バイポーラトランジスタはどのようなモードで動作できますか? バイポーラトランジスタ

端子の電圧に応じて、トランジスタは次のメイン モードになります。

• カットオフモード。
• アクティブモード。
• 飽和モード。

これらのモードに加えて、非常にまれに使用される逆モードもあります。

カットオフモード

ベース・エミッタ間の電圧が0.6V～0.7V未満の場合、 pn接合ベースとエミッタの間は閉じられています。 この状態では、トランジスタには事実上ベース電流がありません。 その結果、ベースにはコレクタ電圧に向かって移動する準備ができている自由電子がないため、コレクタ電流も存在しません。 トランジスタがロックしていることが判明し、カットオフモードになっていると言われています。

アクティブモード

アクティブモードでは、ベースとエミッタの間のpn接合を開くのに十分な電圧がベースに印加されます。 ベース電流とコレクタ電流が発生します。 コレクタ電流は、ベース電流にゲインを乗算した値に等しくなります。 つまり、アクティブ モードは、増幅に使用されるトランジスタの通常の動作モードです。

飽和モード

ベース電流を増加させると、コレクタ電流の増加が止まる瞬間が来る可能性があります。 トランジスタは完全に開き、電流は電源の電圧とコレクタ回路の負荷抵抗だけによって決まります。 トランジスタが飽和状態に達します。 飽和モードでは、コレクタ電流は、所定の負荷抵抗で電源によって供給できる最大値となり、ベース電流には依存しません。 この状態では、コレクタ電流がベース電流の変化に応答しないため、トランジスタは信号を増幅できません。 飽和モードでは、トランジスタの導電率が最大となり、「オン」状態のスイッチ（スイッチ）の機能により適しています。 同様に、カットオフモードでは、トランジスタの導電率は最小となり、これはスイッチがオフ状態にあることに対応します。 これらすべてのモードは、トランジスタの出力特性を使用して説明できます。

エミッタ接地回路に接続されたトランジスタの増幅段を考えてみましょう (図 4.14)。 入力信号が変化すると、ベース電流 Ib が変化します。 コレクタ電流 Ik はベース電流に比例して変化します。

Ｉκ＝βＩ ｂ． (4.5.1)

米。 4.14。 増幅段の図（筆者作成）

コレクタ電流の変化はトランジスタの出力特性で追跡できます(図4.15)。 横軸には、コレクタ回路の電源の電圧である E K に等しいセグメントをプロットし、縦軸には、この電源の回路内で可能な最大電流に対応するセグメントをプロットします。

I から最大 = E から /R から (4.5.2)

これらの点の間に直線を引きます。これは荷重線と呼ばれ、次の方程式で表されます。

I k = (E k - U k e)/R k (4.5.3)

ここで、U CE はトランジスタのコレクタとエミッタ間の電圧です。 R K - コレクタ回路の負荷抵抗。

米。 4.15。 バイポーラトランジスタの動作モード（筆者作成の図）

(4.5.3) から次のことがわかります。

Rk = Ek/Ik max = Tanα。 (4.5.4)

したがって、負荷線の傾きは抵抗 R K によって決まります。 4.15 より、トランジスタの入力回路を流れるベース電流 Ib に応じて、コレクタ電流と電圧 U CE を決定するトランジスタの動作点は、最低位置 (点 1) から負荷線に沿って移動することになります。 、Ｉ ｂ ＝０における負荷線と出力特性との交点によって決定される点２まで）、負荷線と出力特性の最初の急激に増加する部分との交点によって決定される点２まで。

横軸と I b = 0 に対応する初期出力特性の間に位置するゾーンはカットオフゾーンと呼ばれ、トランジスタの両方の遷移 (エミッタとコレクタ) が反対方向にバイアスされるという事実によって特徴付けられます。 この場合のコレクタ電流は、コレクタ接合の逆電流 I K0 を表します。これは非常に小さいため、電源 E K のほぼ全体の電圧は、閉じたトランジスタのエミッタとコレクタの間で降下します。

うけ≒えけ。

また、負荷両端の電圧降下は非常に小さく、次のようになります。

U Rк = I к0 Rк (4.5.5)

この場合、トランジスタはカットオフモードで動作すると言われています。 このモードでは、負荷を流れる電流は無視できるほど小さく、電源のほぼ全電圧が閉じたトランジスタに印加されるため、このモードではトランジスタは開いたスイッチとして表すことができます。

ここでベース電流 I b を増加させると、動作点は点 2 に達するまで負荷線に沿って移動します。点 2 を通過する特性に対応するベース電流は、飽和ベース電流 I b us と呼ばれます。 ここでトランジスタは飽和モードに入り、ベース電流がさらに増加し​​てもコレクタ電流 I K は増加しません。縦軸と出力特性の急激に変化する部分の間のゾーンは飽和ゾーンと呼ばれます。 この場合、トランジスタの両方の接合が順バイアスされます。 コレクタ電流は最大値に達し、コレクタ電源の最大電流とほぼ等しくなります。

