Kādos režīmos var darboties bipolārais tranzistors. Bipolāri tranzistori

Atkarībā no sprieguma spailēs tranzistors var būt šādos galvenajos režīmos:

• Izslēgšanas režīms;
• Aktīvais režīms;
• Piesātinājuma režīms.

Papildus šiem režīmiem ir arī apgrieztais režīms, kas tiek izmantots ļoti reti.

Izslēgšanas režīms

Ja spriegums starp bāzi un emitētāju ir zemāks par 0,6 V - 0,7 V, p-n pāreja starp bāzi un emitētāju tiek aizvērta. Šajā stāvoklī tranzistoram praktiski nav bāzes strāvas. Rezultātā nebūs arī kolektora strāvas, jo bāzē nav brīvu elektronu, kas būtu gatavi virzīties uz kolektora spriegumu. Izrādās, ka tranzistors ir bloķēts, un tiek teikts, ka tas ir izslēgšanas režīmā.

Aktīvais režīms

Aktīvajā režīmā bāzei tiek piegādāts spriegums, kas ir pietiekams, lai atvērtu p-n savienojumu starp bāzi un emitētāju. Ir bāzes un kolektoru strāvas. Kolektora strāva ir vienāda ar bāzes strāvu, kas reizināta ar pastiprinājumu. Tas ir, aktīvais režīms ir parastais tranzistora darbības režīms, ko izmanto pastiprināšanai.

Piesātinājuma režīms

Ja palielina bāzes strāvu, tad var pienākt brīdis, kad kolektora strāva pārstāj pieaugt, jo. tranzistors pilnībā atvērsies un strāvu noteiks tikai barošanas avota spriegums un slodzes pretestība kolektora ķēdē. Tranzistors sasniedz piesātinājumu. Piesātinājuma režīmā kolektora strāva būs maksimālā, ko var nodrošināt barošanas avots noteiktai slodzes pretestībai, un tā nebūs atkarīga no bāzes strāvas. Šajā stāvoklī tranzistors nespēj pastiprināt signālu, jo kolektora strāva nereaģē uz bāzes strāvas izmaiņām. Piesātinājuma režīmā tranzistora vadītspēja ir maksimāla, un tā ir vairāk piemērota slēdža (atslēgas) funkcijai "ieslēgtā" stāvoklī. Tāpat izslēgšanas režīmā tranzistora vadītspēja ir minimāla, un tas atbilst slēdzim "izslēgtā" stāvoklī. Visus šos režīmus var izskaidrot, izmantojot tranzistora izejas raksturlielumus.

Apsveriet pastiprināšanas pakāpi tranzistoram, kas savienots saskaņā ar kopēju emitētāja ķēdi (4.14. att.). Mainoties ieejas signāla vērtībai, mainīsies bāzes strāva Ib. Kolektora strāva Ik mainās proporcionāli bāzes strāvai:

Ik \u003d β I b. (4.5.1.)

Rīsi. 4.14. Pastiprināšanas posma shēma (attēlu veidojuši autori)

Kolektora strāvas izmaiņām var izsekot pēc tranzistora izejas raksturlielumiem (4.15. att.). Uz abscisu ass mēs attēlojam segmentu, kas vienāds ar E K - kolektora ķēdes strāvas avota spriegumu, un uz ordinātu ass - segmentu, kas atbilst maksimālajai iespējamajai strāvai šī avota ķēdē:

I uz max = E līdz / R līdz (4.5.2.)

Starp šiem punktiem mēs novelkam taisnu līniju, ko sauc par slodzes līniju un apraksta ar vienādojumu:

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

kur U KE ir spriegums starp tranzistora kolektoru un emitētāju; R K - slodzes pretestība kolektora ķēdē.

Rīsi. 4.15. Bipolārā tranzistora darbības režīmi (attēlu veidojuši autori)

No (4.5.3.) izriet, ka

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

Un tāpēc slodzes līnijas slīpumu nosaka pretestība R K. No att. 4.15 no tā izriet, ka atkarībā no bāzes strāvas Ib, kas plūst tranzistora ievades ķēdē, tranzistora darbības punkts, kas nosaka tā kolektora strāvu un spriegumu U KE, virzīsies pa slodzes līniju no zemākās pozīcijas (1. punkts). , ko nosaka slodzes līnijas krustpunkts ar izejas raksturlīkni pie I b =0), līdz 2. punktam, ko nosaka slodzes līnijas krustpunkts ar izejas raksturlielumu sākotnējo strauji augošo posmu.

Zona, kas atrodas starp x asi un sākotnējo izejas raksturlīkni, kas atbilst I b =0, tiek saukta par nogriešanas zonu, un to raksturo fakts, ka abas tranzistora pārejas - emitētājs un kolektors ir nobīdītas pretējā virzienā. Kolektora strāva šajā gadījumā ir kolektora savienojuma apgrieztā strāva - I K0, kas ir ļoti maza, un tāpēc gandrīz viss barošanas avota spriegums E K nokrītas starp slēgta tranzistora emitētāju un kolektoru:

U ke ≈ E līdz.

Un sprieguma kritums pāri slodzei ir ļoti mazs un vienāds ar:

U Rk = I k0 R k (4.5.5.)

Ir teikts, ka šajā gadījumā tranzistors darbojas izslēgšanas režīmā. Tā kā šajā režīmā strāva, kas plūst caur slodzi, ir izzūdoši maza, un gandrīz viss barošanas spriegums tiek pievadīts slēgtajam tranzistoram, šajā režīmā tranzistoru var attēlot kā atvērtu slēdzi.

