Dalam mode apa transistor bipolar dapat bekerja. Transistor bipolar

Tergantung pada tegangan di terminal, transistor dapat berada dalam mode utama berikut:

• Modus potong;
• Modus aktif;
• Modus saturasi.

Selain mode tersebut, ada juga mode invers yang sangat jarang digunakan.

Modus batas

Ketika tegangan antara basis dan emitor lebih rendah dari 0,6V - 0,7V, maka sambungan p-n antara basis dan emitor ditutup. Dalam keadaan ini, transistor hampir tidak memiliki arus basis. Akibatnya, tidak akan ada arus kolektor juga, karena tidak ada elektron bebas di basis yang siap bergerak menuju tegangan kolektor. Ternyata transistornya terkunci, dan dikatakan dalam mode cutoff.

Modus aktif

Dalam mode aktif, basis disuplai dengan tegangan yang cukup untuk membuka sambungan pn antara basis dan emitor. Ada arus basis dan kolektor. Arus kolektor sama dengan arus basis dikalikan gain. Artinya, mode aktif adalah mode operasi normal transistor, yang digunakan untuk amplifikasi.

Modus saturasi

Jika Anda meningkatkan arus basis, mungkin ada saatnya arus kolektor berhenti meningkat, karena. transistor akan terbuka penuh dan arus hanya akan ditentukan oleh tegangan catu daya dan resistansi beban pada rangkaian kolektor. Transistor mencapai saturasi. Dalam mode saturasi, arus kolektor akan menjadi arus maksimum yang dapat disediakan oleh catu daya untuk resistansi beban tertentu, dan tidak akan bergantung pada arus basis. Dalam keadaan ini, transistor tidak mampu memperkuat sinyal, karena arus kolektor tidak merespon perubahan arus basis. Dalam mode saturasi, konduktansi transistor maksimum, dan lebih cocok untuk fungsi sakelar (kunci) dalam keadaan "on". Demikian pula, dalam mode cutoff, konduktansi transistor minimal, dan ini berhubungan dengan sakelar dalam keadaan "mati". Semua mode ini dapat dijelaskan dengan menggunakan karakteristik keluaran transistor.

Pertimbangkan tahap amplifikasi pada transistor yang dihubungkan menurut rangkaian emitor bersama (Gbr. 4.14). Ketika nilai sinyal input berubah, arus basis Ib akan berubah. Arus kolektor Ik bervariasi sebanding dengan arus basis:

Ik = β I b. (4.5.1)

Beras. 4.14. Skema tahap penguatan (gambar dibuat oleh penulis)

Perubahan arus kolektor dapat ditelusuri dari karakteristik keluaran transistor (Gbr. 4.15). Pada sumbu absis, kami memplot segmen yang sama dengan E K - tegangan sumber daya rangkaian kolektor, dan pada sumbu ordinat, kami memplot segmen yang sesuai dengan arus maksimum yang mungkin dalam rangkaian sumber ini:

I ke maks = E ke / R ke (4.5.2)

Di antara titik-titik tersebut kita tarik suatu garis lurus yang disebut garis beban dan digambarkan dengan persamaan:

I ke = (E ke - U ke) / R ke (4.5.3)

Dimana U KE adalah tegangan antara kolektor dan emitor transistor; R K - resistansi beban di sirkuit kolektor.

Beras. 4.15. Mode pengoperasian transistor bipolar (gambar dibuat oleh penulis)

Dari (4.5.3) berikut ini

R k = Ek / I k maks = tanα. (4.5.4)

Dan oleh karena itu, kemiringan garis beban ditentukan oleh hambatan R K. Dari gambar. 4.15 maka, tergantung pada arus basis Ib yang mengalir pada rangkaian masukan transistor, titik operasi transistor, yang menentukan arus dan tegangan kolektornya U KE, akan bergerak sepanjang garis beban dari posisi terendah (titik 1 , ditentukan oleh perpotongan garis beban dengan karakteristik keluaran di I b =0), sampai dengan titik 2, ditentukan oleh perpotongan garis beban dengan bagian awal karakteristik keluaran yang meningkat tajam.

Zona yang terletak di antara sumbu x dan karakteristik keluaran awal yang sesuai dengan I b =0 disebut zona cutoff dan dicirikan oleh fakta bahwa transisi transistor - emitor dan kolektor dibiaskan dalam arah yang berlawanan. Arus kolektor dalam hal ini adalah arus balik dari sambungan kolektor - I K0, yang sangat kecil dan oleh karena itu hampir seluruh tegangan catu daya E K turun antara emitor dan kolektor dari transistor tertutup:

kamu ke ≈ E ke.

Dan jatuh tegangan pada beban sangat kecil dan sama dengan:

U Rk = I k0 Rk (4.5.5)

Dikatakan bahwa dalam hal ini transistor beroperasi dalam mode cutoff. Karena dalam mode ini arus yang mengalir melalui beban semakin kecil, dan hampir seluruh tegangan catu daya dialirkan ke transistor tertutup, dalam mode ini transistor dapat direpresentasikan sebagai saklar terbuka.

