Em quais modos um transistor bipolar pode operar? Transistores bipolares

Dependendo da tensão nos terminais, o transistor pode estar nos seguintes modos principais:

• Modo de corte;
• Modo ativo;
• Modo de saturação.

Além desses modos, existe também um modo inverso, que raramente é usado.

Modo de corte

Quando a tensão entre a base e o emissor é inferior a 0,6 V - 0,7 V, a junção pn entre a base e o emissor é fechada. Neste estado, o transistor praticamente não possui corrente de base. Como resultado, também não haverá corrente de coletor, uma vez que não há elétrons livres na base prontos para se moverem em direção à tensão de coletor. Acontece que o transistor está bloqueado e diz-se que está no modo de corte.

Modo ativo

No modo ativo, uma tensão suficiente para fazer com que a junção pn entre a base e o emissor se abra é aplicada à base. Surgem correntes de base e de coletor. A corrente do coletor é igual à corrente de base multiplicada pelo ganho. Ou seja, o modo ativo é o modo normal de operação do transistor, que é usado para amplificação.

Modo de saturação

Se você aumentar a corrente de base, pode chegar um momento em que a corrente do coletor pare de aumentar, porque o transistor abrirá completamente e a corrente será determinada apenas pela tensão da fonte de alimentação e pela resistência de carga no circuito coletor. O transistor atinge a saturação. No modo de saturação, a corrente do coletor será a máxima que pode ser fornecida pela fonte de alimentação a uma determinada resistência de carga, e não dependerá da corrente de base. Neste estado, o transistor não é capaz de amplificar o sinal, pois a corrente do coletor não responde às mudanças na corrente de base. No modo de saturação, a condutividade do transistor é máxima, sendo mais adequado para o funcionamento de uma chave (chave) no estado “ligado”. Da mesma forma, no modo de corte, a condutividade do transistor é mínima, e isso corresponde à chave no estado desligado. Todos esses modos podem ser explicados usando as características de saída do transistor.

Consideremos um estágio de amplificação em um transistor conectado em um circuito com emissor comum (Fig. 4.14). Quando o sinal de entrada muda, a corrente de base Ib muda. A corrente de coletor Ik varia proporcionalmente à corrente de base:

Euк = β eu b. (4.5.1)

Arroz. 4.14. Diagrama do estágio amplificador (desenho feito pelos autores)

A mudança na corrente do coletor pode ser rastreada pelas características de saída do transistor (Fig. 4.15). No eixo das abcissas traçaremos um segmento igual a E K - a tensão da fonte de alimentação do circuito coletor, e no eixo das ordenadas traçaremos um segmento correspondente à corrente máxima possível no circuito desta fonte:

I até máx = E até /R até (4.5.2)

Entre esses pontos traçamos uma linha reta, que é chamada de linha de carga e é descrita pela equação:

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

Onde U CE é a tensão entre o coletor e o emissor do transistor; R K - resistência de carga no circuito coletor.

Arroz. 4.15. Modos de operação de um transistor bipolar (desenho feito pelos autores)

De (4.5.3) segue que

Rk = Ek/Ik max = tanα. (4.5.4)

E, portanto, a inclinação da linha de carga é determinada pela resistência R K. Da Fig. 4.15 segue-se que, dependendo da corrente de base Ib que flui no circuito de entrada do transistor, o ponto de operação do transistor, que determina sua corrente de coletor e tensão U CE, se moverá ao longo da linha de carga a partir da posição mais baixa (ponto 1 , determinado pela intersecção da linha de carga com a característica de saída em I b =0), até o ponto 2, determinado pela intersecção da linha de carga com a seção inicial de aumento acentuado das características de saída.

A zona localizada entre o eixo das abcissas e a característica inicial de saída correspondente a I b = 0 é chamada de zona de corte e é caracterizada pelo fato de que ambas as transições do transistor - emissor e coletor - são polarizadas na direção oposta. A corrente do coletor, neste caso, representa a corrente reversa da junção do coletor - I K0, que é muito pequena e, portanto, quase toda a tensão da fonte de energia E K cai entre o emissor e o coletor do transistor fechado:

Você ke ≈ E ke.