Ja tagad palielināsim bāzes strāvu I b, tad darba punkts virzīsies pa slodzes līniju, līdz sasniegs punktu 2. Bāzes strāvu, kas atbilst raksturlielumam, kas iet caur punktu 2, sauc par piesātinājuma bāzes strāvu I b us. Šeit tranzistors pāriet piesātinājuma režīmā, un turpmāka bāzes strāvas palielināšana neizraisīs kolektora strāvas palielināšanos I K. Zonu starp y asi un strauji mainīgo izejas raksturlielumu sadaļu sauc par piesātinājuma zonu. Šajā gadījumā abi tranzistora savienojumi ir novirzīti uz priekšu; kolektora strāva sasniedz maksimālo vērtību un ir gandrīz vienāda ar kolektora barošanas avota maksimālo strāvu:

I k max ≈ I mums (4.5.6.)

un spriegums starp kolektoru un atvērtā tranzistora emitētāju ir ļoti mazs. Tāpēc piesātinājuma režīmā tranzistoru var attēlot kā slēgtu atslēgu.

Darbības punkta starppozīcija starp nogriešanas zonu un piesātinājuma zonu nosaka tranzistora darbību pastiprinājuma režīmā, un apgabalu, kurā tas atrodas, sauc par aktīvo reģionu. Strādājot šajā reģionā, emitera krustojums tiek nobīdīts uz priekšu, bet kolektora savienojums tiek nobīdīts pretējā virzienā (Petrovich V.P., 2008).

Vispirms atcerēsimies, kāda veida vadītspēja ir bipolārajiem tranzistoriem. Tie, kas lasa iepriekšējos rakstus, manuprāt, atceras, ka tranzistori ir NPN vadītspēja:

un PNP vadītspēja

PNP tranzistora darbības princips

Apsveriet šo attēlu:

Šeit mēs redzam cauruli, pa kuru ūdens plūst no apakšas uz augšu zem augsta spiediena. Šobrīd caurule ir slēgta ar sarkanu aizbīdni un tāpēc nav ūdens plūsmas.

Bet, tiklīdz mēs atvelkam amortizatoru, nedaudz pavelkot zaļo sviru, sarkanais amortizators tiek atvilkts un caur cauruli no apakšas uz augšu plūst nemierīga ūdens straume.

Bet šeit mēs atkal atlaižam zaļo sviru, un zilā atspere atgriež slāpētāju sākotnējā stāvoklī un bloķē ūdens ceļu

Respektīvi, mēs nedaudz pavilkām amortizatoru pret sevi, un ūdens trakā straumē tecēja pa cauruli. PNP tranzistors darbojas gandrīz tieši tāpat.Ja mēs iedomājamies šo cauruli kā tranzistoru, tad tā secinājumi izskatīsies šādi:

Tātad, lai strāva plūstu no emitera uz kolektoru (un atcerieties, ka strāvai ir jāplūst tur, kur norāda emitera bultiņa)

mums tas jāpārliecinās no bāzes iztecēja pašreizējais vai nespeciālista izteiksmē, attiecas uz bāzi mīnus jauda("pievelciet" spriedzi uz sevi).

Praktiskā pieredze

Nu ko, lai ir ilgi gaidītā pieredze. Lai to izdarītu, ņemiet tranzistoru KT814B, kas ir tranzistoru KT815B papildinošs pāris.

Tiem no jums, kas nav lasījuši iepriekšējos rakstus, vēlos to atgādināt bezmaksas pāris kādam tranzistoram - tas ir tranzistors ar tieši tādiem pašiem raksturlielumiem un parametriem, BET viņam vienkārši ir cita vadītspēja. Tas nozīmē, ka mums ir KT815 tranzistors otrādi vadītspēja, tas ir, NPN un KT814 taisni vadītspēja, t.i., PNP. Ir arī pretējais: tranzistoram KT814 komplementārais pāris ir tranzistors KT815. Īsāk sakot, spoguļbrāļi dvīņi.

KT814B tranzistors ir PNP vadītspējas tranzistors:

Šeit ir viņa pinout:

Lai parādītu tā darbības principu, mēs to saliksim pēc Common Emitter (CE) shēmas:

Faktiski visa shēma izskatās apmēram šādi:

Zilie krokodila vadi nāk no barošanas avota Sikspārnis1, un pārējie divi vadi ar krokodiliem, melni un sarkani, no barošanas avota Sikspārnis2.

Tātad, lai shēma darbotos, mēs to iestatījām uz Sikspārnis2 spriegums kvēlspuldzes darbināšanai. Tā kā mums ir 6 voltu spuldze, mēs to iestatījām uz 6 voltiem.

Uz barošanas avota Sikspārnis1 uzmanīgi pievienojiet spriegumu no nulles, līdz iedegas kvēlspuldze. Un tagad pie 0,6 voltu sprieguma

mums ir spuldze

Tas ir, tranzistors “atvērās” un caur emitera-kolektora ķēdi izskrēja elektriskā strāva, kas lika mūsu spuldzei sadedzināt. Atvēršanas spriegums ir sprieguma kritums uz bāzes emitētāja. Kā atceraties, silīcija tranzistoriem (un tranzistors KT814B ir silīcijs, to norāda ar burtu “K” tā nosaukuma sākumā) šī vērtība ir diapazonā no 0,5 līdz 0,7 voltiem. Tas ir, lai “atvērtu” tranzistoru, pietiek ar spriegumu, kas lielāks par 0,5–0,7 voltiem, emitera pamatnei.

Komutācijas shēmas NPN un PNP tranzistoriem

Tātad, apskatiet abas shēmas un atrodiet atšķirību. Kreisajā pusē ir NPN tranzistors KT815B ķēdē ar OE, bet labajā pusē ir KT814B saskaņā ar to pašu komutācijas shēmu:

Nu, kāda ir atšķirība? Jā jaudas polaritātē! Un tagad mēs varam ar pārliecību teikt, ka PNP vadītspējas tranzistors atveras ar “mīnusu”, jo mēs pieliekam “mīnusu” bāzei, un NPN vadītspējas tranzistors atveras ar “plusu”.