I k max ≈ I to us (4.5.6)

そして、開いたトランジスタのコレクタとエミッタ間の電圧は非常に小さいことがわかります。 したがって、飽和モードでは、トランジスタは閉じたスイッチとして表すことができます。

カットオフゾーンと飽和ゾーンの間の動作点の中間位置は、増幅モードでのトランジスタの動作を決定し、それが位置する領域はアクティブ領域と呼ばれます。 この領域で作業する場合、エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ接合は反対方向にバイアスされます (Petrovich V.P.、2008)。

まず、バイポーラトランジスタがどのような導電率であるかを思い出してください。 以前の記事を読んだ人は、トランジスタが NPN 導電性であることを覚えていると思います。

およびPNP導電率

PNPトランジスタの動作原理

この写真を見てみましょう:

ここでは、水が下から上に流れるパイプが見えます。 高圧。 現在、パイプは赤いバルブで閉じられているため、水は流れていません。

しかし、緑のレバーを少し引いてバルブを引くとすぐに、赤いバルブが引き戻され、パイプの下から上に急速な水流が流れます。

しかし、再び緑のレバーを放すと、青いバネがフラップを元の位置に戻し、水の経路を遮断します。

つまり、バルブを少し手前に引くと、水がパイプの中を猛烈な勢いで流れました。 PNP トランジスタはほぼ同じように動作します。このパイプをトランジスタとして想像すると、結論は次のようになります。

これは、電流がエミッタからコレクタに流れるためには、エミッタの矢印が指す場所に電流が流れなければならないことを意味します。

私たちはそれを基礎から確認しなければなりません 流出した現在、または素人言葉で言えば、 ベースにマイナス電源を供給（緊張を自分自身に「引っ張る」）。

実務の経験

さて、お待ちかねの実験を行ってみましょう。 これを行うには、KT815B トランジスタの相補ペアである KT814B トランジスタを取り上げます。

過去記事をよく読んでいない方に念のため言っておきますが、 無料のカップル 誰かのトランジスタのために - これはまったく同じ特性とパラメータを持つトランジスタです, しかし彼はただ持っているだけです その他の導電性。 これは、KT815トランジスタがあることを意味します 逆行する導電率、つまりNPNとKT814 真っ直ぐ導電率、つまりPNPです。 逆も同様です。KT814 トランジスタの場合、相補ペアは KT815 トランジスタです。 要するに鏡のような双子の兄弟。

トランジスタ KT814B は PNP トランジスタです。

そのピン配列は次のとおりです。

動作原理を示すために、コモンエミッタ (CE) 回路に従って組み立てます。

実際、全体のスキームは次のようになります。

青いワニ線は電源から来ています バット1、および電源からの黒と赤のワニの付いた他の 2 本のワイヤー バット2.

したがって、スキームが機能するために、次のように設定します。 バット2白熱電球に電力を供給する電圧。 うちの電球は6ボルトなので、6ボルトに設定します。

電源について バット1白熱灯が点灯するまで、ゼロから慎重に電圧を加えます。 そして今、電圧は0.6ボルトです

私たちの電球が点灯しました

つまり、トランジスタが「開いて」、エミッタ・コレクタ回路に電流が流れ、電球が燃えてしまったのです。 開放電圧はベース-エミッタ間の電圧降下です。 覚えているとおり、シリコン トランジスタ (KT814B トランジスタはシリコンであり、名前の先頭に「K」という文字が付いています) の場合、この値は 0.5 ～ 0.7 ボルトの範囲にあります。 つまり、トランジスタを「開く」には、ベース-エミッタ間に0.5〜0.7ボルトを超える電圧を印加するだけで十分です。

NPNトランジスタとPNPトランジスタの接続回路

したがって、2 つの図を見て、違いを見つけてください。 同じ接続図によると、左側は OE を備えた回路の NPN トランジスタ KT815B、右側は KT814B です。

では、違いは何でしょうか？ 電源極性にはい！ そして、ベースに「マイナス」を印加し、NPN 伝導トランジスタは「プラス」で開くので、PNP 伝導トランジスタは「マイナス」で開くと自信を持って言えます。

PNP トランジスタは電子デバイスであり、ある意味では NPN トランジスタの逆です。 このタイプのトランジスタ設計では、その PN 接合は、NPN タイプとは逆極性の電圧によって開きます。 デバイスのシンボルでは、エミッタ出力も決定する矢印が、今回はトランジスタのシンボルの内側を指しています。