Jika sekarang kita menaikkan arus basis I b, maka titik operasi akan bergerak sepanjang garis beban hingga mencapai titik 2. Arus basis yang sesuai dengan karakteristik yang melewati titik 2 disebut arus basis saturasi I b us. Di sini transistor memasuki mode saturasi dan peningkatan lebih lanjut pada arus basis tidak akan menyebabkan peningkatan arus kolektor I K. Zona antara sumbu y dan bagian karakteristik keluaran yang berubah secara tajam disebut zona saturasi. Dalam hal ini, kedua sambungan transistor diberi bias maju; arus kolektor mencapai nilai maksimumnya dan hampir sama dengan arus maksimum catu daya kolektor:

I k max ≈ I kepada kita (4.5.6)

dan tegangan antara kolektor dan emitor dari transistor terbuka sangat kecil. Oleh karena itu, dalam mode saturasi, transistor dapat direpresentasikan sebagai kunci tertutup.

Posisi tengah titik operasi antara zona cutoff dan zona saturasi menentukan pengoperasian transistor dalam mode penguatan, dan area lokasinya disebut wilayah aktif. Saat bekerja di wilayah ini, sambungan emitor digeser ke arah depan, dan sambungan kolektor digeser ke arah sebaliknya (Petrovich V.P., 2008).

Pertama-tama, mari kita ingat apa jenis transistor bipolar konduktivitas. Mereka yang membaca artikel sebelumnya, saya rasa mereka ingat bahwa transistor adalah konduksi NPN:

dan konduktivitas PNP

Prinsip pengoperasian transistor PNP

Perhatikan gambar ini:

Di sini kita melihat sebuah pipa yang melaluinya air mengalir dari bawah ke atas di bawah tekanan tinggi. Saat ini pipa ditutup dengan peredam berwarna merah sehingga tidak ada aliran air.

Namun begitu kita menarik kembali peredam dengan menarik sedikit tuas hijau, peredam merah ditarik kembali dan aliran air yang bergejolak mengalir melalui pipa dari bawah ke atas.

Namun disini kita kembali melepaskan tuas hijau, dan pegas biru mengembalikan peredam ke posisi semula dan menghalangi jalur air

Artinya, kami sedikit menarik peredam ke arah kami, dan air mengalir melalui pipa dengan aliran deras. Transistor PNP berperilaku hampir persis sama.Jika kita bayangkan pipa ini sebagai transistor, maka kesimpulannya akan seperti ini:

Jadi, agar arus mengalir dari emitor ke kolektor (dan Anda ingat bahwa arus harus mengalir ke tempat yang ditunjuk panah emitor)

kita perlu memastikannya dari pangkalan mengalir keluar saat ini, atau dalam istilah awam, berlaku untuk basis dikurangi daya("menarik" ketegangan pada diri sendiri).

Pengalaman praktis

Baiklah, mari kita dapatkan pengalaman yang sudah lama ditunggu-tunggu. Untuk melakukannya, ambil transistor KT814B, yang merupakan pasangan komplementer dari transistor KT815B.

Bagi Anda yang belum membaca artikel sebelumnya, saya ingin mengingatkan Anda akan hal itu pasangan gratis untuk seseorang transistor - ini adalah transistor dengan karakteristik dan parameter yang persis sama, TETAPI dia memang punya konduktivitas lainnya. Artinya transistor KT815 yang kita miliki balik konduktivitas, yaitu NPN, dan KT814 lurus konduktivitas, yaitu PNP. Hal sebaliknya juga berlaku: untuk transistor KT814, pasangan komplementernya adalah transistor KT815. Singkatnya, cerminkan saudara kembar.

Transistor KT814B adalah transistor konduktivitas PNP:

Ini pinoutnya:

Untuk menunjukkan prinsip pengoperasiannya, kami akan merakitnya sesuai dengan skema Common Emitter (CE):

Faktanya, keseluruhan skema terlihat seperti ini:

Kabel buaya biru berasal dari catu daya Kelelawar1, dan dua kabel lainnya dengan buaya, hitam dan merah, dari catu daya Kelelawar2.

Jadi, agar skemanya berhasil, kami mengaturnya Kelelawar2 tegangan untuk menyalakan bola lampu pijar. Karena kita mempunyai bola lampu 6 volt, kita atur ke 6 volt.

Pada catu daya Kelelawar1 tambahkan tegangan dengan hati-hati dari nol sampai lampu pijar menyala. Dan sekarang pada tegangan 0,6 volt

kami memiliki bola lampu

Artinya, transistor “terbuka” dan arus listrik mengalir melalui rangkaian emitor-kolektor, yang menyebabkan bola lampu kita terbakar. Tegangan pembuka adalah penurunan tegangan pada basis-emitor. Seperti yang Anda ingat, untuk transistor silikon (dan transistor KT814B adalah silikon, ditandai dengan huruf “K” di awal namanya), nilainya berada pada kisaran 0,5-0,7 Volt. Artinya, untuk “membuka” transistor, cukup memberikan tegangan lebih dari 0,5-0,7 Volt ke basis emitor.

Rangkaian switching transistor NPN dan PNP

Jadi, lihat kedua sirkuit tersebut dan temukan perbedaannya. Di sebelah kiri adalah transistor NPN KT815B pada rangkaian dengan OE, dan di sebelah kanan adalah KT814B sesuai dengan skema switching yang sama:

Nah, apa bedanya? Ya dalam polaritas daya! Dan sekarang kita dapat mengatakan dengan yakin bahwa transistor konduktivitas PNP terbuka dengan "minus", karena kita menerapkan "minus" ke basis, dan transistor konduktivitas NPN terbuka dengan "plus".