PNP tranzistors ir elektroniska ierīce, kas savā ziņā ir pretēja NPN tranzistoram. Šāda veida tranzistora konstrukcijā tā PN pārejas tiek atvērtas ar apgrieztas polaritātes spriegumiem attiecībā pret NPN tipu. Ierīces simbolā bultiņa, kas arī nosaka emitētāja spaili, šoreiz norāda tranzistora simbola iekšpusē.

Instrumentu dizains

PNP tipa tranzistora strukturālā diagramma sastāv no diviem p-tipa pusvadītāju materiāla apgabaliem abās n-tipa materiāla apgabala pusēs, kā parādīts attēlā zemāk.

Bultiņa nosaka emitētāju un tā strāvas vispārpieņemto virzienu ("in" PNP tranzistoram).

PNP tranzistoram ir ļoti līdzīgi raksturlielumi tā NPN bipolārajam līdziniekam, izņemot to, ka tajā esošo strāvu virzieni un spriegumu polaritātes ir apgriezti jebkurai no trim iespējamajām komutācijas shēmām: kopējai bāzei, kopējam emitētājam un kopējam kolektoram.

Galvenās atšķirības starp diviem bipolāro tranzistoru veidiem

Galvenā atšķirība starp tiem ir tā, ka caurumi ir galvenie PNP tranzistoru strāvas nesēji, NPN tranzistoros ir elektroni šajā ietilpībā. Tāpēc tranzistoru barojošo spriegumu polaritātes tiek mainītas, un tā ieejas strāva plūst no pamatnes. Turpretim ar NPN tranzistoru tajā ieplūst bāzes strāva, kā parādīts zemāk elektroinstalācijas shēmā abu veidu ierīcēm ar kopīgu bāzi un kopēju emitētāju.

PNP tipa tranzistora darbības princips ir balstīts uz nelielas (tāpat kā NPN tipa) bāzes strāvas un negatīva (atšķirībā no NPN tipa) bāzes nobīdes sprieguma izmantošanu, lai darbinātu daudz lielāku emitera-kolektora strāvu. Citiem vārdiem sakot, PNP tranzistoram emitētājs ir pozitīvāks attiecībā pret bāzi un arī attiecībā uz kolektoru.

Apsveriet PNP tipa atšķirības komutācijas ķēdē ar kopīgu bāzi

Patiešām, no tā var redzēt, ka kolektora strāva IC (NPN tranzistora gadījumā) izplūst no akumulatora B2 pozitīvā pola, iet caur kolektora spaili, ieiet tajā un pēc tam jāiziet caur bāzes spaili. lai atgrieztos pie akumulatora negatīvā pola. Tādā pašā veidā, aplūkojot emitētāja ķēdi, jūs varat redzēt, kā tā strāva no akumulatora B1 pozitīvā pola caur bāzes spaili nonāk tranzistorā un pēc tam iekļūst emitētājā.

Tādējādi gan kolektora strāva I C, gan emitētāja strāva I E iet caur bāzes spaili. Tā kā tie savās ķēdēs cirkulē pretējos virzienos, iegūtā bāzes strāva ir vienāda ar to starpību un ir ļoti maza, jo I C ir nedaudz mazāks par I E . Bet, tā kā pēdējais joprojām ir lielāks, diferenciālās strāvas (bāzes strāvas) plūsmas virziens sakrīt ar I E , un tāpēc PNP tipa bipolārajam tranzistoram ir strāva, kas plūst no bāzes, un NPN tipa bipolārajam tranzistoram ir strāva. ieplūstot.

PNP tipa atšķirības komutācijas ķēdes piemērā ar kopīgu emitētāju

Šajā jaunajā shēmā bāzes-emitera PN savienojumu ieslēdz akumulatora spriegums B1, un kolektora-bāzes pāreja ir apgriezta ar akumulatora spriegumu B2. Tādējādi emitētāja spaile tiek dalīta starp bāzes un kolektora ķēdēm.

Kopējo emitētāja strāvu nosaka divu strāvu I C un I B summa; kas iet caur emitētāja izeju vienā virzienā. Tādējādi mums ir I E = I C + I B .

Šajā shēmā bāzes strāva I B vienkārši "atzarojas" no emitētāja strāvas I E, arī sakrītot ar to virzienā. Tajā pašā laikā PNP tipa tranzistoram joprojām ir strāva, kas plūst no bāzes I B, un NPN tipa tranzistoram strāva ieplūst.

Trešajā no zināmajām tranzistoru komutācijas shēmām ar kopēju kolektoru situācija ir tieši tāda pati. Tāpēc mēs to neprezentējam, lai ietaupītu vietu un laiku lasītājiem.

PNP tranzistors: sprieguma avotu savienojums

Sprieguma avots starp bāzi un emitētāju (V BE) ir pieslēgts negatīvi uz bāzi un pozitīvs pret emitētāju, jo PNP tranzistora darbība notiek, ja bāze ir negatīvi nobīdīta attiecībā pret emitētāju.

Arī emitera barošanas spriegums ir pozitīvs attiecībā pret kolektoru (V CE). Tādējādi PNP tipa tranzistorā emitētāja spaile vienmēr ir pozitīvāka gan attiecībā pret bāzi, gan kolektoru.

Sprieguma avoti ir savienoti ar PNP tranzistoru, kā parādīts attēlā zemāk.

Šoreiz kolektors ir savienots ar barošanas spriegumu V CC caur slodzes rezistoru R L , kas ierobežo maksimālo strāvu, kas plūst caur ierīci. Bāzes spriegums V B , kas to novirza negatīvā virzienā attiecībā pret emitētāju, tam tiek pievadīts caur rezistoru R B , ko atkal izmanto, lai ierobežotu maksimālo bāzes strāvu.