デバイス設計

PNP 型トランジスタの設計回路は、次の図に示すように、n 型材料の領域の両側にある 2 つの p 型半導体材料の領域で構成されます。

矢印はエミッタとその電流の一般的に受け入れられている方向 (PNP トランジスタの場合は「内側」) を示しています。

PNP トランジスタは、対応する NPN バイポーラと非常によく似た特性を持っていますが、ベース接地、エミッタ接地、コレクタ接地という可能な 3 つの接続方式のいずれにおいても、電流の方向と電圧極性が逆になる点が異なります。

2 種類のバイポーラ トランジスタの主な違い

それらの主な違いは、PNP トランジスタの主な電流キャリアは正孔であるのに対し、NPN トランジスタではこの容量に電子が含まれていることです。 したがって、トランジスタに供給される電圧の極性が反転し、入力電流がベースから流れます。 対照的に、NPN トランジスタでは、両方のタイプのデバイスを共通のベースと共通のエミッタに接続するための以下の回路図に示すように、ベース電流が流れます。

PNP 型トランジスタの動作原理は、(NPN 型と同様に) 小さなベース電流と、(NPN 型とは異なり) 負のベース バイアス電圧を使用して、はるかに大きなエミッタ - コレクタ電流を制御することに基づいています。 言い換えれば、PNP トランジスタの場合、エミッタはベースに対して、またコレクタに対してもより正の方向になります。

PNPタイプの違いをベース共通接続図で見てみましょう

実際、コレクタ電流 IC (NPN トランジスタの場合) は、バッテリ B2 の正極端子から流れ、コレクタ端子を通過し、コレクタ端子に浸透し、次にベース端子を通って出てバッテリ B2 に戻る必要があることがわかります。バッテリーのマイナス端子。 同様に、エミッタ回路を見ると、バッテリ B1 のプラス端子からの電流がベース端子を通ってトランジスタに入り、エミッタに浸透する様子がわかります。

したがって、コレクタ電流 I C とエミッタ電流 I E の両方がベース端子を通過します。 これらは回路に沿って反対方向に循環するため、IC が I E よりわずかに小さいため、結果として生じるベース電流はそれらの差に等しく、非常に小さくなります。 しかし、後者の方がまだ大きいため、差電流（ベース電流）の流れる方向は I E と一致するため、PNP 型バイポーラトランジスタではベースから電流が流れ出し、NPN 型バイポーラトランジスタではベースから電流が流れ込みます。現在。

エミッタコモン接続回路例によるPNPタイプの違い

この新しい回路では、ベース-エミッタ PN 接合はバッテリ電圧 B1 によってバイアスされ、コレクタ-ベース接合はバッテリ電圧 B2 によって逆バイアスされます。 したがって、エミッタ端子はベース回路とコレクタ回路に共通です。

総エミッタ電流は、2 つの電流 I C と I B の合計で求められます。 エミッタ端子を一方向に通過します。 したがって、I E = I C + I B となります。

この回路では、ベース電流 I B はエミッタ電流 I E から単純に「分岐」し、方向もエミッタ電流 I E と一致します。 この場合、ＰＮＰ型トランジスタには依然としてベースＩ Ｂ から電流が流れ、ＮＰＮ型トランジスタには流入電流が存在する。

共通コレクタを備えた既知のトランジスタスイッチング回路の３つ目でも、状況は全く同じである。 したがって、読者のスペースと時間を節約するために、この文書は掲載しません。

PNP トランジスタ: 電圧源の接続

ベースがエミッタに対して負にバイアスされると PNP トランジスタが動作するため、ベース-エミッタ間電圧源 (V BE) はベースに負、エミッタに正に接続されます。

エミッタ電源電圧もコレクタ (V CE) に対して正です。 したがって、PNP 型トランジスタでは、エミッタ端子はベースとコレクタの両方に対して常にプラスになります。

以下の図に示すように、電圧源は PNP トランジスタに接続されます。

今回は、コレクタが負荷抵抗 R L を介して電源電圧 VCC に接続されており、デバイスを流れる最大電流が制限されます。 エミッタに対して負にバイアスするベース電圧 VB が抵抗 RB を介してそれに印加され、これも最大ベース電流を制限するために使用されます。

PNPトランジスタ段の動作

したがって、PNP トランジスタにベース電流を流すには、ベースはエミッタよりもシリコン デバイスの場合は約 0.7 ボルト、ゲルマニウム デバイスの場合は約 0.3 ボルトだけ負の値にする必要があります (電流がベースから流出する必要があります)。 ベース抵抗、ベース電流、またはコレクタ電流の計算に使用される式は、等価な NPN トランジスタに使用される式と同じであり、以下に示します。

NPN トランジスタと PNP トランジスタの基本的な違いは、pn 接合の正しいバイアスであることがわかります。これは、pn 接合における電流の方向と電圧の極性が常に逆であるためです。 したがって、上記の回路では、電流はベースから流れる必要があるため、IC = I E - I B となります。

