W jakich trybach może pracować tranzystor bipolarny? Tranzystory bipolarne

W zależności od napięcia na zaciskach tranzystor może znajdować się w następujących głównych trybach:

• Tryb odcięcia;
• Tryb aktywny;
• Tryb nasycenia.

Oprócz tych trybów istnieje również tryb odwrotny, który jest używany bardzo rzadko.

Tryb odcięcia

Gdy napięcie między bazą a emiterem jest niższe niż 0,6 V - 0,7 V, wówczas złącze p-n między bazą a emiterem jest zwarte. W tym stanie tranzystor praktycznie nie ma prądu bazowego. W rezultacie nie będzie również prądu kolektora, ponieważ w bazie nie ma wolnych elektronów, które byłyby gotowe do przejścia w kierunku napięcia kolektora. Okazuje się, że tranzystor jest zablokowany i mówi się, że znajduje się w trybie odcięcia.

Tryb aktywny

W trybie aktywnym do bazy przykładane jest napięcie wystarczające do otwarcia złącza p-n pomiędzy bazą a emiterem. Powstają prądy bazy i kolektora. Prąd kolektora jest równy prądowi bazy pomnożonemu przez wzmocnienie. Oznacza to, że tryb aktywny jest normalnym trybem pracy tranzystora, który służy do wzmocnienia.

Tryb nasycenia

Jeśli zwiększysz prąd bazowy, może nadejść chwila, gdy prąd kolektora przestanie rosnąć, ponieważ tranzystor otworzy się całkowicie, a prąd będzie określony tylko przez napięcie źródła zasilania i rezystancję obciążenia w obwodzie kolektora. Tranzystor osiąga nasycenie. W trybie nasycenia prąd kolektora będzie maksymalny, jaki może zapewnić źródło prądu przy danej rezystancji obciążenia i nie będzie zależał od prądu bazowego. W tym stanie tranzystor nie jest w stanie wzmocnić sygnału, ponieważ prąd kolektora nie reaguje na zmiany prądu bazowego. W trybie nasycenia przewodność tranzystora jest maksymalna i bardziej nadaje się do funkcji przełącznika (przełącznika) w stanie „włączonym”. Podobnie w trybie odcięcia przewodność tranzystora jest minimalna, co odpowiada wyłącznikowi w stanie wyłączonym. Wszystkie te tryby można wyjaśnić na podstawie charakterystyki wyjściowej tranzystora.

Rozważmy stopień wzmocnienia na tranzystorze połączonym w obwód ze wspólnym emiterem (ryc. 4.14). Kiedy zmienia się sygnał wejściowy, zmienia się prąd bazy Ib. Prąd kolektora Ik zmienia się proporcjonalnie do prądu bazy:

Iк = β I b. (4.5.1)

Ryż. 4.14. Schemat stopnia wzmacniacza (rysunek wykonany przez autorów)

Zmianę prądu kolektora można prześledzić na podstawie charakterystyki wyjściowej tranzystora (ryc. 4.15). Na osi odciętych nakreślimy odcinek równy E K - napięciu źródła zasilania obwodu kolektora, a na osi rzędnych odcinek odpowiadający maksymalnemu możliwemu prądowi w obwodzie tego źródła:

I do maks. = E do /R do (4.5.2)

Pomiędzy tymi punktami rysujemy linię prostą, zwaną linią obciążenia i opisaną równaniem:

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

Gdzie U CE jest napięciem między kolektorem a emiterem tranzystora; R K - rezystancja obciążenia w obwodzie kolektora.

Ryż. 4.15. Tryby pracy tranzystora bipolarnego (rysunek autorstwa autorów)

Z (4.5.3) wynika, że

Rk = Ek/Ik max = tanα. (4.5.4)

Dlatego nachylenie linii obciążenia jest określone przez opór R K. Z ryc. 4.15 wynika, że ​​w zależności od prądu bazy Ib płynącego w obwodzie wejściowym tranzystora punkt pracy tranzystora, który wyznacza jego prąd i napięcie kolektora U CE, będzie przemieszczał się wzdłuż linii obciążenia od najniższego położenia (pkt 1 , wyznaczonego przez przecięcie linii obciążenia z charakterystyką wyjściową w punkcie Ib =0), do punktu 2, wyznaczonego przez przecięcie linii obciążenia z początkowym, stromo rosnącym odcinkiem charakterystyki wyjściowej.

Strefa znajdująca się pomiędzy osią odciętych a początkową charakterystyką wyjściową odpowiadającą I b = 0 nazywana jest strefą odcięcia i charakteryzuje się tym, że oba przejścia tranzystora - emiter i kolektor - są spolaryzowane w przeciwnym kierunku. Prąd kolektora w tym przypadku reprezentuje prąd wsteczny złącza kolektora – I K0, który jest bardzo mały i dlatego prawie całe napięcie źródła zasilania E K spada pomiędzy emiterem a kolektorem zamkniętego tranzystora:

U ke ≈ E ke.

A spadek napięcia na obciążeniu jest bardzo mały i równy:

U Rк = I к0 Rк (4.5.5)

Mówią, że w tym przypadku tranzystor działa w trybie odcięcia. Ponieważ w tym trybie prąd płynący przez obciążenie jest znikomo mały, a prawie całe napięcie źródła zasilania jest przykładane do zamkniętego tranzystora, to w tym trybie tranzystor można przedstawić jako otwarty przełącznik.