PNP tranzistora posma darbība

Tātad, lai izraisītu bāzes strāvas plūsmu PNP tranzistorā, bāzei jābūt negatīvākai nekā emitētājam (strāvai jāatstāj bāze) par aptuveni 0,7 voltiem silīcijam vai 0,3 voltiem germānijam. Formulas, ko izmanto bāzes rezistora, bāzes strāvas vai kolektora strāvas aprēķināšanai, ir tādas pašas kā tās, kas tiek izmantotas līdzvērtīgam NPN tranzistoram, un ir parādītas zemāk.

Mēs redzam, ka galvenā atšķirība starp NPN un PNP tranzistoru ir pareiza pn savienojumu nobīde, jo strāvu virzieni un spriegumu polaritāte tajos vienmēr ir pretēji. Tātad iepriekš minētajai ķēdei: I C = I E - I B, jo strāvai jāplūst no pamatnes.

Parasti lielākajā daļā elektronisko shēmu PNP tranzistoru var aizstāt ar NPN tranzistoru, atšķirība ir tikai sprieguma polaritātē un strāvas virzienā. Šādus tranzistorus var izmantot arī kā komutācijas ierīces, un tālāk ir parādīts PNP slēdža piemērs.

Tranzistora raksturlielumi

PNP tranzistora izejas raksturlielumi ir ļoti līdzīgi ekvivalenta NPN tranzistora izejas raksturlielumiem, izņemot to, ka tie ir pagriezti par 180°, lai nodrošinātu spriegumu un strāvu apgrieztu polaritāti (PNP tranzistora bāzes un kolektora strāvas ir negatīvas). Līdzīgi, lai atrastu PNP tranzistora darbības punktus, tā dinamisko slodzes līniju var attēlot Dekarta koordinātu sistēmas 3. kvadrantā.

Tipiski 2N3906 PNP tranzistora raksturlielumi ir parādīti attēlā zemāk.

Tranzistoru pāri pastiprinātāja pakāpēs

Jums var rasties jautājums, kāds ir iemesls izmantot PNP tranzistorus, ja ir pieejami daudzi NPN tranzistori, kurus var izmantot kā pastiprinātājus vai cietvielu slēdžus? Tomēr divu dažādu veidu tranzistoru - NPN un PNP - klātbūtne dod lielas priekšrocības jaudas pastiprinātāju ķēžu projektēšanā. Šie pastiprinātāji izejas posmā izmanto "komplementārus" vai "saskaņotus" tranzistoru pārus (kas ir viens PNP tranzistors un viens NPN, kas savienoti kopā, kā parādīts attēlā zemāk).

Divus atbilstošus NPN un PNP tranzistorus, kuru raksturlielumi ir identiski viens otram, sauc par komplementāriem. Piemēram, TIP3055 (NPN tips) un TIP2955 (PNP tips) ir labi papildinošu silīcija jaudas tranzistoru piemēri. Viņiem abiem ir nemainīgs strāvas pastiprinājums β=I C / I B, kas atbilst 10% robežās, un liela kolektora strāva ir aptuveni 15 A, padarot tos ideāli piemērotus motora vadībai vai robotu lietojumiem.

Turklāt B klases pastiprinātāju jaudas izejas posmos tiek izmantoti saskaņoti tranzistoru pāri. Tajos NPN tranzistors vada tikai signāla pozitīvo pusviļņu, bet PNP tranzistors tikai tā negatīvo pusi.

Tas ļauj pastiprinātājam nodrošināt nepieciešamo jaudu caur skaļruni abos virzienos noteiktai jaudai un pretestībai. Tā rezultātā izejas strāva, kas parasti ir vairāku ampēru robežās, tiek vienmērīgi sadalīta starp diviem komplementāriem tranzistoriem.

Tranzistoru pāri motora vadības ķēdēs

Tos izmanto arī H-tilta vadības ķēdēs reversīviem līdzstrāvas motoriem, kas ļauj vienmērīgi regulēt strāvu caur motoru abos tā griešanās virzienos.

Iepriekš minētā H tilta shēma ir nosaukta, jo tās četru tranzistoru slēdžu pamatkonfigurācija atgādina burtu "H" ar motoru šķērslīnijā. Tranzistora H tilts, iespējams, ir viens no visbiežāk izmantotajiem atgriezeniskās līdzstrāvas motora vadības ķēdes veidiem. Tas katrā atzarā izmanto "papildu" NPN un PNP tipa tranzistoru pārus, kas darbojas kā atslēgas motora vadīšanā.

Vadības ieeja A ļauj motoram darboties vienā virzienā, bet ieeja B tiek izmantota apgrieztai griešanai.

Piemēram, kad tranzistors TR1 ir ieslēgts un TR2 ir izslēgts, ieeja A ir pievienota barošanas spriegumam (+Vcc), un, ja tranzistors TR3 ir izslēgts un TR4 ir ieslēgts, tad ieeja B ir pievienota 0 voltiem (GND). Tāpēc motors griezīsies vienā virzienā, kas atbilst ieejas A pozitīvajam potenciālam un ieejas B negatīvajam potenciālam.

Ja slēdža stāvokļi tiek mainīti tā, ka TR1 ir izslēgts, TR2 ir ieslēgts, TR3 ir ieslēgts un TR4 ir izslēgts, motora strāva plūdīs pretējā virzienā, izraisot tā apgriešanos.

Izmantojot pretējos loģikas līmeņus "1" vai "0" ieejās A un B, var kontrolēt motora griešanās virzienu.

Tranzistoru veida noteikšana

Jebkuru bipolāru tranzistoru var uzskatīt par divām diodēm, kas savienotas ar aizmuguri.

Mēs varam izmantot šo analoģiju, lai noteiktu, vai tranzistors ir PNP vai NPN tipa, pārbaudot tā pretestību tā trīs spailēs. Pārbaudot katru to pāri abos virzienos ar multimetru, pēc sešiem mērījumiem iegūstam šādu rezultātu:

1. Izstarotājs - bāze.Šīm tapām jādarbojas kā parastai diodei un jāvada strāva tikai vienā virzienā.

2.Kolekcionārs - Bāze.Šīm tapām arī jādarbojas kā parastai diodei un jāvada strāva tikai vienā virzienā.