E a queda de tensão na carga é muito pequena e igual a:

U Rк = I к0 Rк (4.5.5)

Dizem que neste caso o transistor opera em modo de corte. Como neste modo a corrente que flui através da carga é extremamente pequena e quase toda a tensão da fonte de energia é aplicada ao transistor fechado, então neste modo o transistor pode ser representado como uma chave aberta.

Se aumentarmos agora a corrente de base I b, então o ponto de operação se moverá ao longo da linha de carga até atingir o ponto 2. A corrente de base correspondente à característica que passa pelo ponto 2 é chamada de corrente de base de saturação I b us. Aqui o transistor entra no modo de saturação e um aumento adicional na corrente de base não levará a um aumento na corrente de coletor I K. A zona entre o eixo das ordenadas e a seção que muda acentuadamente nas características de saída é chamada de zona de saturação. Neste caso, ambas as junções do transistor são polarizadas diretamente; A corrente do coletor atinge seu valor máximo e é quase igual à corrente máxima da fonte de alimentação do coletor:

I k max ≈ I para nós (4.5.6)

e a tensão entre o coletor e o emissor de um transistor aberto é muito pequena. Portanto, no modo de saturação, o transistor pode ser representado como uma chave fechada.

A posição intermediária do ponto de operação entre a zona de corte e a zona de saturação determina a operação do transistor em modo de amplificação, e a região onde ele está localizado é chamada de região ativa. Ao trabalhar nesta área, a junção do emissor é polarizada na direção direta e a junção do coletor é polarizada na direção oposta (Petrovich V.P., 2008).

Em primeiro lugar, vamos lembrar que tipo de transistores bipolares de condutividade são. Acho que aqueles que leram artigos anteriores lembram que os transistores vêm em condutividade NPN:

e condutividade PNP

Princípio de funcionamento do transistor PNP

Vejamos esta foto:

Aqui vemos um cano através do qual a água flui de baixo para cima sob alta pressão. No momento a tubulação está fechada com uma válvula vermelha e portanto não há fluxo de água.

Mas assim que puxamos a válvula para trás, puxando levemente a alavanca verde, a válvula vermelha é puxada para trás e um rápido jato de água corre pelo tubo de baixo para cima.

Mas então soltamos a alavanca verde novamente, e a mola azul retorna a aba à sua posição original e bloqueia o caminho da água

Ou seja, puxamos a válvula um pouco mais para perto de nós e a água correu pelo cano em um riacho louco. Um transistor PNP se comporta quase exatamente da mesma maneira.Se imaginarmos este tubo como um transistor, suas conclusões serão assim:

Isso significa que para que a corrente corra do emissor para o coletor (e você lembra que a corrente deve fluir para onde a seta do emissor aponta)

devemos ter certeza de que desde a base fluiu atual, ou para colocá-lo em linguagem amadora, fornecer energia negativa para a base(“puxe” a tensão para você).

Experiência prática

Bem, vamos realizar o tão esperado experimento. Para fazer isso, vamos pegar o transistor KT814B, que é um par complementar do transistor KT815B.

Para aqueles que não leram bem os artigos anteriores, gostaria de lembrar que casal de cortesia para alguém transistor - este é um transistor com exatamente as mesmas características e parâmetros, MAS ele simplesmente tem outra condutividade. Isso significa que temos o transistor KT815 reverter condutividade, isto é, NPN e KT814 direto condutividade, ou seja, PNP. O contrário também é verdadeiro: para o transistor KT814, o par complementar é o transistor KT815. Em suma, irmãos gêmeos espelhados.

O transistor KT814B é um transistor PNP:

Aqui está sua pinagem:

Para mostrar o princípio de seu funcionamento, iremos montá-lo segundo um circuito emissor comum (CE):

Na verdade, todo o esquema é mais ou menos assim:

Fios azuis de crocodilo vêm da fonte de alimentação Morcego1, e os outros dois fios com crocodilos, preto e vermelho, da fonte de alimentação Morcego2.

Então, para que o esquema funcione, nós o configuramos para Morcego2 tensão para alimentar uma lâmpada incandescente. Como nossa lâmpada tem 6 Volts, configuramos para 6 Volts.