Jeśli teraz zwiększymy prąd bazowy I b, wówczas punkt pracy będzie przesuwał się wzdłuż linii obciążenia, aż osiągnie punkt 2. Prąd bazowy odpowiadający charakterystyce przechodzącej przez punkt 2 nazywany jest prądem bazowym nasycenia I b us. Tutaj tranzystor wchodzi w tryb nasycenia, a dalszy wzrost prądu bazowego nie doprowadzi do wzrostu prądu kolektora I K. Strefa między osią rzędnych a gwałtownie zmieniającym się odcinkiem charakterystyki wyjściowej nazywana jest strefą nasycenia. W tym przypadku oba złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku przewodzenia; Prąd kolektora osiąga wartość maksymalną i jest prawie równy maksymalnemu prądowi źródła zasilania kolektora:

I k max ≈ I do nas (4.5.6)

a napięcie między kolektorem a emiterem otwartego tranzystora okazuje się bardzo małe. Dlatego w trybie nasycenia tranzystor można przedstawić jako zamknięty przełącznik.

Pośrednie położenie punktu pracy pomiędzy strefą odcięcia a strefą nasycenia określa działanie tranzystora w trybie wzmocnienia, a obszar, w którym się on znajduje, nazywany jest obszarem aktywnym. Podczas pracy w tym obszarze złącze emitera jest przesunięte w kierunku do przodu, a złącze kolektora jest przesunięte w przeciwnym kierunku (Pietrowicz V.P., 2008).

Przede wszystkim pamiętajmy, jaką przewodnością są tranzystory bipolarne. Myślę, że ci, którzy czytali poprzednie artykuły, pamiętają, że tranzystory mają przewodność NPN:

i przewodność PNP

Zasada działania tranzystora PNP

Spójrzmy na ten obrazek:

Tutaj widzimy rurę, przez którą woda przepływa od dołu do góry pod wysokim ciśnieniem. W tej chwili rura jest zamknięta czerwonym zaworem i dlatego nie ma przepływu wody.

Ale gdy tylko cofniemy zawór, lekko ciągnąc za zieloną dźwignię, czerwony zawór zostaje odciągnięty i przez rurę przepływa szybki strumień wody od dołu do góry.

Ale potem ponownie puszczamy zieloną dźwignię, a niebieska sprężyna przywraca klapę do pierwotnego położenia i blokuje drogę wody

Oznacza to, że przybliżyliśmy zawór nieco do siebie i woda płynęła przez rurę szalonym strumieniem. Tranzystor PNP zachowuje się prawie dokładnie w ten sam sposób.Jeśli wyobrażasz sobie tę rurę jako tranzystor, jej wnioski będą wyglądać następująco:

Oznacza to, że aby prąd popłynął od emitera do kolektora (a pamiętasz, że prąd musi płynąć tam, gdzie wskazuje strzałka emitera)

musimy się tego upewnić od podstawy wypłynęło aktualne, lub ujmując to w języku amatorskim, zasilanie minus zasilanie podstawy(„przyciągnij” do siebie napięcie).

Praktyczne doświadczenie

Cóż, przeprowadźmy długo oczekiwany eksperyment. Aby to zrobić, weźmy tranzystor KT814B, który jest parą komplementarną do tranzystora KT815B.

Tym, którzy nie czytali dobrze poprzednich artykułów, przypominam bezpłatna para dla kogoś tranzystor - jest to tranzystor o dokładnie takich samych charakterystykach i parametrach, ALE po prostu ma inna przewodność. Oznacza to, że mamy tranzystor KT815 odwracać przewodność, czyli NPN i KT814 prosty przewodnictwo, czyli PNP. Jest też odwrotnie: dla tranzystora KT814 parą komplementarną jest tranzystor KT815. Krótko mówiąc, lustrzani bracia bliźniacy.

Tranzystor KT814B jest tranzystorem PNP:

Oto jego pinout:

Aby pokazać zasadę jego działania, zmontujemy go według obwodu wspólnego emitera (CE):

W rzeczywistości cały schemat wygląda mniej więcej tak:

Z zasilacza wychodzą niebieskie przewody krokodylkowe Bat1, a pozostałe dwa przewody z krokodylkami, czarny i czerwony, od zasilacza Bat2.

Aby więc schemat zadziałał, ustawiamy go na Bat2 napięcie potrzebne do zasilania żarówki. Ponieważ nasza żarówka ma napięcie 6 V, ustawiliśmy ją na 6 V.

Na zasilaczu Bat1 ostrożnie dodawaj napięcie od zera, aż zaświeci się żarówka. A teraz przy napięciu 0,6 wolta

zapaliła się nasza żarówka

Oznacza to, że tranzystor „otworzył się” i przez obwód emiter-kolektor przepłynął prąd elektryczny, co spowodowało zapalenie się naszej żarówki. Napięcie otwarcia to spadek napięcia na emiterze baza-emiter. Jak pamiętacie, w przypadku tranzystorów krzemowych (a nasz tranzystor KT814B jest krzemowy, jest to oznaczone literą „K” na początku nazwy) wartość ta mieści się w zakresie 0,5-0,7 wolta. Oznacza to, że aby „otworzyć” tranzystor, wystarczy przyłożyć do emitera-bazy napięcie większe niż 0,5-0,7 wolta.

Układy przyłączeniowe dla tranzystorów NPN i PNP

Przyjrzyj się zatem obu diagramom i znajdź różnicę. Po lewej stronie tranzystor NPN KT815B w obwodzie z OE, a po prawej KT814B według tego samego schematu połączeń:

Jaka jest więc różnica? Tak dla polaryzacji zasilania! A teraz możemy śmiało powiedzieć, że tranzystor przewodzący PNP otwiera się z „minusem”, ponieważ przykładamy „minus” do podstawy, a tranzystor przewodzący NPN otwiera się z „plusem”.