Transistor PNP adalah perangkat elektronik, dalam arti tertentu, kebalikan dari transistor NPN. Dalam desain transistor jenis ini, sambungan PN-nya dibuka oleh tegangan polaritas terbalik terhadap jenis NPN. Pada simbol perangkat, panah, yang juga mendefinisikan terminal emitor, kali ini menunjuk ke dalam simbol transistor.

Desain instrumen

Diagram struktur transistor tipe PNP terdiri dari dua wilayah material semikonduktor tipe-p di kedua sisi wilayah material tipe-n, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Panah menentukan emitor dan arah arus yang diterima secara umum ("in" untuk transistor PNP).

Transistor PNP memiliki karakteristik yang sangat mirip dengan transistor bipolar NPN, kecuali bahwa arah arus dan polaritas tegangan di dalamnya dibalik untuk salah satu dari tiga kemungkinan skema peralihan: basis bersama, emitor bersama, dan kolektor bersama.

Perbedaan utama antara kedua jenis transistor bipolar

Perbedaan utama di antara keduanya adalah lubang adalah pembawa arus utama untuk transistor PNP, transistor NPN memiliki elektron dalam kapasitas ini. Oleh karena itu, polaritas tegangan yang memberi makan transistor dibalik, dan arus inputnya mengalir dari basis. Sebaliknya, dengan transistor NPN, arus basis mengalir ke dalamnya, seperti yang ditunjukkan di bawah ini pada diagram pengkabelan untuk kedua jenis perangkat dengan basis bersama dan emitor bersama.

Prinsip pengoperasian transistor tipe PNP didasarkan pada penggunaan arus basis yang kecil (seperti tipe NPN) dan tegangan bias basis negatif (tidak seperti tipe NPN) untuk menggerakkan arus emitor-kolektor yang jauh lebih besar. Dengan kata lain, untuk transistor PNP, emitor lebih positif terhadap basis dan juga terhadap kolektor.

Perhatikan perbedaan tipe PNP pada rangkaian switching dengan common base

Memang terlihat dari IC arus kolektor (dalam kasus transistor NPN) mengalir keluar dari kutub positif baterai B2, melewati terminal kolektor, masuk ke dalamnya dan kemudian harus keluar melalui terminal basis. untuk kembali ke kutub negatif baterai. Dengan cara yang sama, dengan melihat rangkaian emitor, Anda dapat melihat bagaimana arus dari kutub positif baterai B1 memasuki transistor melalui terminal basis dan kemudian menembus ke emitor.

Jadi, arus kolektor I C dan arus emitor I E melewati terminal basis. Karena keduanya beredar dalam arah yang berlawanan dalam rangkaiannya, arus basis yang dihasilkan sama dengan selisihnya dan sangat kecil, karena I C sedikit lebih kecil dari I E . Tetapi karena yang terakhir masih lebih besar, arah aliran arus diferensial (arus basis) bertepatan dengan I E , dan oleh karena itu transistor bipolar tipe PNP memiliki arus yang mengalir dari basis, dan transistor bipolar tipe NPN memiliki arus. mengalir masuk.

Perbedaan tipe PNP pada contoh rangkaian switching dengan common emitor

Pada rangkaian baru ini, sambungan PN basis-emitor dihidupkan oleh tegangan baterai B1, dan sambungan kolektor-basis diberi bias balik oleh tegangan baterai B2. Terminal emitor dengan demikian dibagi antara rangkaian basis dan kolektor.

Total arus emitor diberikan oleh jumlah dari dua arus I C dan I B ; melewati keluaran emitor dalam satu arah. Jadi, kita mempunyai I E = I C + I B .

Dalam rangkaian ini, arus basis I B hanya "bercabang" dari arus emitor I E, juga searah dengannya. Pada saat yang sama, transistor tipe PNP masih mempunyai arus yang mengalir dari basis I B, dan transistor tipe NPN mempunyai arus yang mengalir masuk.

Pada rangkaian switching transistor ketiga yang diketahui, dengan common collector, situasinya persis sama. Oleh karena itu, kami menyajikannya bukan untuk menghemat ruang dan waktu pembaca.

Transistor PNP: koneksi sumber tegangan

Sumber tegangan antara basis dan emitor (V BE) dihubungkan negatif ke basis dan positif ke emitor, karena pengoperasian transistor PNP terjadi ketika basis mendapat bias negatif terhadap emitor.

Tegangan suplai emitor juga positif terhadap kolektor (V CE). Jadi, pada transistor tipe PNP, terminal emitor selalu lebih positif terhadap basis dan kolektor.

Sumber tegangan dihubungkan ke transistor PNP seperti terlihat pada gambar di bawah ini.

Kali ini kolektor dihubungkan ke tegangan suplai V CC melalui resistor beban, R L , yang membatasi arus maksimum yang mengalir melalui perangkat. Tegangan basis V B, yang membiaskannya ke arah negatif terhadap emitor, diterapkan melalui resistor R B, yang sekali lagi digunakan untuk membatasi arus basis maksimum.

Pengoperasian tahap transistor PNP

Jadi, agar arus basis mengalir pada transistor PNP, basis harus lebih negatif daripada emitor (arus harus meninggalkan basis) sekitar 0,7 volt untuk silikon atau 0,3 volt untuk germanium. Rumus yang digunakan untuk menghitung resistor basis, arus basis, atau arus kolektor sama dengan rumus yang digunakan untuk transistor NPN ekuivalen dan ditunjukkan di bawah ini.