Na fonte de alimentação Morcego1 adicione cuidadosamente tensão de zero até que a luz incandescente acenda. E agora com uma tensão de 0,6 Volts

nossa lâmpada acendeu

Ou seja, o transistor “abriu” e uma corrente elétrica percorreu o circuito emissor-coletor, o que fez nossa lâmpada queimar. A tensão de abertura é a queda de tensão no emissor-base. Como você se lembra, para transistores de silício (e nosso transistor KT814B é de silício, isso é indicado pela letra “K” no início de seu nome), esse valor está na faixa de 0,5-0,7 Volts. Ou seja, para “abrir” o transistor, basta aplicar uma tensão superior a 0,5-0,7 Volts na base-emissor.

Circuitos de conexão para transistores NPN e PNP

Então, observe os dois diagramas e encontre a diferença. À esquerda está o transistor NPN KT815B em um circuito com OE, e à direita está o KT814B de acordo com o mesmo circuito de conexão:

Então qual é a diferença? Sim para alimentar a polaridade! E agora podemos dizer com segurança que o transistor de condução PNP abre com um “menos”, pois aplicamos um “menos” à base, e o transistor de condução NPN abre com um “mais”.

Um transistor PNP é um dispositivo eletrônico, em certo sentido, o inverso de um transistor NPN. Neste tipo de projeto de transistor, suas junções PN são abertas por tensões de polaridade reversa em relação ao tipo NPN. No símbolo do dispositivo, a seta, que também determina a saída do emissor, desta vez aponta para dentro do símbolo do transistor.

Projeto do dispositivo

O circuito de projeto de um transistor do tipo PNP consiste em duas regiões de material semicondutor tipo p em cada lado de uma região de material tipo n, conforme mostrado na figura abaixo.

A seta identifica o emissor e a direção geralmente aceita de sua corrente ("para dentro" para um transistor PNP).

O transistor PNP possui características muito semelhantes ao seu equivalente bipolar NPN, exceto que as direções das correntes e polaridades de tensão nele são invertidas para qualquer um dos três esquemas de conexão possíveis: base comum, emissor comum e coletor comum.

As principais diferenças entre os dois tipos de transistores bipolares

A principal diferença entre eles é que os buracos são os principais portadores de corrente dos transistores PNP, os transistores NPN possuem elétrons nesta capacidade. Portanto, as polaridades das tensões que alimentam o transistor são invertidas e sua corrente de entrada flui da base. Em contraste, com um transistor NPN, a corrente de base flui para ele, conforme mostrado abaixo no diagrama de circuito para conectar ambos os tipos de dispositivos com uma base comum e um emissor comum.

O princípio de operação de um transistor do tipo PNP é baseado no uso de uma corrente de base pequena (como o tipo NPN) e uma tensão de polarização de base negativa (ao contrário do tipo NPN) para controlar uma corrente emissor-coletor muito maior. Ou seja, para um transistor PNP, o emissor é mais positivo em relação à base e também em relação ao coletor.

Vejamos as diferenças entre o tipo PNP no diagrama de conexão com uma base comum

Na verdade, pode-se observar que a corrente do coletor IC (no caso de um transistor NPN) flui do terminal positivo da bateria B2, passa pelo terminal coletor, penetra nele e deve então sair pelo terminal base para retornar ao terminal coletor. terminal negativo da bateria. Da mesma forma, olhando para o circuito emissor, você pode ver como a corrente do terminal positivo da bateria B1 entra no transistor através do terminal base e depois penetra no emissor.

Assim, tanto a corrente do coletor I C quanto a corrente do emissor I E passam pelo terminal base. Como eles circulam ao longo de seus circuitos em direções opostas, a corrente de base resultante é igual à sua diferença e é muito pequena, pois IC é um pouco menor que I E. Mas como este último é ainda maior, a direção do fluxo da corrente diferencial (corrente de base) coincide com I E e, portanto, um transistor bipolar do tipo PNP tem uma corrente fluindo para fora da base, e um do tipo NPN tem uma entrada atual.

Diferenças entre o tipo PNP usando o exemplo de um circuito de conexão com emissor comum

Neste novo circuito, a junção base-emissor PN é polarizada pela tensão da bateria B1 e a junção coletor-base é polarizada inversamente pela tensão da bateria B2. O terminal emissor é, portanto, comum aos circuitos base e coletor.

