.

بنابراین، خروجی V سیگنالی با دامنه نوسانات افزایش یافته، اما با شکل و فرکانس حفظ شده دریافت می کند. مهم است که تاکید شود که ترانزیستور برای تقویت از منبع تغذیه VCC انرژی می گیرد. اگر ولتاژ تغذیه کافی نباشد، ترانزیستور نمی تواند به طور کامل کار کند و سیگنال خروجی ممکن است مخدوش شود.

حالت های کاری ترانزیستور دوقطبی

مطابق با سطوح ولتاژ روی الکترودهای ترانزیستور، چهار حالت عملکرد آن وجود دارد:

• حالت قطع.
• حالت فعال (حالت فعال).
• حالت اشباع.
• حالت معکوس.

حالت قطع

هنگامی که ولتاژ پایه امیتر کمتر از 0.6 - 0.7 ولت باشد، اتصال PN بین پایه و امیتر بسته می شود. در این حالت ترانزیستور جریان پایه ندارد. در نتیجه، جریان کلکتوری نیز وجود نخواهد داشت، زیرا هیچ الکترون آزاد در پایه وجود ندارد که بتواند به سمت ولتاژ کلکتور حرکت کند. معلوم شد که ترانزیستور قفل است و می گویند داخل است حالت قطع.

حالت فعال

که در حالت فعالولتاژ پایه برای باز کردن اتصال PN بین پایه و امیتر کافی است. در این حالت ترانزیستور دارای جریان پایه و کلکتور است. جریان کلکتور برابر با جریان پایه ضرب در بهره است. یعنی حالت فعال حالت عادی کارکرد ترانزیستور است که برای تقویت استفاده می شود.

حالت اشباع

گاهی اوقات جریان پایه ممکن است خیلی زیاد باشد. در نتیجه، توان منبع برای تامین جریان کلکتوری که با بهره ترانزیستور مطابقت دارد کافی نیست. در حالت اشباع، جریان کلکتور حداکثری خواهد بود که منبع تغذیه می تواند تامین کند و تحت تاثیر جریان پایه قرار نخواهد گرفت. در این حالت، ترانزیستور قادر به تقویت سیگنال نیست، زیرا جریان کلکتور به تغییرات جریان پایه پاسخ نمی دهد.

در حالت اشباع، رسانایی ترانزیستور حداکثر است و برای عملکرد کلید (کلید) در حالت "روشن" مناسب تر است. به همین ترتیب، در حالت قطع، رسانایی ترانزیستور حداقل است، و این مربوط به سوئیچ در حالت "خاموش" است.

حالت معکوس

در این حالت، کلکتور و سوئیچ امیتر نقش دارند: اتصال PN کلکتور بایاس رو به جلو و اتصال امیتر بایاس معکوس است. در نتیجه جریان از پایه به کلکتور جریان می یابد. ناحیه نیمه هادی کلکتور با امیتر متقارن نیست و بهره در حالت معکوس کمتر از حالت فعال معمولی است. طراحی ترانزیستور به گونه ای ساخته شده است که در حالت فعال تا حد امکان کارآمد باشد. بنابراین در حالت معکوس ترانزیستور عملاً استفاده نمی شود.

پارامترهای اساسی ترانزیستور دوقطبی

سود فعلی- نسبت جریان کلکتور I C به جریان پایه I B . نشان داده شده است β , hfeیا h21eبسته به مشخصات محاسبات انجام شده با ترانزیستورها.

β یک مقدار ثابت برای یک ترانزیستور است و به ساختار فیزیکی دستگاه بستگی دارد. بهره بالا در صدها واحد، کم - در ده ها محاسبه می شود. برای دو ترانزیستور جداگانه از یک نوع، حتی اگر آنها در طول تولید "همسایگان در امتداد خط لوله" باشند، β ممکن است کمی متفاوت باشد. این ویژگی ترانزیستور دوقطبی شاید مهم ترین باشد. اگر سایر پارامترهای دستگاه اغلب در محاسبات نادیده گرفته شوند، افزایش فعلی تقریبا غیرممکن است.

امپدانس ورودی- مقاومت در ترانزیستور، که جریان پایه را "تطابق" می کند. نشان داده شده است R در (R در). هرچه بزرگتر باشد، برای ویژگی های تقویت کننده دستگاه بهتر است، زیرا معمولاً یک منبع سیگنال ضعیف در سمت پایه وجود دارد که باید تا حد امکان جریان کمتری را از آن مصرف کنید. گزینه ایده آل زمانی است که مقاومت ورودی برابر با بی نهایت باشد.