一般に、ほとんどの電子回路では PNP トランジスタを NPN トランジスタに置き換えることができます。唯一の違いは電圧の極性と電流の方向です。 このようなトランジスタはスイッチング デバイスとしても使用できます。PNP トランジスタ スイッチの例を以下に示します。

トランジスタ特性

PNP トランジスタの出力特性は、電圧と電流の極性を逆にすることができるように 180 度回転している点を除いて、同等の NPN トランジスタの出力特性と非常に似ています (PNP トランジスタのベース電流とコレクタ電流は負です)。 同様に、PNP トランジスタの動作点を見つけるには、その動的負荷線をデカルト座標系の 3 分の 1 で表すことができます。

2N3906 PNP トランジスタの代表的な特性を次の図に示します。

増幅段のトランジスタペア

アンプやソリッドステートスイッチとして使用できるNPNトランジスタは数多くあるのに、なぜPNPトランジスタを使用するのか疑問に思われるかもしれません。 ただし、NPN と PNP という 2 つの異なるタイプのトランジスタを使用すると、パワー アンプ回路を設計する際に大きな利点が得られます。 これらのアンプは、出力段で「相補」または「整合」ペアのトランジスタ (下図に示すように、1 つの PNP トランジスタと 1 つの NPN トランジスタが互いに接続されていることを表します) を使用します。

同様の特性を持ち、互いに同一である 2 つの対応する NPN および PNP トランジスタは、相補的と呼ばれます。 たとえば、TIP3055 (NPN タイプ) や TIP2955 (PNP タイプ) は、相補型シリコン パワー トランジスタの良い例です。 どちらもゲインがある 直流β=I C /I B は 10% 以内で一致し、約 15A の高いコレクタ電流を備えているため、モーター制御やロボット用途に最適です。

さらに、クラス B アンプは、出力電力段にトランジスタの整合ペアを使用します。 これらでは、NPN トランジスタは信号の正の半波のみを伝導し、PNP トランジスタは信号の負の半分のみを伝導します。

これにより、アンプは、所定の電力定格とインピーダンスで必要な電力をスピーカーを介して両方向に通過させることができます。 その結果、通常は数アンペア程度の出力電流が 2 つの相補トランジスタ間に均等に分配されます。

電気モーター制御回路のトランジスタペア

これらは、リバーシブル DC モーターの H ブリッジ制御回路でも使用され、モーターを流れる電流を回転の両方向に均等に調整することができます。

上記の H ブリッジ回路は、4 つのトランジスタ スイッチの基本構成が文字「H」に似ており、クロスライン上にモーターが配置されているため、このように呼ばれます。 トランジスタ H ブリッジは、おそらく最も一般的に使用されるタイプのリバーシブル DC モーター制御回路の 1 つです。 各ブランチで NPN トランジスタと PNP トランジスタの「相補的」ペアを使用し、モーターを制御するスイッチとして機能します。

制御入力 A はモーターを一方向に回転させ、入力 B は逆回転に使用します。

たとえば、トランジスタ TR1 がオンで TR2 がオフの場合、入力 A は電源電圧 (+Vcc) に接続され、トランジスタ TR3 がオフで TR4 がオンの場合、入力 B は 0 ボルト (GND) に接続されます。 したがって、モーターは入力 A の正電位と入力 B の負電位に応じて一方向に回転します。

TR1 がオフ、TR2 がオン、TR3 がオン、TR4 がオフになるようにスイッチの状態が変更されると、モーター電流が逆方向に流れて逆転します。

入力 A と B で反対の論理レベル「1」または「0」を使用することにより、モーターの回転方向を制御できます。

トランジスタの種類の決定

バイポーラ トランジスタは基本的に、背中合わせに接続された 2 つのダイオードで構成されていると考えることができます。

このアナロジーを使用して、3 つの端子間の抵抗をテストすることで、トランジスタが PNP タイプであるか NPN タイプであるかを判断できます。 マルチメーターを使用して両方向で各ペアをテストすると、6 回の測定後に次の結果が得られます。

1. エミッター - ベース。これらのリード線は通常のダイオードのように動作し、一方向にのみ電流を流す必要があります。

2.コレクター - ベース。これらのリード線も通常のダイオードのように機能し、一方向にのみ電流を流す必要があります。

3. エミッター - コレクター。これらの結論はいかなる方向にも導かれるべきではありません。

両タイプのトランジスタの遷移抵抗値

そうすれば、PNP トランジスタが正常で閉じていると判断できます。 エミッタ (E) に対してベース (B) に小さな出力電流と負の電圧がかかると、ベース (B) が開き、より多くのエミッタ - コレクタ電流が流れるようになります。 PNP トランジスタは、正のエミッタ電位で導通します。 言い換えれば、PNP バイポーラ トランジスタは、ベース端子とコレクタ端子がエミッタに対して負の場合にのみ導通します。