3. Izstarotājs – savācējs.Šiem atklājumiem nevajadzētu būt nevienā virzienā.

Abu veidu tranzistoru pārejas pretestības vērtības

Tad mēs varam definēt PNP tranzistoru kā labu un slēgtu. Neliela izejas strāva un negatīvs spriegums tās pamatnē (B) attiecībā pret emitētāju (E) to atvērs un ļaus plūst daudz lielākai emitētāja-kolektora strāvai. PNP tranzistori vada pie pozitīva emitera potenciāla. Citiem vārdiem sakot, PNP bipolārais tranzistors darbosies tikai tad, ja bāzes un kolektora spailes ir negatīvas attiecībā pret emitētāju.

bipolārs tranzistors- elektroniska pusvadītāju ierīce, viens no tranzistoru veidiem, kas paredzēts elektrisko signālu pastiprināšanai, ģenerēšanai un konvertēšanai. Tranzistoru sauc bipolāri, jo ierīces darbībā vienlaikus piedalās divu veidu lādiņnesēji - elektroni Un caurumiem. Ar to tas atšķiras no vienpolārs(lauka efekta) tranzistors, kurā piedalās tikai viena veida lādiņnesēji.

Abu veidu tranzistoru darbības princips ir līdzīgs ūdens vārsta darbībai, kas regulē ūdens plūsmu, caur tranzistoru iet tikai elektronu plūsma. Bipolāros tranzistoros caur ierīci iet divas strāvas - galvenā "lielā" strāva un vadības "mazā" strāva. Galvenās strāvas jauda ir atkarīga no vadības ierīces jaudas. Lauka tranzistoros caur ierīci iet tikai viena strāva, kuras jauda ir atkarīga no elektromagnētiskā lauka. Šajā rakstā mēs sīkāk apsvērsim bipolārā tranzistora darbību.

Bipolārā tranzistora ierīce.

Bipolārais tranzistors sastāv no trim pusvadītāju slāņiem un diviem PN savienojumiem. PNP un NPN tranzistori atšķiras ar mainīgo caurumu veidu un elektronisko vadītspēju. Tas ir kā divas diodes, kas savienotas aci pret aci vai otrādi.

Bipolārajam tranzistoram ir trīs kontakti (elektrodi). Tiek saukts kontakts, kas rodas no centrālā slāņa bāze (bāze). Gala elektrodi ir nosaukti kolekcionārs Un emitētājs (kolekcionārs Un emitētājs). Pamatnes slānis ir ļoti plāns attiecībā pret kolektoru un emitētāju. Turklāt pusvadītāju apgabali tranzistora malās nav simetriski. Pusvadītāju slānis kolektora pusē ir nedaudz biezāks nekā emitera pusē. Tas ir nepieciešams pareizai tranzistora darbībai.

Apsveriet fiziskos procesus, kas notiek bipolārā tranzistora darbības laikā. Kā piemēru ņemsim NPN modeli. PNP tranzistora darbības princips ir līdzīgs, tikai sprieguma polaritāte starp kolektoru un emitētāju būs pretēja.

Kā jau minēts rakstā par vadītspējas veidiem pusvadītājos, P-veida vielā ir pozitīvi lādēti joni - caurumi. N tipa viela ir piesātināta ar negatīvi lādētiem elektroniem. Tranzistorā elektronu koncentrācija N reģionā ir daudz augstāka nekā caurumu koncentrācija P reģionā.

Pievienojiet sprieguma avotu starp kolektoru un emitētāju V CE (V CE). Tās darbības rezultātā elektroni no augšējās N daļas sāks piesaistīties plusam un savākties kolektora tuvumā. Taču strāva nevar plūst, jo sprieguma avota elektriskais lauks nesasniedz emitētāju. To novērš biezs kolektora pusvadītāja slānis plus bāzes pusvadītāja slānis.

Tagad mēs savienojam spriegumu starp bāzi un emitētāju V BE , bet daudz zemāku par V CE (silīcija tranzistoriem minimālais nepieciešamais V BE ir 0,6 V). Tā kā slānis P ir ļoti plāns, plus sprieguma avots, kas savienots ar pamatni, varēs "izsniegt" ar savu elektrisko lauku līdz emitētāja N apgabalam. Tās darbības rezultātā elektroni dosies uz bāzi. Daži no tiem sāks aizpildīt tur esošos caurumus (rekombinēt). Otra daļa sev brīvu caurumu neatradīs, jo urbumu koncentrācija pamatnē ir daudz mazāka nekā elektronu koncentrācija emitētājā.

Rezultātā bāzes centrālais slānis ir bagātināts ar brīvajiem elektroniem. Lielākā daļa no tiem virzīsies uz kolektoru, jo spriegums tur ir daudz augstāks. To veicina arī ļoti mazs centrālā slāņa biezums. Daļa elektronu, lai arī daudz mazāka, tomēr plūdīs uz bāzes plusu.

Rezultātā mēs iegūstam divas strāvas: mazu - no bāzes uz emitētāju I BE un lielu - no kolektora uz emitētāju I CE.

Ja bāzes spriegums tiek palielināts, tad P slānī uzkrāsies vēl vairāk elektronu. Tā rezultātā bāzes strāva nedaudz palielināsies, un kolektora strāva ievērojami palielināsies. Tādējādi ar nelielām bāzes strāvas izmaiņām I B , kolektora strāva I ļoti atšķiras C. Tā tas notiek signāla pastiprināšana bipolārā tranzistorā. Kolektora strāvas I C attiecību pret bāzes strāvu I B sauc par strāvas pastiprinājumu. Apzīmēts β , hfe vai h21e, atkarībā no ar tranzistoru veikto aprēķinu specifikas.