Kita melihat bahwa perbedaan mendasar antara transistor NPN dan PNP adalah biasing yang benar pada sambungan pn, karena arah arus dan polaritas tegangan di dalamnya selalu berlawanan. Jadi untuk rangkaian diatas: IC = I E - I B karena arus harus mengalir dari basis.

Biasanya transistor PNP dapat diganti dengan transistor NPN di sebagian besar rangkaian elektronik, perbedaannya hanya pada polaritas tegangan dan arah arus. Transistor tersebut juga dapat digunakan sebagai perangkat switching dan contoh saklar PNP ditunjukkan di bawah ini.

Karakteristik transistor

Karakteristik keluaran transistor PNP sangat mirip dengan transistor NPN ekuivalen, hanya saja transistor tersebut diputar 180° untuk memungkinkan polaritas tegangan dan arus yang terbalik (arus basis dan kolektor transistor PNP adalah negatif). Demikian pula untuk mencari titik operasi transistor PNP, garis beban dinamisnya dapat diplot pada kuadran ke-3 sistem koordinat Cartesian.

Ciri khas transistor PNP 2N3906 ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Pasangan transistor dalam tahap penguat

Anda mungkin bertanya-tanya apa alasan menggunakan transistor PNP padahal tersedia banyak transistor NPN yang dapat digunakan sebagai amplifier atau saklar solid state? Namun, kehadiran dua jenis transistor yang berbeda - NPN dan PNP - memberikan keuntungan besar dalam desain rangkaian penguat daya. Penguat ini menggunakan pasangan transistor yang "komplementer" atau "cocok" (yaitu satu transistor PNP dan satu NPN yang dihubungkan bersama seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah) pada tahap keluaran.

Dua transistor NPN dan PNP yang bersesuaian dengan karakteristik serupa yang mirip satu sama lain disebut saling melengkapi. Misalnya, TIP3055 (tipe NPN) dan TIP2955 (tipe PNP) adalah contoh bagus dari transistor daya silikon komplementer. Keduanya memiliki penguatan arus konstan β=IC /I B yang cocok dalam kisaran 10% dan arus kolektor yang tinggi sekitar 15A, menjadikannya ideal untuk kontrol motor atau aplikasi robot.

Selain itu, amplifier kelas B juga menggunakan pasangan transistor yang cocok dalam tahap keluaran dayanya. Di dalamnya, transistor NPN hanya menghantarkan setengah gelombang positif dari sinyal, dan transistor PNP hanya menghantarkan setengah gelombang negatifnya.

Hal ini memungkinkan amplifier untuk menyalurkan daya yang diperlukan melalui loudspeaker di kedua arah untuk rating daya dan impedansi tertentu. Akibatnya, arus keluaran, yang biasanya berada pada urutan beberapa ampere, didistribusikan secara merata antara dua transistor yang saling melengkapi.

Pasangan transistor pada rangkaian kendali motor

Mereka juga digunakan dalam rangkaian kontrol jembatan-H untuk motor DC reversibel, yang memungkinkan untuk mengatur arus yang melalui motor secara merata di kedua arah putarannya.

Rangkaian H-bridge di atas dinamakan demikian karena konfigurasi dasar keempat saklar transistornya menyerupai huruf “H” dengan motor dalam garis bersilang. Transistor H-bridge mungkin merupakan salah satu jenis rangkaian kontrol motor DC reversibel yang paling umum digunakan. Ia menggunakan pasangan transistor tipe NPN dan PNP "pelengkap" di setiap cabang, bertindak sebagai kunci dalam mengendalikan motor.

Input kontrol A memungkinkan motor berjalan dalam satu arah, sedangkan input B digunakan untuk putaran terbalik.

Misal transistor TR1 on dan TR2 off maka input A dihubungkan dengan tegangan suplai (+Vcc), dan jika transistor TR3 off dan TR4 on maka input B dihubungkan ke tegangan 0 volt (GND). Oleh karena itu, motor akan berputar dalam satu arah, sesuai dengan potensial positif pada masukan A dan potensial negatif pada masukan B.

Jika keadaan saklar diubah sehingga TR1 mati, TR2 hidup, TR3 hidup, dan TR4 mati, maka arus motor akan mengalir berlawanan arah sehingga menyebabkan arus balik.

Dengan menggunakan logika “1” atau “0” yang berlawanan pada input A dan B, arah putaran motor dapat dikontrol.

Menentukan jenis transistor

Setiap transistor bipolar pada dasarnya dapat dianggap sebagai dua dioda yang dihubungkan secara berurutan.

Kita dapat menggunakan analogi ini untuk menentukan apakah suatu transistor bertipe PNP atau NPN dengan menguji resistansinya pada ketiga terminalnya. Menguji masing-masing pasangan di kedua arah dengan multimeter, setelah enam kali pengukuran diperoleh hasil sebagai berikut:

1. Emitor - Basis. Pin ini harus bertindak seperti dioda biasa dan hanya menghantarkan arus dalam satu arah.

2.Kolektor - Basis. Pin ini juga harus bertindak seperti dioda biasa dan hanya menghantarkan arus dalam satu arah.