バイポーラトランジスタ- トランジスタの一種であり、電気信号を増幅、生成、変換するように設計された電子半導体デバイス。 トランジスタはこう呼ばれます バイポーラ、2 種類の電荷キャリアが同時にデバイスの動作に関与するため、 電子そして 穴。 との違いは次のとおりです 単極構造(電界効果) トランジスタ。1 種類の電荷キャリアのみが関与します。

どちらのタイプのトランジスタの動作原理も、水の流れを調整する水道の動作に似ており、電子の流れだけがトランジスタを通過します。 バイポーラ トランジスタでは、メインの「大」電流と制御の「小」電流の 2 つの電流がデバイスを通過します。 主電流電力は制御電力に依存します。 電界効果トランジスタでは、1 つの電流のみがデバイスを通過し、その電力は電磁場に依存します。 この記事では、バイポーラトランジスタの動作を詳しく見ていきます。

バイポーラトランジスタ設計。

バイポーラ トランジスタは 3 つの半導体層と 2 つの PN 接合で構成されます。 PNP トランジスタと NPN トランジスタは、正孔伝導性と電子伝導性の交互のタイプによって区別されます。 これは、2 つのダイオードが向かい合って接続されている、またはその逆に似ています。

バイポーラトランジスタには3つのコンタクト（電極）があります。 中心層から出てくる接触はと呼ばれます ベース。極端な電極は次のように呼ばれます。 コレクタそして エミッター (コレクタそして エミッター）。 ベース層はコレクタとエミッタに比べて非常に薄いです。 これに加えて、トランジスタのエッジの半導体領域は非対称です。 コレクタ側の半導体層はエミッタ側よりもわずかに厚くなります。 これはトランジスタが正しく動作するために必要です。

バイポーラ トランジスタの動作中に発生する物理プロセスを考えてみましょう。 のために 例を挙げてみましょう NPNモデル。 PNP トランジスタの動作原理は似ていますが、コレクタとエミッタ間の電圧の極性が逆になるだけです。

半導体の導電性の種類に関する記事ですでに述べたように、P 型物質には正に帯電したイオン、つまり正孔が含まれています。 N型物質はマイナスに帯電した電子で飽和しています。 トランジスタでは、N 領域の電子の濃度が P 領域の正孔の濃度を大幅に上回ります。

コレクタ・エミッタ間V CE (V CE) に電圧源を接続しましょう。 その作用により、上部の N 部分からの電子がプラス側に引き寄せられ始め、コレクタ近くに集まります。 ただし、電圧源の電界がエミッタに到達しないため、電流は流れません。 これは、コレクタ半導体の厚い層とベース半導体の層によって防止されます。

次に、ベースとエミッタ間の電圧 V BE を接続しましょう。ただし、V CE よりも大幅に低い値です (シリコン トランジスタの場合、最小必要 V BE は 0.6V)。 P 層は非常に薄く、さらにベースに電圧源が接続されているため、その電界がエミッタの N 領域に「到達」することができます。 その影響下で、電子はベースに向けられます。 それらのいくつかは、そこにある穴を埋め始めます（再結合）。 ベースの正孔の濃度はエミッタの電子の濃度よりもはるかに低いため、他の部分には自由正孔が見つかりません。

その結果、ベースの中心層には自由電子が豊富になります。 電圧がはるかに高いため、それらのほとんどはコレクタに向かうことになります。 これは、中心層の厚さが非常に薄いことによっても促進されます。 電子の一部は、はるかに小さいにもかかわらず、依然としてベースのプラス側に向かって流れます。

その結果、2 つの電流が得られます。1 つはベースからエミッタへの電流 I BE、もう 1 つはコレクタからエミッタへの大きな電流です。

ベースの電圧を上げると、さらに多くの電子が P 層に蓄積されます。 その結果、ベース電流はわずかに増加し、コレクタ電流は大幅に増加します。 したがって、 ベース電流 I がわずかに変化すると B 、コレクタ電流 I は大きく変化します S. そういうことになるんですね。 バイポーラトランジスタでの信号増幅。 コレクタ電流 I C とベース電流 I B の比は次のように呼ばれます。 得電流によって。 指定された β , ふふまたは h21e、トランジスタで実行される計算の詳細に応じて異なります。

最もシンプルなバイポーラトランジスタアンプ

回路の例を使用して、電気プレーンでの信号増幅の原理をさらに詳しく考えてみましょう。 あらかじめ断っておきますが、この計画は完全に正しいわけではありません。 DC 電圧源を AC 電源に直接接続する人はいません。 ただし、この場合、バイポーラトランジスタを使用した方が増幅メカニズム自体を理解するのが簡単で明確になります。 また、以下の例の計算手法自体は若干簡略化されています。