Tranzystor PNP jest urządzeniem elektronicznym, w pewnym sensie odwrotnością tranzystora NPN. W tego typu konstrukcji tranzystora jego złącza PN są otwierane przez napięcia o odwrotnej polaryzacji w stosunku do typu NPN. W symbolu urządzenia strzałka, która określa również moc wyjściową emitera, tym razem wskazuje wewnątrz symbolu tranzystora.

Projekt urządzenia

Obwód konstrukcyjny tranzystora typu PNP składa się z dwóch obszarów materiału półprzewodnikowego typu p po obu stronach obszaru materiału typu n, jak pokazano na poniższym rysunku.

Strzałka wskazuje emiter i ogólnie przyjęty kierunek jego prądu („do wewnątrz” w przypadku tranzystora PNP).

Tranzystor PNP ma bardzo podobną charakterystykę do swojego bipolarnego odpowiednika NPN, z tą różnicą, że kierunki prądów i polaryzacji napięcia w nim są odwrócone dla dowolnego z trzech możliwych schematów połączeń: wspólna baza, wspólny emiter i wspólny kolektor.

Główne różnice między dwoma typami tranzystorów bipolarnych

Główna różnica między nimi polega na tym, że głównymi nośnikami prądu dla tranzystorów PNP są dziury, tranzystory NPN mają tę pojemność elektronów. Dlatego polaryzacje napięć zasilających tranzystor są odwrócone, a jego prąd wejściowy płynie z bazy. Natomiast w przypadku tranzystora NPN wpływa do niego prąd bazowy, jak pokazano poniżej na schemacie podłączenia obu typów urządzeń ze wspólną bazą i wspólnym emiterem.

Zasada działania tranzystora typu PNP opiera się na wykorzystaniu małego (jak w przypadku typu NPN) prądu bazy i ujemnego (w przeciwieństwie do typu NPN) napięcia polaryzacji bazy do sterowania znacznie większym prądem emiter-kolektor. Innymi słowy, w przypadku tranzystora PNP emiter jest bardziej dodatni w stosunku do bazy, a także w stosunku do kolektora.

Przyjrzyjmy się różnicom pomiędzy typem PNP na schemacie połączeń ze wspólną bazą

Rzeczywiście można zauważyć, że prąd kolektora (w przypadku tranzystora NPN) przepływa z dodatniego bieguna akumulatora B2, przechodzi przez zacisk kolektora, wnika w niego i musi następnie wyjść przez zacisk podstawy, aby powrócić do biegun ujemny akumulatora. W ten sam sposób, patrząc na obwód emitera, można zobaczyć, jak jego prąd z dodatniego zacisku akumulatora B1 wpływa do tranzystora przez zacisk bazy, a następnie przenika do emitera.

Zatem zarówno prąd kolektora I C, jak i prąd emitera I E przepływają przez zacisk bazowy. Ponieważ krążą one w swoich obwodach w przeciwnych kierunkach, powstały prąd bazowy jest równy ich różnicy i jest bardzo mały, ponieważ IC jest nieco mniejszy niż I E. Ale ponieważ ten ostatni jest jeszcze większy, kierunek przepływu prądu różnicowego (prądu bazowego) pokrywa się z I E, dlatego w tranzystorze bipolarnym typu PNP prąd wypływa z bazy, a w tranzystorze typu NPN wpływa aktualny.

Różnice pomiędzy typem PNP na przykładzie obwodu połączeniowego ze wspólnym emiterem

W tym nowym obwodzie złącze PN baza-emiter jest spolaryzowane przez napięcie akumulatora B1, a złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo przez napięcie akumulatora B2. Zacisk emitera jest zatem wspólny dla obwodów bazy i kolektora.

Całkowity prąd emitera jest sumą dwóch prądów I C i I B; przechodząc przez końcówkę emitera w jednym kierunku. Zatem mamy I E = I C + I B.

W tym obwodzie prąd bazowy I B po prostu „rozgałęzia się” od prądu emitera I E, również pokrywając się z nim w kierunku. W tym przypadku do tranzystora typu PNP nadal płynie prąd z bazy I B, a do tranzystora typu NPN wpływa prąd.

W trzecim ze znanych tranzystorowych obwodów przełączających, ze wspólnym kolektorem, sytuacja jest dokładnie taka sama. Dlatego nie prezentujemy go, aby zaoszczędzić miejsce i czas czytelników.

Tranzystor PNP: podłączenie źródeł napięcia

Źródło napięcia baza-emiter (V BE) jest połączone z biegunem ujemnym z bazą i dodatnim z emiterem, ponieważ tranzystor PNP działa, gdy baza jest spolaryzowana ujemnie względem emitera.

Napięcie zasilania emitera jest również dodatnie w stosunku do kolektora (V CE). Zatem w przypadku tranzystora typu PNP zacisk emitera jest zawsze bardziej dodatni zarówno w stosunku do bazy, jak i kolektora.

Źródła napięcia są podłączone do tranzystora PNP, jak pokazano na poniższym rysunku.

Tym razem kolektor podłączony jest do napięcia zasilania VCC poprzez rezystor obciążający R L, który ogranicza maksymalny prąd przepływający przez urządzenie. Napięcie bazowe VB, które polaryzuje je ujemnie w stosunku do emitera, jest do niego przykładane poprzez rezystor RB, który ponownie służy do ograniczenia maksymalnego prądu bazy.

Działanie stopnia tranzystorowego PNP

Zatem, aby spowodować przepływ prądu bazowego w tranzystorze PNP, baza musi być bardziej ujemna niż emiter (prąd musi wypływać z bazy) o około 0,7 wolta w przypadku urządzenia krzemowego lub 0,3 wolta w przypadku urządzenia germanowego. Wzory użyte do obliczenia rezystora bazy, prądu bazy lub prądu kolektora są takie same, jak te stosowane dla równoważnego tranzystora NPN i zostały przedstawione poniżej.