3. Emitor - Kolektor. Temuan-temuan ini tidak boleh mengarah ke arah mana pun.

Nilai resistansi transisi kedua jenis transistor

Kemudian kita dapat mendefinisikan transistor PNP dalam keadaan baik dan tertutup. Arus keluaran yang kecil dan tegangan negatif pada basisnya (B) terhadap emitornya (E) akan membukanya dan memungkinkan arus emitor-kolektor yang jauh lebih besar mengalir. Transistor PNP bekerja pada potensial emitor positif. Dengan kata lain, transistor bipolar PNP hanya akan bekerja jika terminal basis dan kolektor negatif terhadap emitor.

transistor bipolar- perangkat semikonduktor elektronik, salah satu jenis transistor, yang dirancang untuk memperkuat, menghasilkan, dan mengubah sinyal listrik. Transistor disebut bipolar, karena dua jenis pembawa muatan secara bersamaan berpartisipasi dalam pengoperasian perangkat - elektron Dan lubang. Dalam hal ini berbeda dengan unipolar transistor (efek medan), di mana hanya satu jenis pembawa muatan yang berpartisipasi.

Prinsip kerja kedua jenis transistor ini mirip dengan cara kerja katup air yang mengatur aliran air, hanya aliran elektron yang melewati transistor. Dalam transistor bipolar, dua arus melewati perangkat - arus "besar" utama, dan arus kontrol "kecil". Kekuatan arus utama tergantung pada kekuatan kontrol. Dalam transistor efek medan, hanya satu arus yang melewati perangkat, yang kekuatannya bergantung pada medan elektromagnetik. Pada artikel ini, kita akan membahas lebih detail pengoperasian transistor bipolar.

Perangkat transistor bipolar.

Transistor bipolar terdiri dari tiga lapisan semikonduktor dan dua sambungan PN. Transistor PNP dan NPN dibedakan berdasarkan jenis lubang bolak-balik dan konduktivitas elektroniknya. Ibarat dua dioda yang dihubungkan berhadapan atau sebaliknya.

Transistor bipolar memiliki tiga kontak (elektroda). Kontak yang muncul dari lapisan tengah disebut dasar (basis). Elektroda ujung diberi nama pengumpul Dan emitor (pengumpul Dan emitor). Lapisan dasar sangat tipis dibandingkan dengan kolektor dan emitor. Selain itu, daerah semikonduktor di tepi transistor tidak simetris. Lapisan semikonduktor pada sisi kolektor sedikit lebih tebal dibandingkan pada sisi emitor. Ini diperlukan agar transistor berfungsi dengan benar.

Pertimbangkan proses fisik yang terjadi selama pengoperasian transistor bipolar. Mari kita ambil model NPN sebagai contoh. Prinsip pengoperasian transistor PNP serupa, hanya polaritas tegangan antara kolektor dan emitor yang berlawanan.

Seperti yang telah disebutkan dalam artikel tentang jenis konduktivitas dalam semikonduktor, dalam zat tipe P terdapat ion bermuatan positif - lubang. Zat tipe N jenuh dengan elektron bermuatan negatif. Pada transistor, konsentrasi elektron pada daerah N jauh lebih tinggi dibandingkan konsentrasi hole pada daerah P.

Hubungkan sumber tegangan antara kolektor dan emitor V CE (V CE). Di bawah aksinya, elektron dari bagian atas N akan mulai tertarik ke plus dan berkumpul di dekat kolektor. Namun arus tidak dapat mengalir karena medan listrik sumber tegangan tidak sampai ke emitor. Hal ini dicegah dengan lapisan semikonduktor kolektor yang tebal ditambah lapisan semikonduktor dasar.

Sekarang kita menghubungkan tegangan antara basis dan emitor V BE , tetapi jauh lebih rendah dari V CE (untuk transistor silikon, minimum yang diperlukan V BE adalah 0,6V). Karena lapisan P sangat tipis, ditambah sumber tegangan yang dihubungkan ke basis, akan mampu “menjangkau” medan listriknya ke daerah N emitor. Di bawah aksinya, elektron akan menuju ke basa. Beberapa di antaranya akan mulai mengisi lubang-lubang yang ada di sana (bergabung kembali). Bagian lainnya tidak akan menemukan lubang bebas untuk dirinya sendiri, karena konsentrasi lubang pada basa jauh lebih rendah dibandingkan konsentrasi elektron pada emitor.

Akibatnya, lapisan tengah basa diperkaya dengan elektron bebas. Kebanyakan dari mereka akan menuju kolektor, karena tegangan di sana jauh lebih tinggi. Hal ini juga difasilitasi oleh ketebalan lapisan tengah yang sangat kecil. Beberapa bagian elektron, meskipun jauh lebih kecil, masih akan mengalir menuju basa plus.

Hasilnya, kita mendapatkan dua arus: arus kecil - dari basis ke emitor I BE, dan arus besar - dari kolektor ke emitor I CE.

Jika tegangan basis dinaikkan, maka lebih banyak elektron yang akan terakumulasi pada lapisan P. Akibatnya arus basis akan sedikit meningkat dan arus kolektor akan meningkat secara signifikan. Dengan demikian, dengan perubahan kecil pada arus basis I B , arus kolektor I sangat bervariasi C. Begitulah yang terjadi penguatan sinyal pada transistor bipolar. Perbandingan arus kolektor I C dengan arus basis I B disebut penguatan arus. Dilambangkan β , hfe atau h21e, tergantung pada spesifikasi perhitungan yang dilakukan dengan transistor.

Penguat transistor bipolar paling sederhana

Mari kita perhatikan lebih detail prinsip penguatan sinyal pada bidang listrik dengan menggunakan contoh rangkaian. Saya akan membuat reservasi terlebih dahulu bahwa skema seperti itu tidak sepenuhnya benar. Tidak ada seorang pun yang menghubungkan sumber tegangan DC langsung ke sumber AC. Namun dalam hal ini akan lebih mudah dan jelas untuk memahami mekanisme amplifikasi itu sendiri dengan menggunakan transistor bipolar. Selain itu, teknik penghitungannya sendiri pada contoh di bawah ini agak disederhanakan.