A corrente total do emissor é dada pela soma de duas correntes I C e I B; passando pelo terminal emissor em uma direção. Assim, temos I E = I C + I B.

Neste circuito, a corrente de base I B simplesmente “ramifica” da corrente de emissor I E, também coincidindo com ela na direção. Neste caso, um transistor do tipo PNP ainda tem uma corrente fluindo da base I B, e um transistor do tipo NPN tem uma corrente de entrada.

No terceiro dos circuitos de comutação de transistores conhecidos, com coletor comum, a situação é exatamente a mesma. Portanto, não o apresentamos para economizar espaço e tempo dos leitores.

Transistor PNP: conectando fontes de tensão

A fonte de tensão base-emissor (V BE) é conectada negativa à base e positiva ao emissor porque o transistor PNP opera quando a base é polarizada negativamente em relação ao emissor.

A tensão de alimentação do emissor também é positiva em relação ao coletor (VCE). Assim, com um transistor do tipo PNP, o terminal emissor é sempre mais positivo tanto em relação à base quanto ao coletor.

As fontes de tensão são conectadas ao transistor PNP conforme mostrado na figura abaixo.

Desta vez, o coletor é conectado à tensão de alimentação VCC através de um resistor de carga, RL, que limita a corrente máxima que flui através do dispositivo. Uma tensão de base VB, que o polariza negativamente em relação ao emissor, é aplicada a ele através de um resistor RB, que novamente é usado para limitar a corrente de base máxima.

Operação de um estágio de transistor PNP

Portanto, para fazer com que a corrente de base flua em um transistor PNP, a base deve ser mais negativa que o emissor (a corrente deve sair da base) em cerca de 0,7 volts para um dispositivo de silício ou 0,3 volts para um dispositivo de germânio. As fórmulas utilizadas para calcular o resistor de base, a corrente de base ou a corrente de coletor são as mesmas utilizadas para um transistor NPN equivalente e são apresentadas a seguir.

Vemos que a diferença fundamental entre um transistor NPN e um PNP é a correta polarização das junções pn, uma vez que as direções das correntes e as polaridades das tensões nelas são sempre opostas. Assim, para o circuito acima: I C = I E - I B, pois a corrente deve fluir da base.

Geralmente, um transistor PNP pode ser substituído por um transistor NPN na maioria dos circuitos eletrônicos, sendo a única diferença a polaridade da tensão e a direção da corrente. Esses transistores também podem ser usados ​​​​como dispositivos de comutação, e um exemplo de chave de transistor PNP é mostrado abaixo.

Características do transistor

As características de saída de um transistor PNP são muito semelhantes às de um transistor NPN equivalente, exceto que eles são girados 180° para permitir a polaridade reversa de tensões e correntes (as correntes de base e de coletor de um transistor PNP são negativas). Da mesma forma, para encontrar os pontos de operação de um transistor PNP, sua linha de carga dinâmica pode ser representada no terceiro quarto do sistema de coordenadas cartesianas.

As características típicas do transistor 2N3906 PNP são mostradas na figura abaixo.

Pares de transistores em estágios amplificadores

Você pode estar se perguntando qual é a razão para usar transistores PNP quando existem muitos transistores NPN disponíveis que podem ser usados ​​como amplificadores ou chaves de estado sólido? No entanto, ter dois tipos diferentes de transistores - NPN e PNP - oferece grandes vantagens no projeto de circuitos amplificadores de potência. Esses amplificadores usam pares de transistores “complementares” ou “combinados” (representando um transistor PNP e um transistor NPN conectados entre si, conforme mostrado na figura abaixo) no estágio de saída.

Dois transistores NPN e PNP correspondentes com características semelhantes, idênticas entre si, são chamados de complementares. Por exemplo, TIP3055 (tipo NPN) e TIP2955 (tipo PNP) são um bom exemplo de transistores de potência de silício complementares. Ambos têm ganho de corrente CC β=I C /I B combinado em 10% e alta corrente de coletor de cerca de 15A, tornando-os ideais para controle de motor ou aplicações robóticas.

Além disso, os amplificadores classe B usam pares casados ​​de transistores em seus estágios de potência de saída. Neles, o transistor NPN conduz apenas a meia onda positiva do sinal, e o transistor PNP conduz apenas a metade negativa.