1.回路の主要要素の説明

したがって、ゲインが 200 (β = 200) のトランジスタがあるとします。 コレクタ側には、増幅が起こるエネルギーのため、比較的強力な 20V 電源を接続します。 トランジスタのベースから弱い2V電源を接続します。 これに、発振振幅が 0.1 V の正弦波の交流電圧源を直列に接続します。 これは増幅する必要がある信号になります。 ベース付近の抵抗 Rb は、信号源からの電流を制限するために必要であり、通常は電力が低くなります。

2. ベース入力電流 I b の計算

次に、ベース電流 I b を計算してみましょう。 交流電圧を扱っているため、最大電圧（V max）と最小電圧（V min）の 2 つの電流値を計算する必要があります。 これらの電流値をそれぞれ I bmax と I bmin と呼びます。

また、ベース電流を計算するには、ベース-エミッタ間電圧 V BE を知る必要があります。 ベースとエミッタの間には 1 つの PN 接合があります。 ベース電流がその経路上で半導体ダイオードに「出会う」ことがわかります。 半導体ダイオードが導通し始める電圧は約0.6Vです。 ダイオードの電流-電圧特性の詳細については説明しません。計算を簡単にするために、電流が流れるダイオードの電圧が常に 0.6V である近似モデルを採用します。 これは、ベースとエミッタ間の電圧が V BE = 0.6V であることを意味します。 また、エミッタはグランド (V E = 0) に接続されているため、ベースからグランドまでの電圧も 0.6V (V B = 0.6V) になります。

オームの法則を使用して I bmax と I bmin を計算してみましょう。

2. コレクタ出力電流 I C の計算

ゲイン (β = 200) がわかれば、コレクタ電流の最大値と最小値 (I cmax と I cmin) を簡単に計算できます。

3. 出力電圧V out の計算

コレクタ電流は抵抗 Rc を流れますが、これはすでに計算済みです。 値を代入する作業は残ります。

4. 結果の分析

結果からわかるように、V Cmax は V Cmin よりも小さいことがわかりました。 これは、抵抗器 V Rc の両端の電圧が電源電圧 VCC から減算されるためです。 ただし、信号の変動成分、つまり 0.1V から 1V に増加した振幅に関心があるため、ほとんどの場合、これは問題ではありません。 信号の周波数と正弦波形状は変化していません。 もちろん、V out / V in の 10 倍という比率は、アンプにとって最良の指標とは程遠いですが、増幅プロセスを説明するのには非常に適しています。

それでは、バイポーラトランジスタをベースにしたアンプの動作原理をまとめてみましょう。 電流 I b はベースを通って流れ、一定成分と可変成分を伝えます。 ベースとエミッタ間の PN 接合が導通し始める、つまり「開く」ためには、一定のコンポーネントが必要です。 可変成分は実際には信号そのもの (有用な情報) です。 トランジスタ内のコレクタ - エミッタ電流は、ベース電流にゲイン β を乗じた結果です。 次に、コレクタ上の抵抗器 Rc の両端の電圧は、増幅されたコレクタ電流に抵抗器の値を乗じた結果になります。

したがって、V out ピンは、発振振幅が増加したが、形状と周波数は同じ信号を受信します。 トランジスタは増幅のために VCC 電源からエネルギーを得るということを強調することが重要です。 電源電圧が不足するとトランジスタが十分に動作できなくなり、出力信号が歪む可能性があります。

バイポーラトランジスタの動作モード

トランジスタの電極の電圧レベルに応じて、その動作には 4 つのモードがあります。

• カットオフモード。
• アクティブモード。
• 飽和モード。
• リバースモード。

カットオフモード

ベース・エミッタ間電圧が 0.6V ～ 0.7V より低い場合、ベース・エミッタ間の PN 接合は閉じます。 この状態では、トランジスタにはベース電流がありません。 その結果、ベースにはコレクタ電圧に向かって移動する準備ができている自由電子がないため、コレクタ電流も存在しません。 トランジスタはいわばロックされていることが判明し、彼らはそれがロックされていると言います カットオフモード.