Widzimy, że podstawową różnicą między tranzystorem NPN i PNP jest prawidłowe polaryzacja złączy pn, ponieważ kierunki prądów i polaryzacje napięć w nich są zawsze przeciwne. Zatem dla powyższego obwodu: I C = I E - I B, ponieważ prąd musi płynąć z bazy.

Ogólnie rzecz biorąc, tranzystor PNP można zastąpić tranzystorem NPN w większości obwodów elektronicznych, jedyną różnicą jest polaryzacja napięcia i kierunek prądu. Tranzystory takie można również zastosować jako urządzenia przełączające, a przykładowy przełącznik tranzystorowy PNP pokazano poniżej.

Charakterystyka tranzystora

Charakterystyki wyjściowe tranzystora PNP są bardzo podobne do właściwości równoważnego tranzystora NPN, z tą różnicą, że są obrócone o 180°, aby umożliwić odwrotną polaryzację napięć i prądów (prądy bazy i kolektora tranzystora PNP są ujemne). Podobnie, aby znaleźć punkty pracy tranzystora PNP, jego dynamiczną linię obciążenia można przedstawić w trzeciej ćwiartce kartezjańskiego układu współrzędnych.

Typową charakterystykę tranzystora PNP 2N3906 pokazano na poniższym rysunku.

Pary tranzystorów w stopniach wzmacniacza

Być może zastanawiasz się, jaki jest powód stosowania tranzystorów PNP, skoro dostępnych jest wiele tranzystorów NPN, które można wykorzystać jako wzmacniacze lub przełączniki półprzewodnikowe? Jednakże posiadanie dwóch różnych typów tranzystorów – NPN i PNP – zapewnia ogromne korzyści przy projektowaniu obwodów wzmacniacza mocy. Wzmacniacze te wykorzystują w stopniu wyjściowym „uzupełniające” lub „dopasowane” pary tranzystorów (reprezentujące jeden tranzystor PNP i jeden tranzystor NPN połączone razem, jak pokazano na rysunku poniżej).

Dwa odpowiednie tranzystory NPN i PNP o podobnych charakterystykach, identyczne ze sobą, nazywane są komplementarnymi. Na przykład TIP3055 (typ NPN) i TIP2955 (typ PNP) są dobrym przykładem komplementarnych krzemowych tranzystorów mocy. Obydwa mają wzmocnienie prądu stałego β=I C /I B dopasowane w zakresie 10% i wysoki prąd kolektora wynoszący około 15 A, co czyni je idealnymi do sterowania silnikami lub zastosowań robotycznych.

Ponadto wzmacniacze klasy B wykorzystują dopasowane pary tranzystorów w stopniach mocy wyjściowej. W nich tranzystor NPN przewodzi tylko dodatnią półfali sygnału, a tranzystor PNP tylko jego ujemną połowę.

Dzięki temu wzmacniacz może przekazać wymaganą moc przez głośnik w obu kierunkach przy danej mocy znamionowej i impedancji. W rezultacie prąd wyjściowy, który zwykle jest rzędu kilku amperów, jest równomiernie rozłożony pomiędzy dwoma komplementarnymi tranzystorami.

Pary tranzystorów w obwodach sterowania silnikami elektrycznymi

Stosowane są również w obwodach sterujących mostkiem H do silników odwracalnych prądu stałego, co umożliwia równomierną regulację prądu płynącego przez silnik w obu kierunkach jego obrotu.

Powyższy obwód mostka H jest tak nazywany, ponieważ podstawowa konfiguracja jego czterech przełączników tranzystorowych przypomina literę „H” z silnikiem umieszczonym na linii krzyżowej. Tranzystorowy mostek H jest prawdopodobnie jednym z najczęściej stosowanych typów odwracalnego obwodu sterującego silnikiem prądu stałego. Wykorzystuje „komplementarne” pary tranzystorów NPN i PNP w każdej gałęzi, aby działać jako przełączniki do sterowania silnikiem.

Wejście sterujące A umożliwia pracę silnika w jednym kierunku, natomiast wejście B służy do obracania się w tył.

Przykładowo, gdy tranzystor TR1 jest włączony, a TR2 wyłączony, wejście A jest podłączone do napięcia zasilania (+Vcc), a jeśli tranzystor TR3 jest wyłączony, a TR4 jest włączone, wówczas wejście B jest podłączone do 0 woltów (GND). Dlatego silnik będzie się obracał w jednym kierunku, odpowiadającym dodatniemu potencjałowi wejścia A i ujemnemu potencjałowi wejścia B.

Jeśli stany przełącznika zostaną zmienione w taki sposób, że TR1 będzie wyłączony, TR2 będzie włączony, TR3 będzie włączony, a TR4 będzie wyłączony, prąd silnika będzie płynął w przeciwnym kierunku, powodując jego odwrócenie.

Stosując przeciwne poziomy logiczne „1” lub „0” na wejściach A i B można sterować kierunkiem obrotów silnika.

Określanie rodzaju tranzystorów

Można pomyśleć, że każdy tranzystor bipolarny składa się zasadniczo z dwóch diod połączonych ze sobą tyłem do siebie.

Możemy użyć tej analogii, aby określić, czy tranzystor jest typu PNP, czy NPN, testując jego rezystancję między trzema zaciskami. Testując każdą parę w obu kierunkach za pomocą multimetru, po sześciu pomiarach otrzymujemy następujący wynik:

1. Emiter - baza. Przewody te powinny działać jak zwykła dioda i przewodzić prąd tylko w jednym kierunku.

2.Kolekcjoner - Baza. Przewody te powinny również działać jak zwykła dioda i przewodzić prąd tylko w jednym kierunku.