Vienkāršākais bipolārais tranzistoru pastiprinātājs

Ļaujiet mums sīkāk apsvērt signāla pastiprināšanas principu elektriskā plaknē, izmantojot ķēdi kā piemēru. Jau iepriekš izdarīšu atrunu, ka šāda shēma nav gluži pareiza. Neviens nesavieno līdzstrāvas sprieguma avotu tieši ar maiņstrāvas avotu. Bet šajā gadījumā būs vieglāk un skaidrāk saprast pašu pastiprināšanas mehānismu, izmantojot bipolāru tranzistoru. Arī pati aprēķinu tehnika zemāk esošajā piemērā ir nedaudz vienkāršota.

1. Ķēdes galveno elementu apraksts

Tātad, pieņemsim, ka mums ir tranzistors ar pastiprinājumu 200 (β = 200). No kolektora puses pieslēdzam salīdzinoši jaudīgu 20V strāvas avotu, kura enerģijas dēļ notiks pastiprinājums. No tranzistora pamatnes puses mēs pievienojam vāju 2 V strāvas avotu. Tam mēs virknē savienojam maiņstrāvas avotu sinusa formā ar svārstību amplitūdu 0,1 V. Tas būs signāls, kas jāpastiprina. Rezistors Rb pie pamatnes ir nepieciešams, lai ierobežotu strāvu, kas nāk no signāla avota, kas parasti ir mazjaudas.

2. Bāzes ieejas strāvas aprēķins I b

Tagad aprēķināsim bāzes strāvu I b. Tā kā mums ir darīšana ar maiņspriegumu, mums jāaprēķina divas strāvas vērtības - pie maksimālā sprieguma (V max) un minimālā (V min). Sauksim šīs pašreizējās vērtības attiecīgi - I bmax un I bmin.

Tāpat, lai aprēķinātu bāzes strāvu, jāzina bāzes emitētāja spriegums V BE. Starp bāzi un emitētāju ir viens PN savienojums. Izrādās, ka bāzes strāva savā ceļā "satiekas" ar pusvadītāju diodi. Spriegums, pie kura pusvadītāju diode sāk vadīt, ir aptuveni 0,6 V. Mēs neiedziļināsimies diodes strāvas-sprieguma raksturlielumos, un, lai atvieglotu aprēķinus, mēs ņemsim aptuvenu modeli, saskaņā ar kuru spriegums strāvu vadošajā diodē vienmēr ir 0,6 V. Tas nozīmē, ka spriegums starp bāzi un emitētāju ir V BE = 0,6 V. Un tā kā emitētājs ir savienots ar zemi (V E = 0), spriegums no pamatnes uz zemi arī ir 0,6 V (V B = 0,6 V).

Aprēķināsim I bmax un I bmin, izmantojot Ohma likumu:

2. Kolektora izejas strāvas I C aprēķins

Tagad, zinot pastiprinājumu (β = 200), mēs varam viegli aprēķināt kolektora strāvas maksimālo un minimālo vērtību (I cmax un I cmin).

3. Izejas sprieguma V out aprēķins

Kolektora strāva plūst caur rezistoru Rc, kuru mēs jau esam aprēķinājuši. Atliek aizstāt vērtības:

4. Rezultātu analīze

Kā redzams no rezultātiem, V Cmax izrādījās mazāks par V Cmin . Tas ir tāpēc, ka spriegums pāri V Rc tiek atņemts no barošanas sprieguma VCC. Tomēr vairumā gadījumu tam nav nozīmes, jo mūs interesē signāla mainīgā sastāvdaļa - amplitūda, kas palielinājās no 0,1 V līdz 1 V. Frekvence un sinusoidālā viļņa forma nav mainījusies. Protams, V out / V attiecība desmit reizes ir tālu no labākā pastiprinātāja rādītāja, taču tas ir diezgan piemērots, lai ilustrētu pastiprināšanas procesu.

Tātad, apkoposim bipolārā tranzistora pastiprinātāja darbības principu. Caur pamatni plūst strāva I b, nesot pastāvīgu un mainīgu komponentu. Pastāvīgā sastāvdaļa ir nepieciešama, lai PN savienojums starp bāzi un emitētāju sāktu vadīt - “atvērtos”. Mainīgais komponents faktiski ir pats signāls (noderīga informācija). Kolektora-emitera strāvas stiprums tranzistora iekšpusē ir rezultāts, reizinot bāzes strāvu ar pastiprinājumu β. Savukārt spriegums pāri rezistoram Rc virs kolektora ir rezultāts, reizinot pastiprināto kolektora strāvu ar rezistora vērtību.

Tādējādi izeja V out saņem signālu ar palielinātu svārstību amplitūdu, bet ar saglabātu formu un frekvenci. Ir svarīgi uzsvērt, ka tranzistors ņem enerģiju pastiprināšanai no VCC barošanas avota. Ja barošanas spriegums nav pietiekams, tranzistors nevarēs pilnībā darboties, un izejas signāls var tikt izkropļots.

Bipolārā tranzistora darbības režīmi

Saskaņā ar sprieguma līmeņiem uz tranzistora elektrodiem ir četri tā darbības režīmi:

• Izslēgšanas režīms.
• Aktīvais režīms (aktīvais režīms).
• Piesātinājuma režīms.
• Reversais režīms.

Izslēgšanas režīms

Ja bāzes emitētāja spriegums ir zemāks par 0,6 V - 0,7 V, PN savienojums starp bāzi un emitētāju tiek aizvērts. Šajā stāvoklī tranzistoram nav bāzes strāvas. Rezultātā nebūs arī kolektora strāvas, jo bāzē nav brīvu elektronu, kas būtu gatavi virzīties uz kolektora spriegumu. Izrādās, ka tranzistors ir it kā bloķēts, un viņi saka, ka tas ir iekšā nogriešanas režīms.