Isso permite que o amplificador passe a potência necessária através do alto-falante em ambas as direções, com uma determinada potência e impedância. Como resultado, a corrente de saída, que normalmente é da ordem de vários amperes, é distribuída uniformemente entre os dois transistores complementares.

Pares de transistores em circuitos de controle de motores elétricos

Também são utilizados em circuitos de controle de ponte H para motores CC reversíveis, que permitem regular uniformemente a corrente que passa pelo motor em ambos os sentidos de rotação.

O circuito da ponte H acima é assim chamado porque a configuração básica de suas quatro chaves de transistor se assemelha à letra “H” com o motor localizado na linha cruzada. A ponte H do transistor é provavelmente um dos tipos mais comumente usados ​​de circuito de controle de motor DC reversível. Ele usa pares “complementares” de transistores NPN e PNP em cada ramo para atuar como chaves para controlar o motor.

A entrada de controle A permite que o motor funcione em uma direção, enquanto a entrada B é usada para rotação reversa.

Por exemplo, quando o transistor TR1 está ligado e TR2 está desligado, a entrada A está conectada à tensão de alimentação (+Vcc), e se o transistor TR3 estiver desligado e TR4 estiver ligado, então a entrada B está conectada a 0 volts (GND). Portanto, o motor girará em uma direção, correspondendo ao potencial positivo da entrada A e ao potencial negativo da entrada B.

Se os estados da chave forem alterados para que TR1 esteja desligado, TR2 esteja ligado, TR3 esteja ligado e TR4 esteja desligado, a corrente do motor fluirá na direção oposta, fazendo com que ela inverta.

Utilizando níveis lógicos opostos "1" ou "0" nas entradas A e B, é possível controlar o sentido de rotação do motor.

Determinando o tipo de transistores

Qualquer transistor bipolar pode ser considerado como consistindo essencialmente de dois diodos conectados costas com costas.

Podemos usar esta analogia para determinar se um transistor é do tipo PNP ou NPN, testando sua resistência entre seus três terminais. Testando cada par deles em ambas as direções usando um multímetro, após seis medições obtemos o seguinte resultado:

1. Emissor - Base. Esses terminais devem agir como um diodo normal e conduzir corrente apenas em uma direção.

2.Colecionador - Base. Esses terminais também devem agir como um diodo normal e conduzir corrente apenas em uma direção.

3. Emissor - Coletor. Estas conclusões não devem ser tiradas em nenhuma direção.

Valores de resistência de transição de transistores de ambos os tipos

Então podemos determinar que o transistor PNP está íntegro e fechado. Uma pequena corrente de saída e uma tensão negativa em sua base (B) em relação ao seu emissor (E) irão abri-lo e permitir que muito mais corrente emissor-coletor flua. Os transistores PNP conduzem com um potencial de emissor positivo. Em outras palavras, um transistor bipolar PNP conduzirá somente se os terminais da base e do coletor forem negativos em relação ao emissor.

Transistor bipolar- um dispositivo semicondutor eletrônico, um dos tipos de transistores, projetado para amplificar, gerar e converter sinais elétricos. O transistor é chamado bipolar, uma vez que dois tipos de portadores de carga participam simultaneamente da operação do dispositivo - elétrons E buracos. É assim que difere de unipolar transistor (de efeito de campo), no qual apenas um tipo de portador de carga está envolvido.

O princípio de funcionamento de ambos os tipos de transistores é semelhante ao funcionamento de uma torneira que regula o fluxo de água, apenas um fluxo de elétrons passa pelo transistor. Nos transistores bipolares, duas correntes passam pelo dispositivo - a corrente principal “grande” e a corrente “pequena” de controle. A potência atual principal depende da potência de controle. Com transistores de efeito de campo, apenas uma corrente passa pelo dispositivo, cuja potência depende do campo eletromagnético. Neste artigo, examinaremos mais de perto a operação de um transistor bipolar.

Projeto de transistor bipolar.

Um transistor bipolar consiste em três camadas semicondutoras e duas junções PN. Os transistores PNP e NPN são diferenciados pelo tipo de alternância de buraco e condutividade eletrônica. É semelhante a dois diodos conectados frente a frente ou vice-versa.