アクティブモード

で アクティブモードベースの電圧は、ベースとエミッタ間の PN 接合が開くのに十分な電圧です。 この状態では、トランジスタにはベース電流とコレクタ電流が流れます。 コレクタ電流は、ベース電流にゲインを乗算した値に等しくなります。 つまり、アクティブ モードは、増幅に使用されるトランジスタの通常の動作モードです。

飽和モード

場合によっては、ベース電流が高すぎる場合があります。 その結果、供給電力は、トランジスタの利得に相当するほどの大きさのコレクタ電流を提供するには十分ではありません。 飽和モードでは、コレクタ電流は電源が供給できる最大値となり、ベース電流には依存しません。 この状態では、コレクタ電流がベース電流の変化に応答しないため、トランジスタは信号を増幅できません。

飽和モードでは、トランジスタの導電率が最大となり、「オン」状態のスイッチ（スイッチ）の機能により適しています。 同様に、カットオフモードでは、トランジスタの導電率は最小となり、これはスイッチがオフ状態にあることに対応します。

インバースモード

このモードでは、コレクタとエミッタの役割が変わります。コレクタ PN 接合は順方向にバイアスされ、エミッタ接合は逆方向にバイアスされます。 その結果、ベースからコレクタに電流が流れます。 コレクタ半導体領域はエミッタに対して非対称であり、インバースモードの利得は通常のアクティブモードよりも低くなります。 トランジスタは、アクティブ モードで可能な限り効率的に動作するように設計されています。 したがって、トランジスタは実際には反転モードでは使用されません。

バイポーラトランジスタの基本パラメータ。

電流ゲイン– コレクタ電流 I C とベース電流 I B の比。 指定された β , ふふまたは h21e、トランジスタで実行される計算の詳細に応じて異なります。

β は 1 つのトランジスタの定数値であり、デバイスの物理構造に依存します。 高ゲインは数百単位で計算され、低ゲインは数十単位で計算されます。 同じタイプの 2 つの別個のトランジスタの場合、製造中にそれらが「パイプラインに隣接」していたとしても、β はわずかに異なる可能性があります。 バイポーラ トランジスタのこの特性はおそらく最も重要です。 デバイスの他のパラメータが計算で無視できる場合、電流ゲインはほとんど不可能になります。

入力インピーダンス– ベース電流に「適合する」トランジスタの抵抗。 指定された Rイン (Rイン）。 通常、ベース側には弱い信号のソースがあり、消費電流をできるだけ少なくする必要があるため、この値が大きいほどデバイスの増幅特性が向上します。 完璧なオプション- これは入力抵抗が無限大の場合です。

平均的なバイポーラ トランジスタの R 入力は数百 KΩ (キロオーム) です。 ここで、バイポーラ トランジスタは電界効果トランジスタに対して非常に多くの損失をもたらし、入力抵抗は数百 GΩ (ギガオーム) に達します。

出力導電率- トランジスタのコレクタとエミッタ間の導電率。 出力コンダクタンスが大きいほど、より少ない電力でより多くのコレクタ - エミッタ電流がトランジスタを通過できます。

また、出力導電率が増加する（または出力抵抗が減少する）と、アンプがわずかな損失で耐えられる最大負荷が増加します。 一般係数得。 たとえば、出力導電率の低いトランジスタが負荷なしで信号を 100 倍増幅する場合、1 KΩ の負荷が接続されると、すでに 50 倍しか増幅されません。 ゲインが同じでも出力コンダクタンスが高いトランジスタは、ゲイン降下が小さくなります。 理想的なオプションは、出力導電率が無限大 (または出力抵抗 R out = 0 (R out = 0)) の場合です。

この記事を次のように分析しました。 重要なパラメータベータ係数としてのトランジスタ (β) 。 しかし、トランジスタには別の興味深いパラメータがあります。 それ自体は取るに足らない存在ですが、彼は多くのビジネスを行うことができます。 アスリートのスニーカーに小石が入るようなものです。小さいように見えますが、走るときに不便になります。 では、この「小石」はどのようにしてトランジスタに干渉するのでしょうか? 確認してみましょう...

PN接合の正逆接続

覚えているとおり、トランジスタは 3 つの半導体で構成されています。 、これをベースエミッタと呼びます エミッタ接合、ベース-コレクター間の遷移は次のようになります。 コレクターの移行。

この場合、NPN トランジスタがあるため、0.6 ボルトを超える電圧を加えてベースをオープンすると、コレクタからエミッタに電流が流れることになります (つまり、トランジスタが開きます)。 。

仮に、薄いナイフを使って、PN 接合に沿って直接エミッタを切り取ってみましょう。 最終的には次のようになります。

停止！ ダイオードはありますか？ そう、彼こそがその人なのです！ 電流電圧特性 (CVC) の記事で、ダイオードの CVC について調べたことを思い出してください。

電流-電圧特性の右側では、グラフの枝が非常に急激に上昇していることがわかります。 今回は、このようにダイオードに定電圧を加えました。 ダイオードを直接接続します。

ダイオードはそれ自体に電流を流しました。 ダイオードを直接接続したり、逆接続したりする実験も行いました。 覚えていない人も読んでみてください。

しかし極性を変えると

そうすれば、ダイオードは電流を流しません。 私たちは常にこのように教えられてきました、そしてそれにはある程度の真実があります、しかし...私たちの世界は理想的ではありません）。

PN接合はどのように機能するのでしょうか? 私たちはそれを漏斗として想像しました。 ということで、この絵に関しては

私たちの漏斗は流れに向かって逆さまになるでしょう

水の流れの方向が進行方向になる 電流。 ファンネルはダイオードです。 しかし、漏斗の細い口から入った水はどうなるのでしょうか？ それを何と呼ぶことができますか? そしてそれは呼ばれます PN接合の逆電流（Iリターン）.