Aktīvais režīms

IN aktīvais režīms spriegums pie pamatnes ir pietiekams, lai atvērtu PN savienojumu starp pamatni un emitētāju. Šajā stāvoklī tranzistoram ir bāzes un kolektora strāvas. Kolektora strāva ir vienāda ar bāzes strāvu, kas reizināta ar pastiprinājumu. Tas ir, aktīvais režīms ir parastais tranzistora darbības režīms, ko izmanto pastiprināšanai.

Piesātinājuma režīms

Dažreiz bāzes strāva var būt pārāk liela. Rezultātā barošanas jauda vienkārši nav pietiekama, lai nodrošinātu tādu kolektora strāvu, kas atbilstu tranzistora pastiprinājumam. Piesātinājuma režīmā kolektora strāva būs maksimālā, ko var nodrošināt barošanas avots, un to neietekmēs bāzes strāva. Šajā stāvoklī tranzistors nespēj pastiprināt signālu, jo kolektora strāva nereaģē uz bāzes strāvas izmaiņām.

Piesātinājuma režīmā tranzistora vadītspēja ir maksimāla, un tā ir vairāk piemērota slēdža (atslēgas) funkcijai "ieslēgtā" stāvoklī. Tāpat izslēgšanas režīmā tranzistora vadītspēja ir minimāla, un tas atbilst slēdzim "izslēgtā" stāvoklī.

Apgrieztais režīms

Šajā režīmā kolektora un emitētāja slēdžu lomas ir: kolektora PN pāreja ir nobīdīta uz priekšu, bet emitera pāreja ir nobīdīta pretējā virzienā. Rezultātā strāva plūst no pamatnes uz kolektoru. Kolektora pusvadītāju apgabals nav simetrisks pret emitētāju, un pastiprinājums apgrieztajā režīmā ir mazāks nekā parastajā aktīvajā režīmā. Tranzistora dizains ir veidots tā, lai tas darbotos pēc iespējas efektīvāk aktīvajā režīmā. Tāpēc apgrieztajā režīmā tranzistors praktiski netiek izmantots.

Bipolārā tranzistora pamatparametri.

pašreizējais pieaugums- kolektora strāvas I C attiecība pret bāzes strāvu I B . Apzīmēts β , hfe vai h21e, atkarībā no ar tranzistoriem veikto aprēķinu specifikas.

β ir nemainīga vērtība vienam tranzistoram un ir atkarīga no ierīces fiziskās struktūras. Liels pieaugums tiek aprēķināts simtos vienību, zems - desmitos. Diviem atsevišķiem viena veida tranzistoriem, pat ja tie ražošanas laikā bija “kaimiņi pa cauruļvadu”, β var nedaudz atšķirties. Šī bipolārā tranzistora īpašība, iespējams, ir vissvarīgākā. Ja aprēķinos bieži var neņemt vērā citus ierīces parametrus, tad strāvas pastiprinājums ir gandrīz neiespējams.

Ievades pretestība- pretestība tranzistorā, kas "atbilst" bāzes strāvai. Apzīmēts R iekšā (R iekšā). Jo lielāks tas ir, jo labāks ir ierīces pastiprināšanas raksturlielumi, jo bāzes pusē parasti ir vājš signāla avots, no kura jums jāpatērē pēc iespējas mazāk strāvas. Ideāls variants ir tad, ja ieejas pretestība ir vienāda ar bezgalību.

R in vidējam bipolāram tranzistoram ir vairāki simti KΩ (kilo-omi). Šeit bipolārais tranzistors ļoti daudz zaudē lauka efekta tranzistoram, kur ieejas pretestība sasniedz simtiem GΩ (gigaomu).

Izejas vadītspēja- tranzistora vadītspēja starp kolektoru un emitētāju. Jo lielāka ir izejas vadītspēja, jo lielāka kolektora-emitera strāva varēs iziet cauri tranzistoru ar mazāku jaudu.

Turklāt, palielinoties izejas vadītspējai (vai samazinoties izejas pretestībai), palielinās maksimālā slodze, ko pastiprinātājs var izturēt ar nelielu kopējā pastiprinājuma zudumu. Piemēram, ja tranzistors ar zemu izejas vadītspēju bez slodzes pastiprina signālu 100 reizes, tad, pieslēdzot 1KΩ slodzi, tas jau pastiprinās tikai 50 reizes. Tranzistoram ar tādu pašu pastiprinājumu, bet lielāku izejas vadītspēju būs mazāks pastiprinājuma kritums. Ideāls variants ir tad, ja izejas vadītspēja ir vienāda ar bezgalību (vai izejas pretestība R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

Rakstā mēs esam analizējuši tik svarīgu tranzistora parametru kā beta koeficients (β) . Bet tranzistorā ir vēl viens interesants parametrs. Pats par sevi viņš ir nenozīmīgs, bet bizness var darīt! Tas ir kā akmentiņš, kas iekļuvis sportista kedās: šķiet, ka ir mazs, bet skrienot sagādā neērtības. Tātad, kas neļauj šim ļoti “olim” no tranzistora? Izdomāsim...

PN savienojuma tiešais un reversais savienojums

Kā mēs atceramies, tranzistors sastāv no trim pusvadītājiem. , ko mēs saucam par bāzes emitētāju emitera krustojums, un pāreja, kas ir bāzes savācējs - kolektora pāreja.

Tā kā šajā gadījumā mums ir NPN tranzistors, tas nozīmē, ka strāva plūdīs no kolektora uz emitētāju, ja mēs atveram bāzi, pieliekot tai spriegumu, kas lielāks par 0,6 voltiem (labi, lai tranzistors atvērtos) .

Paņemsim hipotētiski plānu nazi un nogriezīsim emitētāju tieši gar PN krustojumu. Mēs iegūsim kaut ko līdzīgu:

Stop! Vai mums ir diode? Jā, viņš ir labākais! Atcerieties, ka rakstā strāvas sprieguma raksturlielums (CVC) mēs aplūkojām diodes I-V raksturlielumu:

CVC labajā pusē redzams, kā diagrammas atzars ļoti strauji pacēlās uz augšu. Šajā gadījumā mēs šādā veidā pielikām pastāvīgu spriegumu diodei, tas ir, tā bija tiešs diodes savienojums.