R در یک ترانزیستور دوقطبی متوسط ​​چند صد KΩ (کیلو اهم) است. در اینجا، ترانزیستور دوقطبی بسیار به ترانزیستور اثر میدانی از دست می دهد، جایی که مقاومت ورودی به صدها GΩ (گیگا اهم) می رسد.

هدایت خروجی- رسانایی ترانزیستور بین کلکتور و امیتر. هرچه رسانایی خروجی بیشتر باشد، جریان کلکتور-امیتر بیشتری می تواند با توان کمتر از ترانزیستور عبور کند.

همچنین، با افزایش رسانایی خروجی (یا کاهش امپدانس خروجی)، حداکثر باری که تقویت کننده می تواند با تلفات کمی در بهره کلی تحمل کند، افزایش می یابد. به عنوان مثال، اگر یک ترانزیستور با رسانایی خروجی پایین، یک سیگنال را 100 بار بدون بار تقویت کند، وقتی یک بار 1KΩ وصل شود، در حال حاضر فقط 50 بار تقویت می شود. ترانزیستوری با بهره یکسان اما رسانایی خروجی بالاتر افت بهره کمتری خواهد داشت. گزینه ایده آل زمانی است که رسانایی خروجی برابر با بی نهایت باشد (یا مقاومت خروجی R out = 0 (R out \u003d 0)).

در این مقاله، پارامتر مهم ترانزیستوری مانند ضریب بتا را تحلیل کرده ایم (β) . اما یک پارامتر جالب دیگر در ترانزیستور وجود دارد. به خودی خود، او ناچیز است، اما تجارت می تواند هوو انجام دهد! مانند سنگریزه ای است که به کفش ورزشی ورزشکاران فرو رفته است: به نظر کوچک است، اما هنگام دویدن باعث ناراحتی می شود. بنابراین چه چیزی مانع این "ریگ" ترانزیستور می شود؟ بیا بفهمیم...

اتصال مستقیم و معکوس اتصال PN

همانطور که به یاد داریم، یک ترانزیستور از سه نیمه هادی تشکیل شده است. ، که ما آن را امیتر پایه می نامیم محل اتصال قطره چکان، و انتقال، که پایه-گردآورنده است - انتقال جمع کننده

از آنجایی که در این حالت ما یک ترانزیستور NPN داریم، به این معنی است که جریان از کلکتور به امیتر می رسد، به شرطی که پایه را با اعمال ولتاژ بیش از 0.6 ولت به آن باز کنیم (خوب، به طوری که ترانزیستور باز شود) .

بیایید به طور فرضی یک چاقوی نازک و نازک برداریم و امیتر را درست در امتداد محل اتصال PN برش دهیم. ما چیزی شبیه به این دریافت خواهیم کرد:

متوقف کردن! دیود داریم؟ بله، او بهترین است! به یاد داشته باشید، در مقاله مشخصه جریان-ولتاژ (CVC)، ما ویژگی I-V یک دیود را در نظر گرفتیم:

در سمت راست CVC، می بینیم که چگونه شاخه گراف به شدت بالا رفته است. در این حالت ما به این صورت یک ولتاژ ثابت به دیود وارد کردیم، یعنی شد اتصال مستقیم دیود

دیود جریان الکتریکی را از خود عبور داد. من و شما حتی آزمایش هایی را با روشن کردن مستقیم و معکوس دیود انجام دادیم. کسی که به یاد نمی آورد، می تواند بخواند.

اما اگر قطبیت را معکوس کنید

سپس دیود جریان عبور نمی کند. همیشه به ما این گونه آموزش داده شده است، و حقیقتی در این امر وجود دارد، اما ... دنیای ما کامل نیست).

اتصال PN چگونه کار می کند؟ ما آن را به عنوان یک قیف نشان دادیم. بنابراین، برای این نقاشی

قیف ما به سمت جریان وارونه خواهد شد

جهت جریان آب جهت جریان الکتریکی است. قیف دیود است. اما این آبی است که از گردنه باریک قیف عبور کرده است؟ چگونه می توان آن را نامید؟ و او نامیده می شود اتصال PN جریان معکوس (I arr).

به نظر شما اگر سرعت جریان آب را اضافه کنید، آیا مقدار آبی که از گردنه باریک قیف عبور می کند بیشتر می شود؟ قطعا! بنابراین اگر ولتاژ را اضافه کنیم تو آر، سپس جریان معکوس افزایش می یابد من ارور میکنم، که من و شما در سمت چپ نمودار VAC دیود می بینیم:

اما تا چه اندازه می توان جریان آب را افزایش داد؟ اگر خیلی بزرگ باشد، قیف ما تحمل نمی کند، دیوارها می شکند و تکه تکه می شود، درست است؟ بنابراین، برای هر دیود، می توانید چنین پارامتری را پیدا کنید U arr.max، بیش از آن برای دیود معادل مرگ است.