3. Emiter - kolektor. Wniosków tych nie należy wyciągać w żadnym kierunku.

Wartości rezystancji przejściowej tranzystorów obu typów

Następnie możemy określić, czy tranzystor PNP jest zdrowy i zamknięty. Mały prąd wyjściowy i ujemne napięcie na jego bazie (B) w stosunku do emitera (E) otworzą go i umożliwią przepływ znacznie większego prądu emiter-kolektor. Tranzystory PNP przewodzą przy dodatnim potencjale emitera. Innymi słowy, tranzystor bipolarny PNP będzie przewodził tylko wtedy, gdy zaciski bazy i kolektora będą ujemne w stosunku do emitera.

Tranzystor bipolarny- elektroniczne urządzenie półprzewodnikowe, jeden z rodzajów tranzystorów, przeznaczone do wzmacniania, generowania i przetwarzania sygnałów elektrycznych. Tranzystor nazywa się dwubiegunowy, ponieważ w działaniu urządzenia uczestniczą jednocześnie dwa rodzaje nośników ładunku - elektrony I dziury. Tym się to różni od jednobiegunowy tranzystor (polowy), w którym występuje tylko jeden rodzaj nośnika ładunku.

Zasada działania obu typów tranzystorów jest podobna do działania kranu regulującego przepływ wody, przez tranzystor przechodzi jedynie przepływ elektronów. W tranzystorach bipolarnych przez urządzenie przepływają dwa prądy - główny „duży” prąd i „mały” prąd kontrolny. Główna moc prądu zależy od mocy sterującej. W przypadku tranzystorów polowych przez urządzenie przepływa tylko jeden prąd, którego moc zależy od pola elektromagnetycznego. W tym artykule przyjrzymy się bliżej działaniu tranzystora bipolarnego.

Konstrukcja tranzystora bipolarnego.

Tranzystor bipolarny składa się z trzech warstw półprzewodnika i dwóch złączy PN. Tranzystory PNP i NPN wyróżniają się rodzajem naprzemiennego przewodnictwa dziurowego i elektronowego. Przypomina to sytuację, w której dwie diody są połączone twarzą w twarz lub odwrotnie.

Tranzystor bipolarny ma trzy styki (elektrody). Nazywa się kontakt wychodzący z warstwy środkowej baza. Nazywa się elektrody ekstremalne kolektor I emiter (kolektor I emiter). Warstwa bazowa jest bardzo cienka w stosunku do kolektora i emitera. Oprócz tego obszary półprzewodników na krawędziach tranzystora są asymetryczne. Warstwa półprzewodnika po stronie kolektora jest nieco grubsza niż po stronie emitera. Jest to konieczne, aby tranzystor działał prawidłowo.

Rozważmy procesy fizyczne zachodzące podczas pracy tranzystora bipolarnego. Weźmy jako przykład model NPN. Zasada działania tranzystora PNP jest podobna, jedynie biegunowość napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem będzie przeciwna.

Jak już wspomniano w artykule na temat rodzajów przewodnictwa w półprzewodnikach, substancje typu P zawierają dodatnio naładowane jony - dziury. Substancja typu N jest nasycona ujemnie naładowanymi elektronami. W tranzystorze koncentracja elektronów w obszarze N znacznie przewyższa koncentrację dziur w obszarze P.

Podłączmy źródło napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem V CE (V CE). Pod jego działaniem elektrony z górnej części N zaczną przyciągać się do plusa i gromadzić w pobliżu kolektora. Jednak prąd nie będzie mógł płynąć, ponieważ pole elektryczne źródła napięcia nie dociera do emitera. Zapobiega temu gruba warstwa półprzewodnika kolektora plus warstwa półprzewodnika podstawowego.

Podłączmy teraz napięcie między bazą a emiterem V BE , ale znacznie niższe niż V CE (dla tranzystorów krzemowych wymagane minimum V BE to 0,6 V). Ponieważ warstwa P jest bardzo cienka, plus źródło napięcia podłączone do bazy, będzie w stanie „dotrzeć” swoim polem elektrycznym do obszaru N emitera. Pod jego wpływem elektrony zostaną skierowane do bazy. Część z nich zacznie wypełniać znajdujące się tam dziury (rekombinować). Druga część nie znajdzie wolnej dziury, ponieważ koncentracja dziur w bazie jest znacznie mniejsza niż koncentracja elektronów w emiterze.

W rezultacie środkowa warstwa podstawy zostaje wzbogacona w wolne elektrony. Większość z nich pójdzie w stronę kolektora, gdyż tam napięcie jest znacznie wyższe. Sprzyja temu również bardzo mała grubość warstwy środkowej. Część elektronów, chociaż znacznie mniejsza, nadal będzie płynąć w kierunku dodatniej strony podstawy.

W rezultacie otrzymujemy dwa prądy: mały - od bazy do emitera I BE i duży - od kolektora do emitera I CE.

Jeśli zwiększysz napięcie u podstawy, w warstwie P zgromadzi się jeszcze więcej elektronów. W rezultacie prąd bazy nieznacznie wzrośnie, a prąd kolektora znacznie wzrośnie. Zatem, z niewielką zmianą prądu bazy I B , prąd kolektora I zmienia się znacznie S. Tak się dzieje. wzmocnienie sygnału w tranzystorze bipolarnym. Stosunek prądu kolektora I C do prądu bazy I B nazywany jest wzmocnieniem prądowym. Wyznaczony β , hfe Lub h21e, w zależności od specyfiki obliczeń przeprowadzonych z tranzystorem.