Um transistor bipolar possui três contatos (eletrodos). O contato que sai da camada central é chamado base. Os eletrodos extremos são chamados colecionador E emissor (colecionador E emissor). A camada base é muito fina em relação ao coletor e ao emissor. Além disso, as regiões semicondutoras nas bordas do transistor são assimétricas. A camada semicondutora no lado do coletor é ligeiramente mais espessa que no lado do emissor. Isso é necessário para que o transistor funcione corretamente.

Consideremos os processos físicos que ocorrem durante a operação de um transistor bipolar. Tomemos o modelo NPN como exemplo. O princípio de funcionamento de um transistor PNP é semelhante, apenas a polaridade da tensão entre o coletor e o emissor será oposta.

Como já mencionado no artigo sobre tipos de condutividade em semicondutores, as substâncias do tipo P contêm íons carregados positivamente - buracos. A substância do tipo N está saturada com elétrons carregados negativamente. Num transistor, a concentração de elétrons na região N excede significativamente a concentração de lacunas na região P.

Vamos conectar uma fonte de tensão entre o coletor e o emissor V CE (V CE). Sob sua ação, os elétrons da parte N superior começarão a ser atraídos para o positivo e se acumularão perto do coletor. Porém, a corrente não poderá fluir porque o campo elétrico da fonte de tensão não atinge o emissor. Isso é evitado por uma espessa camada de semicondutor coletor mais uma camada de semicondutor base.

Agora vamos conectar a tensão entre a base e o emissor V BE , mas significativamente menor que V CE (para transistores de silício o V BE mínimo necessário é 0,6V). Como a camada P é muito fina, mais uma fonte de tensão ligada à base, ela conseguirá “alcançar” com seu campo elétrico a região N do emissor. Sob sua influência, os elétrons serão direcionados para a base. Alguns deles começarão a preencher os buracos ali localizados (recombinar). A outra parte não encontrará buraco livre, pois a concentração de buracos na base é muito menor que a concentração de elétrons no emissor.

Como resultado, a camada central da base é enriquecida com elétrons livres. A maior parte deles irá em direção ao coletor, já que ali a tensão é muito maior. Isto também é facilitado pela espessura muito pequena da camada central. Alguma parte dos elétrons, embora muito menor, ainda fluirá em direção ao lado positivo da base.

Como resultado, obtemos duas correntes: uma pequena - da base ao emissor I BE, e uma grande - do coletor ao emissor I CE.

Se você aumentar a tensão na base, ainda mais elétrons se acumularão na camada P. Como resultado, a corrente de base aumentará ligeiramente e a corrente do coletor aumentará significativamente. Por isso, com uma ligeira mudança na corrente de base I B , a corrente do coletor I muda muito S. É isso que acontece. amplificação de sinal em um transistor bipolar. A relação entre a corrente de coletor I C e a corrente de base I B é chamada de ganho de corrente. Designada β , vida ou h21e, dependendo das especificidades dos cálculos realizados com o transistor.

O amplificador transistor bipolar mais simples

Consideremos com mais detalhes o princípio da amplificação do sinal no plano elétrico usando o exemplo de um circuito. Deixe-me fazer uma reserva antecipada de que este esquema não é totalmente correto. Ninguém conecta uma fonte de tensão CC diretamente a uma fonte CA. Mas neste caso será mais fácil e claro entender o próprio mecanismo de amplificação usando um transistor bipolar. Além disso, a própria técnica de cálculo no exemplo abaixo é um tanto simplificada.

1.Descrição dos principais elementos do circuito

Então, digamos que temos um transistor com ganho de 200 (β = 200). No lado do coletor, conectaremos uma fonte de alimentação relativamente potente de 20 V, cuja energia ocorrerá a amplificação. Da base do transistor conectamos uma fonte de alimentação fraca de 2V. Conectaremos a ele em série uma fonte de tensão alternada em forma de onda senoidal, com amplitude de oscilação de 0,1V. Este será um sinal que precisa ser amplificado. O resistor Rb próximo à base é necessário para limitar a corrente proveniente da fonte do sinal, que geralmente possui baixa potência.

2. Cálculo da corrente de entrada base I b

Agora vamos calcular a corrente de base I b. Como estamos lidando com tensão alternada, precisamos calcular dois valores de corrente - na tensão máxima (V max) e na mínima (V min). Vamos chamar esses valores atuais respectivamente - I bmax e I bmin.