1. Deskripsi elemen utama rantai

Jadi, katakanlah kita mempunyai transistor dengan gain 200 (β = 200). Dari sisi kolektor, kami menghubungkan sumber daya 20V yang relatif kuat, karena energi yang akan terjadi amplifikasi. Dari sisi basis transistor, kami menghubungkan sumber daya lemah 2V. Untuk itu kita sambungkan secara seri sumber tegangan bolak-balik berbentuk sinus, dengan amplitudo osilasi 0,1V. Ini akan menjadi sinyal yang harus diperkuat. Resistor Rb di dekat basis diperlukan untuk membatasi arus yang datang dari sumber sinyal, yang biasanya berdaya rendah.

2. Perhitungan arus masukan basis I b

Sekarang mari kita hitung arus basis I b. Karena kita berurusan dengan tegangan bolak-balik, kita perlu menghitung dua nilai arus - pada tegangan maksimum (V max) dan minimum (V min). Sebut saja nilai-nilai saat ini - I bmax dan I bmin.

Selain itu, untuk menghitung arus basis, Anda perlu mengetahui tegangan basis-emitor V BE. Ada satu sambungan PN antara basis dan emitor. Ternyata arus basis "bertemu" dengan dioda semikonduktor dalam perjalanannya. Tegangan dioda semikonduktor mulai menghantarkan listrik adalah sekitar 0,6V. Kami tidak akan merinci karakteristik tegangan arus dioda, dan untuk memudahkan perhitungan, kami akan mengambil model perkiraan, yang menurutnya tegangan melintasi dioda penghantar arus selalu 0,6V. Artinya tegangan antara basis dan emitor adalah V BE = 0,6V. Dan karena emitor dihubungkan ke ground (VE = 0), tegangan dari basis ke ground juga 0,6V (VB = 0,6V).

Mari kita hitung I bmax dan I bmin menggunakan hukum Ohm:

2. Perhitungan arus keluaran kolektor I C

Sekarang, dengan mengetahui gain (β = 200), kita dapat dengan mudah menghitung nilai maksimum dan minimum arus kolektor (I cmmax dan I cmin).

3. Perhitungan tegangan keluaran V out

Arus kolektor mengalir melalui resistor Rc yang telah kita hitung. Tetap mengganti nilai-nilai:

4. Analisis hasil

Terlihat dari hasilnya, V Cmax ternyata lebih kecil dari V Cmin . Hal ini karena tegangan pada V Rc dikurangi dari tegangan suplai VCC. Namun, dalam banyak kasus hal ini tidak menjadi masalah, karena kita tertarik pada komponen variabel sinyal - amplitudo, yang meningkat dari 0,1V ke 1V. Frekuensi dan bentuk gelombang sinusoidal tidak berubah. Tentu saja, rasio V out / V sepuluh kali lipat bukanlah indikator terbaik untuk sebuah amplifier, tetapi cukup cocok untuk mengilustrasikan proses amplifikasi.

Jadi, mari kita rangkum prinsip pengoperasian penguat pada transistor bipolar. Arus I b mengalir melalui basis, membawa komponen konstan dan variabel. Komponen konstan diperlukan agar sambungan PN antara basis dan emitor mulai berkonduksi - “terbuka”. Komponen variabel sebenarnya adalah sinyal itu sendiri (informasi berguna). Kuat arus kolektor-emitor di dalam transistor adalah hasil perkalian arus basis dengan penguatan β. Pada gilirannya, tegangan pada resistor Rc di atas kolektor adalah hasil perkalian arus kolektor yang diperkuat dengan nilai resistor.

Jadi, keluaran V out menerima sinyal dengan amplitudo osilasi yang meningkat, tetapi dengan bentuk dan frekuensi yang dipertahankan. Penting untuk ditekankan bahwa transistor mengambil energi untuk amplifikasi dari catu daya VCC. Jika tegangan suplai tidak mencukupi, transistor tidak akan dapat bekerja sepenuhnya, dan sinyal keluaran mungkin terdistorsi.

Mode pengoperasian transistor bipolar

Sesuai dengan level tegangan pada elektroda transistor, ada empat mode operasinya:

• Modus terputus.
• Mode aktif (mode aktif).
• Modus saturasi.
• Modus terbalik.

Modus batas

Ketika tegangan basis-emitor lebih rendah dari 0,6V - 0,7V, sambungan PN antara basis dan emitor ditutup. Dalam keadaan ini, transistor tidak memiliki arus basis. Akibatnya, tidak akan ada arus kolektor juga, karena tidak ada elektron bebas di basis yang siap bergerak menuju tegangan kolektor. Ternyata transistornya seolah-olah terkunci, dan katanya masuk mode pemutusan.

Modus aktif

DI DALAM modus aktif tegangan pada basis cukup untuk membuka sambungan PN antara basis dan emitor. Dalam keadaan ini, transistor memiliki arus basis dan kolektor. Arus kolektor sama dengan arus basis dikalikan gain. Artinya, mode aktif adalah mode operasi normal transistor, yang digunakan untuk amplifikasi.