Najprostszy wzmacniacz na tranzystorze bipolarnym

Rozważmy bardziej szczegółowo zasadę wzmocnienia sygnału w płaszczyźnie elektrycznej na przykładzie obwodu. Z góry zastrzegam, że schemat ten nie jest do końca poprawny. Nikt nie podłącza źródła napięcia stałego bezpośrednio do źródła prądu przemiennego. Ale w tym przypadku łatwiej i wyraźniej będzie zrozumieć sam mechanizm wzmocnienia za pomocą tranzystora bipolarnego. Również sama technika obliczeń w poniższym przykładzie jest nieco uproszczona.

1.Opis głównych elementów obwodu

Załóżmy, że mamy tranzystor o wzmocnieniu 200 (β = 200). Po stronie kolektora podłączymy stosunkowo mocne źródło zasilania 20V, dzięki energii którego nastąpi wzmocnienie. Z podstawy tranzystora podłączamy słabe źródło zasilania 2V. Podłączymy do niego szeregowo źródło napięcia przemiennego w postaci fali sinusoidalnej, o amplitudzie oscylacji 0,1 V. Będzie to sygnał, który należy wzmocnić. Rezystor Rb w pobliżu podstawy jest niezbędny, aby ograniczyć prąd płynący ze źródła sygnału, które zwykle ma małą moc.

2. Obliczenie podstawowego prądu wejściowego I b

Teraz obliczmy prąd bazowy I b. Ponieważ mamy do czynienia z napięciem przemiennym, musimy obliczyć dwie wartości prądu - przy napięciu maksymalnym (V max) i minimalnym (V min). Nazwijmy te aktualne wartości odpowiednio – I bmax i I bmin.

Ponadto, aby obliczyć prąd bazy, musisz znać napięcie baza-emiter V BE. Pomiędzy bazą a emiterem znajduje się jedno złącze PN. Okazuje się, że prąd bazowy „spotyka” na swojej drodze diodę półprzewodnikową. Napięcie, przy którym dioda półprzewodnikowa zaczyna przewodzić, wynosi około 0,6 V. Nie będziemy wdawać się w szczegóły charakterystyki prądowo-napięciowej diody, a dla uproszczenia obliczeń przyjmiemy przybliżony model, zgodnie z którym napięcie na diodzie przewodzącej prąd wynosi zawsze 0,6 V. Oznacza to, że napięcie pomiędzy bazą a emiterem wynosi V BE = 0,6 V. A ponieważ emiter jest podłączony do masy (V E = 0), napięcie od bazy do masy również wynosi 0,6 V (V B = 0,6 V).

Obliczmy I bmax i I bmin, korzystając z prawa Ohma:

2. Obliczanie prądu wyjściowego kolektora I C

Teraz znając wzmocnienie (β = 200) możesz łatwo obliczyć maksymalne i minimalne wartości prądu kolektora (I cmax i I cmin).

3. Obliczanie napięcia wyjściowego V out

Prąd kolektora przepływa przez rezystor Rc, który już obliczyliśmy. Pozostaje zastąpić wartości:

4. Analiza wyników

Jak widać z wyników, V Cmax okazało się mniejsze niż V Cmin. Dzieje się tak dlatego, że napięcie na rezystorze V Rc jest odejmowane od napięcia zasilania VCC. Jednak w większości przypadków nie ma to znaczenia, ponieważ interesuje nas zmienna składowa sygnału - amplituda, która wzrosła z 0,1 V do 1 V. Częstotliwość i sinusoidalny kształt sygnału nie uległy zmianie. Oczywiście stosunek V out / V dziesięciokrotny jest daleki od najlepszego wskaźnika dla wzmacniacza, ale jest całkiem odpowiedni do zilustrowania procesu wzmacniania.

Podsumujmy więc zasadę działania wzmacniacza opartego na tranzystorze bipolarnym. Przez bazę przepływa prąd Ib, niosąc ze sobą składniki stałe i zmienne. Potrzebny jest stały składnik, aby złącze PN między bazą a emiterem zaczęło przewodzić - „otwierało się”. Składową zmienną jest tak naprawdę sam sygnał (przydatna informacja). Prąd kolektor-emiter wewnątrz tranzystora jest wynikiem prądu bazy pomnożonego przez wzmocnienie β. Z kolei napięcie na rezystorze Rc nad kolektorem jest wynikiem pomnożenia wzmocnionego prądu kolektora przez wartość rezystora.

Zatem pin wyjściowy V odbiera sygnał o zwiększonej amplitudzie oscylacji, ale o tym samym kształcie i częstotliwości. Należy podkreślić, że tranzystor pobiera energię do wzmocnienia z zasilacza VCC. Jeżeli napięcie zasilania będzie niewystarczające, tranzystor nie będzie mógł w pełni pracować, a sygnał wyjściowy może zostać zniekształcony.

Tryby pracy tranzystora bipolarnego

Zgodnie z poziomami napięcia na elektrodach tranzystora istnieją cztery tryby jego działania:

• Tryb odcięcia.
• Tryb aktywny.
• Tryb nasycenia.
• Tryb odwrotny.

Tryb odcięcia

Gdy napięcie baza-emiter jest niższe niż 0,6 V - 0,7 V, złącze PN pomiędzy bazą a emiterem jest zamknięte. W tym stanie tranzystor nie ma prądu bazowego. W rezultacie nie będzie również prądu kolektora, ponieważ w bazie nie ma wolnych elektronów, które byłyby gotowe do przejścia w kierunku napięcia kolektora. Okazuje się, że tranzystor jest jakby zablokowany i mówią, że jest tryb odcięcia.

Tryb aktywny

W tryb aktywny Napięcie na bazie jest wystarczające do otwarcia złącza PN pomiędzy bazą a emiterem. W tym stanie tranzystor ma prąd bazy i kolektora. Prąd kolektora jest równy prądowi bazy pomnożonemu przez wzmocnienie. Oznacza to, że tryb aktywny jest normalnym trybem pracy tranzystora, który służy do wzmocnienia.