به عنوان مثال، برای یک دیود D226B:

U arr.max\u003d 500 ولت و حداکثر پالس معکوس تو آر imp.max= 600 ولت اما به خاطر داشته باشید که مدارهای الکترونیکی همانطور که می گویند "با حاشیه 30٪" طراحی شده اند. و حتی اگر در مدار ولتاژ معکوس روی دیود 490 ولت باشد، دیودی در مدار قرار می گیرد که می تواند بیش از 600 ولت را تحمل کند. بهتر است با ارزش های انتقادی بازی نکنید). ولتاژ معکوس ضربه ای یک انفجار شدید ولتاژ است که می تواند تا دامنه 600 ولت برسد. اما در اینجا هم بهتر است با یک حاشیه کم بگیرید.

بنابراین ... اما من چه چیزی در مورد دیود و در مورد دیود ... به نظر می رسد ما در حال مطالعه ترانزیستور هستیم. اما هر چه که می توان گفت، دیود بلوک ساختمانی برای ساخت ترانزیستور است. بنابراین، اگر یک ولتاژ معکوس به محل اتصال کلکتور اعمال کنیم، جریان معکوس مانند یک دیود از طریق اتصال عبور می کند؟ دقیقا. و این پارامتر در ترانزیستور فراخوانی می شود . به آن اشاره می کنیم I KBOدر میان بورژواها - من CBO. مخفف "جریان بین کلکتور و پایه، با امیتر باز". به طور کلی، پای ساطع کننده به جایی نمی چسبد و در هوا آویزان می شود.

برای اندازه گیری جریان معکوس کلکتور، کافی است مدارهای ساده ای را جمع آوری کنید:

برای ترانزیستور NPN برای ترانزیستور PNP

برای ترانزیستورهای سیلیکونی، جریان کلکتور معکوس کمتر از 1 μA است، برای ترانزیستورهای ژرمانیومی: 1-30 μA. از آنجایی که من فقط از 10 μA اندازه گیری می کنم و ترانزیستور ژرمانیومی در دست ندارم، نمی توانم این آزمایش را انجام دهم، زیرا وضوح دستگاه اجازه نمی دهد.

ما به این سوال پاسخ ندادیم که چرا جریان معکوس کلکتور اینقدر مهم است و در کتاب های مرجع آورده شده است؟ نکته این است که در حین کار، ترانزیستور مقداری نیرو را به فضا پراکنده می کند، به این معنی که گرم می شود. جریان کلکتور معکوس بسیار وابسته به دما است و مقدار آن را برای هر 10 درجه سانتیگراد دو برابر می کند. نه خب چیه بگذار رشد کند، به نظر نمی رسد که کسی را اذیت کند.

تاثیر جریان کلکتور معکوس

نکته این است که در برخی از مدارهای سوئیچینگ، بخشی از این جریان از محل اتصال امیتر عبور می کند. و همانطور که من و شما به یاد داریم، جریان پایه از محل اتصال امیتر عبور می کند. هر چه جریان کنترل (جریان پایه) بیشتر باشد، کنترل شده (جریان کلکتور) بیشتر است. این همان چیزی است که در مقاله به آن پرداختیم. بنابراین، کوچکترین تغییر در جریان پایه منجر به تغییر زیادی در جریان کلکتور می شود و کل مدار شروع به خرابی می کند.

نحوه برخورد با جریان کلکتور معکوس

بنابراین، دشمن اصلی ترانزیستور دما است. توسعه دهندگان تجهیزات رادیویی الکترونیکی (REA) چگونه با آن برخورد می کنند؟

- از ترانزیستورهایی استفاده کنید که جریان کلکتور معکوس در آنها بسیار کم است. اینها البته ترانزیستورهای سیلیکونی هستند. یک اشاره کوچک - علامت گذاری ترانزیستورهای سیلیکونی با حروف "KT" شروع می شود، به این معنی بهکمربند تیرانزیستور

- استفاده از مدارهایی که جریان معکوس کلکتور را به حداقل می رساند.

جریان معکوس کلکتور یک پارامتر مهم ترانزیستور است. در دیتاشیت برای هر ترانزیستور آمده است. در مدارهایی که در شرایط دمایی شدید استفاده می شوند، جریان برگشتی کلکتور نقش بسیار زیادی ایفا می کند. بنابراین، اگر مداری را مونتاژ می کنید که از هیت سینک و فن استفاده نمی کند، البته بهتر است از ترانزیستورهایی با حداقل جریان کلکتور معکوس استفاده کنید.