Diode caur sevi izlaida elektrisko strāvu. Jūs un es pat veicām eksperimentus ar tiešu un apgrieztu diodes ieslēgšanu. Kas neatceras, var lasīt.

Bet, ja mainīsit polaritāti

tad diode nepārlaidīs strāvu. Mēs vienmēr esam tā mācīti, un tajā ir daļa patiesības, bet ... mūsu pasaule nav ideāla).

Kā darbojas PN krustojums? Mēs to attēlojām kā piltuvi. Tātad, šim zīmējumam

mūsu piltuve tiks apgriezta otrādi pret straumi

Ūdens plūsmas virziens ir elektriskās strāvas virziens. Piltuve ir diode. Bet šeit ir ūdens, kas nokļuva caur šauro piltuves kakliņu? Kā to var nosaukt? Un viņu sauc reversās strāvas PN pāreja (I arr).

Kā jūs domājat, ja pieskaitīsiet ūdens plūsmas ātrumu, vai palielināsies ūdens daudzums, kas izies cauri šaurajam piltuves kakliņam? Noteikti! Tātad, ja mēs pievienojam spriegumu U arr, tad reversā strāva palielināsies Es arr, kuru jūs un es redzam diodes VAC diagrammas kreisajā pusē:

Bet cik lielā mērā var palielināt ūdens plūsmu? Ja tā ir pārāk liela, mūsu piltuve neizturēs, sienas saplaisās un saplīsīs gabalos, vai ne? Tāpēc katrai diodei var atrast tādu parametru kā U arr.maks, kura pārsniegšana diodei ir līdzvērtīga nāvei.

Piemēram, diodei D226B:

U arr.maks\u003d 500 volti un maksimālais reversais impulss U arr. imp.maks= 600 volti. Bet paturiet prātā, ka elektroniskās shēmas ir izstrādātas, kā saka, "ar 30% rezervi". Un pat ja ķēdē diodes apgrieztais spriegums ir 490 volti, tad ķēdē tiks ievietota diode, kas var izturēt vairāk nekā 600 voltus. Ar kritiskām vērtībām labāk nespēlēties). Impulsa reversais spriegums ir straujš sprieguma uzliesmojums, kas var sasniegt amplitūdu līdz 600 voltiem. Bet arī šeit labāk ir ņemt ar nelielu rezervi.

Tātad ... bet kas man ir par diodēm un diodēm ... Šķiet, ka mēs pētām tranzistorus. Bet neatkarīgi no tā, ko var teikt, diode ir tranzistora veidošanas elements. Tātad, ja mēs pieliekam pretējo spriegumu kolektora krustojumam, tad caur krustojumu plūdīs reversā strāva, piemēram, diodē? Tieši tā. Un šo parametru sauc tranzistorā . Mēs to apzīmējam kā Es KBO, starp buržuāziem - Es CBO. apzīmē "strāva starp kolektoru un bāzi, ar atvērtu emitētāju". Rupji runājot, emitētāja kāja nekur nelīp un karājas gaisā.

Lai izmērītu kolektora reverso strāvu, pietiek savākt šādas vienkāršas shēmas:

NPN tranzistoram PNP tranzistoram

Silīcija tranzistoriem reversā kolektora strāva ir mazāka par 1 μA, germānija tranzistoriem: 1-30 μA. Tā kā es mēru tikai no 10 μA un man nav pa rokai germānija tranzistori, es nevarēšu veikt šo eksperimentu, jo ierīces izšķirtspēja to neļauj.

Mēs neesam atbildējuši uz jautājumu, kāpēc kolektora apgrieztā strāva ir tik svarīga un ir norādīta atsauces grāmatās? Lieta ir tāda, ka darbības laikā tranzistors izkliedē daļu jaudas kosmosā, kas nozīmē, ka tas uzsilst. Reversā kolektora strāva ir ļoti atkarīga no temperatūras un dubulto savu vērtību par katriem 10 grādiem pēc Celsija. Nē, kas tas ir? Lai aug, šķiet, ka tas nevienu netraucē.

Reversās kolektora strāvas ietekme

Lieta ir tāda, ka dažās komutācijas ķēdēs daļa no šīs strāvas iet caur emitētāja savienojumu. Un kā jūs un es atceramies, bāzes strāva plūst caur emitera savienojumu. Jo lielāka ir vadības strāva (bāzes strāva), jo lielāka ir kontrolētā (kolektora strāva). Tas ir tas, ko mēs apspriedām rakstā. Tāpēc mazākās bāzes strāvas izmaiņas izraisa lielas kolektora strāvas izmaiņas un visa ķēde sāk darboties nepareizi.

Kā rīkoties ar reverso kolektora strāvu

Tātad tranzistora galvenais ienaidnieks ir temperatūra. Kā ar to tiek galā radioelektronisko iekārtu (REA) izstrādātāji?

- izmantojiet tranzistorus, kuros reversā kolektora strāva ir ļoti maza. Tie, protams, ir silīcija tranzistori. Neliels mājiens - silīcija tranzistoru marķējums sākas ar burtiem "KT", kas nozīmē UZ josta T ranzistors.

– tādu ķēžu izmantošana, kas samazina kolektora pretējo strāvu.

Kolektora reversā strāva ir svarīgs tranzistora parametrs. Tas ir norādīts katra tranzistora datu lapā. Ķēdēs, kas tiek izmantotas ekstremālos temperatūras apstākļos, kolektora atgriešanas strāvai būs ļoti liela nozīme. Tāpēc, ja jūs montējat ķēdi, kurā netiek izmantots radiators un ventilators, tad, protams, labāk ir ņemt tranzistorus ar minimālu reversā kolektora strāvu.