Tryb nasycenia

Czasami prąd bazy może być zbyt wysoki. W rezultacie moc zasilania jest po prostu niewystarczająca, aby zapewnić taką wielkość prądu kolektora, która odpowiadała wzmocnieniu tranzystora. W trybie nasycenia prąd kolektora będzie maksymalny, jaki może zapewnić zasilacz i nie będzie zależał od prądu bazy. W tym stanie tranzystor nie jest w stanie wzmocnić sygnału, ponieważ prąd kolektora nie reaguje na zmiany prądu bazowego.

W trybie nasycenia przewodność tranzystora jest maksymalna i bardziej nadaje się do funkcji przełącznika (przełącznika) w stanie „włączonym”. Podobnie w trybie odcięcia przewodność tranzystora jest minimalna, co odpowiada wyłącznikowi w stanie wyłączonym.

Tryb odwrotny

W tym trybie kolektor i emiter zmieniają role: złącze PN kolektora jest przesunięte w kierunku do przodu, a złącze emitera jest przesunięte w przeciwnym kierunku. W rezultacie prąd przepływa od bazy do kolektora. Obszar półprzewodnika kolektora jest asymetryczny w stosunku do emitera, a wzmocnienie w trybie odwrotnym jest mniejsze niż w normalnym trybie aktywnym. Tranzystor zaprojektowano w taki sposób, aby w trybie aktywnym działał możliwie najefektywniej. Dlatego tranzystor praktycznie nie jest używany w trybie odwrotnym.

Podstawowe parametry tranzystora bipolarnego.

Aktualny zysk– stosunek prądu kolektora I C do prądu bazy I B. Wyznaczony β , hfe Lub h21e, w zależności od specyfiki obliczeń przeprowadzonych na tranzystorach.

β jest wartością stałą dla jednego tranzystora i zależy od fizycznej struktury urządzenia. Wysokie wzmocnienie oblicza się w setkach jednostek, niskie - w dziesiątkach. W przypadku dwóch oddzielnych tranzystorów tego samego typu, nawet jeśli podczas produkcji były one „sąsiadami rurociągu”, β może się nieznacznie różnić. Ta cecha tranzystora bipolarnego jest być może najważniejsza. Jeśli w obliczeniach często można pominąć inne parametry urządzenia, wzmocnienie prądu jest prawie niemożliwe.

Impedancja wejściowa– rezystancja w tranzystorze, która „spotyka” prąd bazy. Wyznaczony R w (R w). Im jest większy, tym lepiej dla charakterystyki wzmocnienia urządzenia, ponieważ po stronie podstawy zwykle znajduje się źródło słabego sygnału, które musi zużywać jak najmniej prądu. Idealną opcją jest sytuacja, gdy impedancja wejściowa wynosi nieskończoność.

Wejście R dla przeciętnego tranzystora bipolarnego wynosi kilkaset KΩ (kiloomów). Tutaj tranzystor bipolarny traci bardzo dużo w stosunku do tranzystora polowego, gdzie rezystancja wejściowa sięga setek GΩ (gigaomów).

Przewodność wyjściowa- przewodność tranzystora pomiędzy kolektorem a emiterem. Im większa przewodność wyjściowa, tym więcej prądu kolektor-emiter będzie mogło przejść przez tranzystor przy mniejszej mocy.

Ponadto wraz ze wzrostem przewodności wyjściowej (lub zmniejszeniem rezystancji wyjściowej) wzrasta maksymalne obciążenie, jakie wzmacniacz może wytrzymać przy nieznacznych stratach w ogólnym wzmocnieniu. Na przykład, jeśli tranzystor o niskiej przewodności wyjściowej wzmacnia sygnał 100 razy bez obciążenia, to po podłączeniu obciążenia 1 KΩ wzmocni go już tylko 50 razy. Tranzystor o tym samym wzmocnieniu, ale wyższej przewodności wyjściowej, będzie miał mniejszy spadek wzmocnienia. Idealną opcją jest sytuacja, gdy przewodność wyjściowa jest nieskończona (lub rezystancja wyjściowa R out = 0 (R out = 0)).

W tym artykule omówiliśmy tak ważny parametr tranzystora, jak współczynnik beta (β) . Ale tranzystor ma inny interesujący parametr. Sam w sobie jest nieistotny, ale może zrobić wiele interesów! To jak kamyk, który dostaje się do tenisówki sportowca: wydaje się mały, ale podczas biegania powoduje niedogodności. Jak więc ten „kamyk” koliduje z tranzystorem? Dowiedzmy Się...

Bezpośrednie i odwrotne podłączenie złącza PN

Jak pamiętamy, tranzystor składa się z trzech półprzewodników. , który nazywamy emiterem bazowym złącze emitera, a przejście baza-kolektor wynosi przejście kolektora.

Ponieważ w tym przypadku mamy tranzystor NPN, oznacza to, że prąd popłynie z kolektora do emitera, pod warunkiem, że otworzymy bazę, przykładając do niej napięcie większe niż 0,6 wolta (cóż, aby tranzystor się otworzył) .

Weźmy hipotetycznie cienki, cienki nóż i wytnijmy emiter bezpośrednio wzdłuż złącza PN. Skończymy z czymś takim:

Zatrzymywać się! Czy mamy diodę? Tak, to ten! Pamiętaj, że w artykule charakterystyka prądowo-napięciowa (CVC) przyjrzeliśmy się CVC diody:

Po prawej stronie charakterystyki prądowo-napięciowej widzimy, jak gałąź wykresu bardzo gwałtownie poleciała w górę. W tym przypadku przyłożyliśmy do diody stałe napięcie w ten sposób, czyli tak było bezpośrednie podłączenie diody.