Além disso, para calcular a corrente de base, você precisa conhecer a tensão base-emissor V BE. Existe uma junção PN entre a base e o emissor. Acontece que a corrente de base “encontra” o diodo semicondutor em seu caminho. A tensão na qual um diodo semicondutor começa a conduzir é de cerca de 0,6V. Não entraremos em detalhes sobre as características corrente-tensão do diodo e, para simplificar os cálculos, tomaremos um modelo aproximado, segundo o qual a tensão no diodo condutor de corrente é sempre 0,6V. Isso significa que a tensão entre a base e o emissor é V BE = 0,6V. E como o emissor está conectado ao terra (V E = 0), a tensão da base ao terra também é 0,6V (V B = 0,6V).

Vamos calcular I bmax e I bmin usando a lei de Ohm:

2. Cálculo da corrente de saída do coletor I C

Agora, conhecendo o ganho (β = 200), você pode calcular facilmente os valores máximo e mínimo da corrente do coletor (I cmax e I cmin).

3. Cálculo da tensão de saída V out

A corrente do coletor flui através do resistor Rc, que já calculamos. Resta substituir os valores:

4. Análise dos resultados

Como pode ser visto nos resultados, V Cmax acabou sendo menor que V Cmin. Isto se deve ao fato de que a tensão no resistor V Rc é subtraída da tensão de alimentação VCC. Porém, na maioria dos casos isso não importa, pois estamos interessados ​​​​na componente variável do sinal - a amplitude, que aumentou de 0,1V para 1V. A frequência e a forma sinusoidal do sinal não mudaram. É claro que a relação V out / V dez vezes está longe de ser o melhor indicador para um amplificador, mas é bastante adequada para ilustrar o processo de amplificação.

Então, vamos resumir o princípio de funcionamento de um amplificador baseado em um transistor bipolar. Uma corrente I b flui através da base, transportando componentes constantes e variáveis. É necessária uma componente constante para que a junção PN entre a base e o emissor comece a conduzir - “abre”. A componente variável é, na verdade, o próprio sinal (informação útil). A corrente coletor-emissor dentro do transistor é o resultado da corrente de base multiplicada pelo ganho β. Por sua vez, a tensão no resistor Rc acima do coletor é o resultado da multiplicação da corrente amplificada do coletor pelo valor do resistor.

Assim, o pino V out recebe um sinal com amplitude de oscilação aumentada, mas com o mesmo formato e frequência. É importante ressaltar que o transistor utiliza energia para amplificação da fonte de alimentação VCC. Se a tensão de alimentação for insuficiente, o transistor não será capaz de operar totalmente e o sinal de saída poderá ficar distorcido.

Modos de operação de um transistor bipolar

De acordo com os níveis de tensão nos eletrodos do transistor, existem quatro modos de operação:

• Modo de corte.
• Modo ativo.
• Modo de saturação.
• Modo reverso.

Modo de corte

Quando a tensão base-emissor é inferior a 0,6 V - 0,7 V, a junção PN entre a base e o emissor é fechada. Neste estado, o transistor não possui corrente de base. Como resultado, também não haverá corrente de coletor, uma vez que não há elétrons livres na base prontos para se moverem em direção à tensão de coletor. Acontece que o transistor está, por assim dizer, bloqueado, e dizem que está em modo de corte.

Modo ativo

EM modo ativo A tensão na base é suficiente para que a junção PN entre a base e o emissor se abra. Neste estado, o transistor possui correntes de base e de coletor. A corrente do coletor é igual à corrente de base multiplicada pelo ganho. Ou seja, o modo ativo é o modo normal de operação do transistor, que é usado para amplificação.

Modo de saturação

Às vezes, a corrente de base pode ser muito alta. Como resultado, a potência de alimentação simplesmente não é suficiente para fornecer uma magnitude de corrente de coletor que corresponderia ao ganho do transistor. No modo de saturação, a corrente do coletor será a máxima que a fonte pode fornecer e não dependerá da corrente de base. Neste estado, o transistor não é capaz de amplificar o sinal, pois a corrente do coletor não responde às mudanças na corrente de base.