水流の速度を上げると、漏斗の細い口を通過する水の量が増えると思いますか? 絶対に！ つまり、電圧を加えると そうですね。、すると逆電流が増加します そうですね。これは、ダイオードの電流-電圧特性のグラフの左側に表示されるものです。

しかし、水流の速度はどこまで上げることができるのでしょうか? それが非常に大きい場合、漏斗は保持できず、壁に亀裂が入り、粉々に飛び散りますよね？ したがって、各ダイオードについて次のようなパラメータを見つけることができます。 U回転最大値、ダイオードにとってこれを超えると死に相当します。

たとえば、ダイオード D226B の場合:

U回転最大値= 500 ボルト、および最大逆パルス そうですね。 インプレッションマックス= 600 ボルト。 しかし、覚えておいてください 電子回路彼らが言うように、彼らは「30％のマージンを持って」設計します。 また、回路内でダイオードの逆電圧が 490 ボルトである場合でも、600 ボルト以上に耐えることができるダイオードが回路に取り付けられます。 クリティカルな値を使用しない方が良いです)。 パルス逆電圧は、最大 600 ボルトの振幅に達する可能性がある突然の電圧のサージです。 しかし、ここでも、少し余裕を持って取る方が良いです。

それで...なぜ私はダイオードのことやダイオードのことばかり考えているのでしょうか...まるでトランジスタを研究しているようです。 しかし、誰が何と言おうと、ダイオードはトランジスタを構築するための構成要素です。 では、コレクタ接合に逆電圧を印加すると、ダイオードのように接合に逆電流が流れるのでしょうか？ その通り。 そして、トランジスタのこのパラメータはと呼ばれます 。 それを次のように表します 私はKBO、ブルジョワジーの間で - 私はCBOです。 を意味する 「エミッタオープン時のコレクタとベース間の電流」。 ざっくり言うと、エミッターレッグはどこにもつかず、空中にぶら下がっています。

コレクタ逆電流を測定するには、次の簡単な回路を組み立てるだけで十分です。

NPNトランジスタの場合 PNPトランジスタの場合

シリコン トランジスタの場合、逆コレクタ電流は 1 µA 未満、ゲルマニウム トランジスタの場合: 1 ～ 30 µA です。 10μAからしか測定していないので、 ゲルマニウムトランジスタ手元にない場合は、デバイスの解像度が許可していないため、この実験を実行できません。

なぜコレクタの逆電流がこれほど大きくなるのかという疑問にはまだ答えていません。 重要参考書にも載ってますか？ 問題は、動作中、トランジスタは一部の電力を空間に放散し、それが発熱することを意味します。 逆コレクタ電流は温度に大きく依存し、摂氏 10 度ごとにその値は 2 倍になります。 いや、でも何が問題なの？ 成長させてください、誰にも迷惑をかけないようです。

逆コレクタ電流の影響

問題は、一部のスイッチング回路では、この電流の一部がエミッタ接合を通過するということです。 そして、覚えているように、ベース電流はエミッタ接合を通って流れます。 制御電流（ベース電流）が大きいほど、制御される電流（コレクタ電流）も大きくなります。 これについては記事で説明しました。 その結果、ベース電流のわずかな変化がコレクタ電流の大きな変化につながり、回路全体が誤動作し始めます。

逆コレクタ電流に対処する方法

これは、トランジスタにとって最も重要な敵は温度であることを意味します。 無線電子機器 (REA) の開発者はどのようにこの問題と戦っているのでしょうか?

– 逆コレクタ電流の値が非常に小さいトランジスタを使用します。 もちろん、これらはシリコントランジスタです。 ちょっとしたヒント - シリコントランジスタのマーキングは「KT」という文字で始まります。 にベルト Tトランジスタ。

– コレクタ逆電流を最小限に抑える回路の使用。

逆コレクタ電流はトランジスタの重要なパラメータです。 それは各トランジスタのデータシートに記載されています。 極端な温度条件下で使用される回路では、コレクタ帰還電流が非常に大きな役割を果たします。 したがって、ラジエーターとファンを使用しない回路を組み立てている場合は、当然のことながら、逆コレクタ電流が最小限のトランジスタを使用することをお勧めします。