Dioda przepuszczała przez siebie prąd elektryczny. Przeprowadziliśmy nawet eksperymenty z bezpośrednim i odwrotnym podłączeniem diody. Ci, którzy nie pamiętają, mogą przeczytać.

Ale jeśli zmienisz polaryzację

wtedy nasza dioda nie przepuści prądu. Zawsze nas tak uczono i jest w tym trochę prawdy, ale… nasz świat nie jest idealny).

Jak działa złącze PN? Wyobrażaliśmy sobie to jako lejek. A więc do tego rysunku

nasz lejek zostanie odwrócony do góry nogami w kierunku strumienia

Kierunek przepływu wody jest kierunkiem przepływu prądu elektrycznego. Lejek to dioda. Ale woda, która przedostała się przez wąską szyjkę lejka? Jak możemy to nazwać? I to się nazywa prąd wsteczny złącza PN (powracam).

Jak myślisz, czy jeśli zwiększysz prędkość przepływu wody, zwiększy się ilość wody przechodzącej przez wąską szyjkę lejka? Zdecydowanie! Oznacza to, że jeśli dodasz napięcie Jesteś Arr., wówczas prąd wsteczny wzrośnie jestem., co widzimy po lewej stronie wykresu charakterystyki prądowo-napięciowej diody:

Ale do jakiego limitu można zwiększyć prędkość przepływu wody? Jeśli będzie bardzo duży, nasz lejek nie wytrzyma, ściany pękną i rozleci się na kawałki, prawda? Dlatego dla każdej diody można znaleźć parametr taki jak U obr.maks, przekroczenie którego dla diody jest równoznaczne ze śmiercią.

Przykładowo dla diody D226B:

U obr.maks= 500 woltów i maksymalny impuls wsteczny Jesteś Arr. imp.max= 600 woltów. Należy jednak pamiętać, że obwody elektroniczne są projektowane, jak mówią, „z 30% marginesem”. I nawet jeśli w obwodzie napięcie wsteczne na diodzie wynosi 490 woltów, wówczas w obwodzie zostanie zainstalowana dioda, która wytrzymuje więcej niż 600 woltów. Lepiej nie bawić się wartościami krytycznymi). Impulsowe napięcie wsteczne to nagły wzrost napięcia, który może osiągnąć amplitudę do 600 woltów. Ale tutaj też lepiej jest brać z niewielkim marginesem.

Więc… po co mi to wszystko o diodzie i o diodzie… To tak, jakbyśmy badali tranzystory. Ale cokolwiek by nie powiedzieć, dioda jest elementem konstrukcyjnym tranzystora. Jeśli więc przyłożymy napięcie wsteczne do złącza kolektora, to przez złącze przepłynie prąd wsteczny, jak w diodzie? Dokładnie. I nazywa się ten parametr w tranzystorze . Oznaczamy to jako ja KBO wśród burżuazji - ja CBO. Oznacza „prąd między kolektorem a bazą, przy otwartym emiterze”. Z grubsza mówiąc, noga emitera nigdzie nie przylega i wisi w powietrzu.

Aby zmierzyć prąd wsteczny kolektora, wystarczy zmontować następujące proste obwody:

Dla tranzystora NPN dla tranzystora PNP

Dla tranzystorów krzemowych prąd kolektora zwrotnego jest mniejszy niż 1 µA, dla tranzystorów germanowych: 1-30 µA. Ponieważ mierzę tylko od 10 µA i nie mam pod ręką tranzystorów germanowych, nie będę w stanie przeprowadzić tego eksperymentu, ponieważ rozdzielczość urządzenia na to nie pozwala.

Nadal nie odpowiedzieliśmy na pytanie, dlaczego prąd wsteczny kolektora jest tak ważny i jest wymieniany w podręcznikach? Rzecz w tym, że podczas pracy tranzystor wydziela część mocy w przestrzeń, czyli się nagrzewa. Odwrotny prąd kolektora jest bardzo zależny od temperatury i podwaja swoją wartość na każde 10 stopni Celsjusza. Nie, ale co jest nie tak? Niech rośnie, nikomu to nie przeszkadza.

Wpływ wstecznego prądu kolektora

Rzecz w tym, że w niektórych obwodach przełączających część tego prądu przepływa przez złącze emitera. I jak pamiętamy, prąd bazowy przepływa przez złącze emitera. Im większy prąd sterujący (prąd bazowy), tym większy prąd kontrolowany (prąd kolektora). Omówiliśmy to w artykule. W rezultacie najmniejsza zmiana prądu bazy prowadzi do dużej zmiany prądu kolektora i cały obwód zaczyna działać nieprawidłowo.

Jak walczyć z odwróconym prądem kolektora

Oznacza to, że najważniejszym wrogiem tranzystora jest temperatura. Jak walczą z tym twórcy sprzętu radioelektronicznego (REA)?

– stosować tranzystory, w których prąd kolektora zwrotnego ma bardzo małą wartość. Są to oczywiście tranzystory krzemowe. Mała wskazówka - oznaczenie tranzystorów krzemowych zaczyna się od liter „KT”, co oznacza DO pasek T tranzystor.

– zastosowanie obwodów minimalizujących prąd wsteczny kolektora.

Odwrotny prąd kolektora jest ważnym parametrem tranzystora. Jest on podany w karcie katalogowej każdego tranzystora. W obwodach używanych w ekstremalnych warunkach temperaturowych prąd powrotny kolektora będzie odgrywał bardzo dużą rolę. Dlatego jeśli montujesz obwód, który nie korzysta z grzejnika i wentylatora, to oczywiście lepiej jest wziąć tranzystory z minimalnym prądem wstecznego kolektora.