Modus saturasi

Terkadang arus basis mungkin terlalu besar. Akibatnya, daya suplai tidak cukup untuk menyediakan arus kolektor yang sesuai dengan penguatan transistor. Dalam mode saturasi, arus kolektor akan menjadi maksimum yang dapat disediakan oleh catu daya dan tidak akan terpengaruh oleh arus basis. Dalam keadaan ini, transistor tidak mampu memperkuat sinyal, karena arus kolektor tidak merespon perubahan arus basis.

Dalam mode saturasi, konduktansi transistor maksimum, dan lebih cocok untuk fungsi sakelar (kunci) dalam keadaan "on". Demikian pula, dalam mode cutoff, konduktansi transistor minimal, dan ini berhubungan dengan sakelar dalam keadaan "mati".

Modus terbalik

Dalam mode ini, saklar kolektor dan emitor berperan: sambungan PN kolektor mendapat bias maju, dan sambungan emitor mendapat bias mundur. Akibatnya arus mengalir dari basis ke kolektor. Daerah semikonduktor kolektor tidak simetris dengan emitor, dan penguatan pada mode invers lebih rendah dibandingkan pada mode aktif normal. Perancangan transistor dibuat sedemikian rupa sehingga bekerja seefisien mungkin dalam mode aktif. Oleh karena itu, dalam mode terbalik, transistor praktis tidak digunakan.

Parameter dasar transistor bipolar.

keuntungan saat ini- perbandingan arus kolektor I C dengan arus basis I B . Dilambangkan β , hfe atau h21e, tergantung pada spesifikasi perhitungan yang dilakukan dengan transistor.

β adalah nilai konstan untuk satu transistor, dan bergantung pada struktur fisik perangkat. Keuntungan tinggi dihitung dalam ratusan unit, rendah - dalam puluhan. Untuk dua transistor terpisah dengan tipe yang sama, meskipun keduanya merupakan “tetangga sepanjang jalur pipa” selama produksi, β mungkin sedikit berbeda. Karakteristik transistor bipolar ini mungkin yang paling penting. Jika parameter lain dari perangkat sering diabaikan dalam perhitungan, maka perolehan arus hampir tidak mungkin dilakukan.

Impedansi masukan- resistansi pada transistor, yang "memenuhi" arus basis. Dilambangkan masuk (masuk). Semakin besar, semakin baik untuk karakteristik penguatan perangkat, karena biasanya terdapat sumber sinyal lemah di sisi dasar, sehingga Anda perlu mengonsumsi arus sesedikit mungkin. Pilihan ideal adalah ketika resistansi masukan sama dengan tak terhingga.

R in untuk transistor bipolar rata-rata adalah beberapa ratus KΩ (kilo-ohm). Di sini, transistor bipolar sangat kalah dengan transistor efek medan, yang resistansi inputnya mencapai ratusan GΩ (gigaohm).

Konduktansi Keluaran- Konduktivitas transistor antara kolektor dan emitor. Semakin besar konduktansi keluaran, semakin banyak arus kolektor-emitor yang dapat melewati transistor dengan daya lebih kecil.

Selain itu, dengan peningkatan konduktansi keluaran (atau penurunan impedansi keluaran), beban maksimum yang dapat ditahan oleh penguat dengan sedikit kehilangan penguatan keseluruhan akan meningkat. Misalnya, jika transistor dengan konduktansi keluaran rendah memperkuat sinyal 100 kali tanpa beban, maka ketika beban 1KΩ dihubungkan, sinyal tersebut hanya akan diperkuat 50 kali. Transistor dengan penguatan yang sama tetapi konduktansi keluaran yang lebih tinggi akan memiliki penurunan penguatan yang lebih kecil. Pilihan ideal adalah ketika konduktivitas keluaran sama dengan tak terhingga (atau resistansi keluaran R out = 0 (R out = 0)).

Dalam artikel tersebut, kami telah menganalisis parameter transistor penting seperti koefisien beta (β) . Namun ada parameter menarik lainnya pada transistor. Dengan sendirinya, dia tidak penting, tapi bisnis bisa berhasil hoo! Ibarat kerikil yang masuk ke dalam sepatu kets seorang atlet: kelihatannya kecil, namun menimbulkan ketidaknyamanan saat berlari. Jadi apa yang mencegah “kerikil” ini dari transistor? Mari kita cari tahu...

Koneksi langsung dan terbalik dari persimpangan PN

Seperti yang kita ingat, transistor terdiri dari tiga semikonduktor. , yang kita sebut sebagai basis-emitor persimpangan emitor, dan transisi, yang merupakan kolektor dasar - transisi kolektor.

Karena dalam hal ini kita mempunyai transistor NPN, berarti arus akan mengalir dari kolektor ke emitor dengan syarat kita membuka basis dengan memberikan tegangan lebih dari 0,6 Volt (yah, agar transistor terbuka) .

Mari kita secara hipotetis mengambil pisau tipis-tipis dan memotong emitor tepat di sepanjang sambungan PN. Kita akan mendapatkan sesuatu seperti ini:

Berhenti! Apakah kita punya dioda? Ya, dia yang terbaik! Ingat, dalam artikel karakteristik tegangan arus (CVC), kita membahas karakteristik I-V dioda:

Di sisi kanan CVC, kita melihat bagaimana cabang grafiknya melonjak sangat tajam. Dalam hal ini, kami menerapkan tegangan konstan ke dioda dengan cara ini koneksi langsung dioda.

Dioda melewatkan arus listrik melalui dirinya sendiri. Anda dan saya bahkan melakukan eksperimen dengan penyalaan dioda secara langsung dan terbalik. Siapa yang tidak ingat, Anda bisa membacanya.

Namun jika polaritasnya dibalik

maka dioda tidak akan mengalirkan arus. Kita selalu diajari seperti ini, dan ada benarnya juga, tapi... dunia kita tidak sempurna).

Bagaimana cara kerja persimpangan PN? Kami merepresentasikannya sebagai corong. Jadi, untuk gambar ini

corong kita akan terbalik menuju sungai

Arah aliran air adalah arah arus listrik. Corong adalah dioda. Tapi inilah air yang berhasil melewati leher corong yang sempit? Bagaimana bisa disebut? Dan dia dipanggil membalikkan persimpangan PN arus (I arr).

Bagaimana menurut Anda, jika kecepatan aliran air dijumlahkan, apakah jumlah air yang melewati leher sempit corong akan bertambah? Tentu saja! Jadi jika kita menambahkan tegangan kamu arr, maka arus balik akan meningkat aku arr, yang Anda dan saya lihat di sisi kiri grafik VAC dioda:

Namun sejauh mana aliran air bisa ditingkatkan? Kalau terlalu besar, corong kita tidak akan tahan, temboknya akan retak dan pecah berkeping-keping ya? Oleh karena itu, untuk setiap dioda Anda dapat menemukan parameter seperti kamu arr.max, kelebihannya untuk dioda setara dengan kematian.

Misalnya, untuk dioda D226B:

kamu arr.max= 500 Volt, dan pulsa balik maksimum kamu arr. imp.max= 600 volt. Namun perlu diingat bahwa sirkuit elektronik dirancang, seperti yang mereka katakan, “dengan margin 30%”. Dan walaupun pada rangkaian tersebut tegangan balik pada dioda adalah 490 volt, maka akan dimasukkan ke dalam rangkaian tersebut sebuah dioda yang mampu menahan lebih dari 600 volt. Lebih baik tidak bermain-main dengan nilai-nilai kritis). Tegangan balik impuls merupakan semburan tegangan tajam yang dapat mencapai amplitudo hingga 600 volt. Tapi di sini juga, lebih baik mengambil dengan margin kecil.

Jadi...tapi apa yang saya maksud dengan dioda dan tentang dioda... Sepertinya kita sedang mempelajari transistor. Tapi apa pun yang dikatakan orang, dioda adalah bahan penyusun untuk membangun transistor. Jadi, jika kita menerapkan tegangan balik ke sambungan kolektor, maka arus balik akan mengalir melalui sambungan tersebut, seperti pada dioda? Tepat. Dan parameter ini disebut dalam transistor . Kami menyebutnya sebagai saya KBO, di kalangan borjuis - saya CBO. berdiri untuk “arus antara kolektor dan basis, dengan emitor terbuka”. Secara kasar, kaki emitor tidak menempel dimanapun dan menggantung di udara.

Untuk mengukur arus balik kolektor, cukup dengan merakit rangkaian sederhana berikut:

Untuk transistor NPN Untuk transistor PNP

Untuk transistor silikon, arus kolektor balik kurang dari 1 μA, untuk transistor germanium: 1-30 μA. Karena saya hanya mengukur dari 10 μA, dan saya tidak memiliki transistor germanium, saya tidak akan dapat melakukan percobaan ini, karena resolusi perangkat tidak memungkinkan.

Kami belum menjawab pertanyaan mengapa arus balik kolektor begitu penting dan diberikan dalam buku referensi? Masalahnya adalah selama operasi, transistor membuang sebagian daya ke ruang angkasa, yang berarti memanas. Arus kolektor balik sangat bergantung pada suhu dan nilainya berlipat ganda untuk setiap 10 derajat Celcius. Tidak, apa itu? Biarkan tumbuh, sepertinya tidak mengganggu siapa pun.

Pengaruh arus kolektor terbalik

Masalahnya adalah bahwa di beberapa rangkaian switching, sebagian arus ini melewati persimpangan emitor. Dan seperti yang Anda dan saya ingat, arus basis mengalir melalui persimpangan emitor. Semakin besar arus kendali (arus basis), semakin besar arus yang dikendalikan (arus kolektor). Inilah yang kami bahas di artikel. Oleh karena itu, perubahan sekecil apa pun pada arus basis menyebabkan perubahan besar pada arus kolektor dan seluruh rangkaian mulai mengalami kegagalan fungsi.

Cara mengatasi arus kolektor terbalik

Jadi, musuh utama transistor adalah suhu. Bagaimana cara para pengembang peralatan radio-elektronik (REA) menghadapinya?

- gunakan transistor yang arus kolektor baliknya sangat kecil. Ini tentu saja adalah transistor silikon. Sedikit petunjuk - penandaan transistor silikon diawali dengan huruf "KT" yang artinya KE sabuk T resistor.

– penggunaan sirkuit yang meminimalkan arus balik kolektor.

Arus balik kolektor merupakan parameter transistor yang penting. Itu diberikan dalam lembar data untuk setiap transistor. Pada rangkaian yang digunakan pada kondisi temperatur ekstrim, arus balik kolektor akan memegang peranan yang sangat besar. Oleh karena itu, jika Anda sedang merakit rangkaian yang tidak menggunakan heatsink dan kipas angin, maka tentunya lebih baik mengambil transistor dengan arus kolektor balik yang minimal.