No modo de saturação, a condutividade do transistor é máxima, sendo mais adequado para o funcionamento de uma chave (chave) no estado “ligado”. Da mesma forma, no modo de corte, a condutividade do transistor é mínima, e isso corresponde à chave no estado desligado.

Modo inverso

Neste modo, o coletor e o emissor mudam de função: a junção PN do coletor é polarizada na direção direta e a junção do emissor é polarizada na direção oposta. Como resultado, a corrente flui da base para o coletor. A região semicondutora do coletor é assimétrica ao emissor e o ganho no modo inverso é menor do que no modo ativo normal. O transistor é projetado de forma que funcione da maneira mais eficiente possível no modo ativo. Portanto, o transistor praticamente não é utilizado no modo inverso.

Parâmetros básicos de um transistor bipolar.

Ganho atual– relação entre a corrente de coletor I C e a corrente de base I B. Designada β , vida ou h21e, dependendo das especificidades dos cálculos realizados com transistores.

β é um valor constante para um transistor e depende da estrutura física do dispositivo. Um ganho alto é calculado em centenas de unidades, um ganho baixo - em dezenas. Para dois transistores separados do mesmo tipo, mesmo que fossem “vizinhos de pipeline” durante a produção, β pode ser ligeiramente diferente. Esta característica de um transistor bipolar é talvez a mais importante. Se outros parâmetros do dispositivo puderem ser frequentemente negligenciados nos cálculos, o ganho de corrente será quase impossível.

Impedância de entrada– resistência no transistor que “atende” a corrente de base. Designada Rin (R em). Quanto maior for, melhor para as características de amplificação do aparelho, já que no lado da base geralmente existe uma fonte de sinal fraco, que precisa consumir o mínimo de corrente possível. A opção ideal é quando a impedância de entrada é infinita.

A entrada R para um transistor bipolar médio é de várias centenas de KΩ (quilo-ohms). Aqui o transistor bipolar perde muito para o transistor de efeito de campo, onde a resistência de entrada atinge centenas de GΩ (gigaohms).

Condutividade de saída- condutividade do transistor entre o coletor e o emissor. Quanto maior a condutância de saída, mais corrente coletor-emissor poderá passar pelo transistor com menor potência.

Além disso, com um aumento na condutividade de saída (ou uma diminuição na resistência de saída), a carga máxima que o amplificador pode suportar com perdas insignificantes no ganho geral aumenta. Por exemplo, se um transistor com baixa condutividade de saída amplifica o sinal 100 vezes sem carga, então quando uma carga de 1 KΩ for conectada, ele já amplificará apenas 50 vezes. Um transistor com o mesmo ganho, mas com maior condutância de saída, terá uma queda de ganho menor. A opção ideal é quando a condutividade de saída é infinita (ou resistência de saída R out = 0 (R out = 0)).

Neste artigo discutimos um parâmetro de transistor tão importante como o coeficiente beta (β) . Mas há outro parâmetro interessante no transistor. Por si só ele é insignificante, mas pode fazer muitos negócios! É como uma pedrinha que entra no tênis de um atleta: parece pequena, mas causa transtorno na hora de correr. Então, como essa “pedra” interfere no transistor? Vamos descobrir...

Conexão direta e reversa da junção PN

Como lembramos, um transistor consiste em três semicondutores. , que chamamos de emissor-base junção emissor, e a transição do coletor base é transição de coletor.

Como neste caso temos um transistor NPN, significa que a corrente fluirá do coletor para o emissor, desde que abramos a base aplicando nela uma tensão de mais de 0,6 Volts (bem, para que o transistor abra) .

Vamos hipoteticamente pegar uma faca fina e cortar o emissor diretamente ao longo da junção PN. Terminaremos com algo assim:

Parar! Temos um diodo? Sim, ele é o único! Lembre-se, no artigo característica de tensão de corrente (CVC), analisamos o CVC do diodo:

No lado direito da característica corrente-tensão, vemos como o ramo do gráfico subiu acentuadamente. Neste caso, aplicamos uma tensão constante no diodo assim, ou seja, foi conexão direta do diodo.

O diodo passou corrente elétrica através de si mesmo. Até realizamos experimentos com conexão direta e reversa do diodo. Quem não lembra pode ler.

Mas se você mudar a polaridade

então nosso diodo não passará corrente. Sempre fomos ensinados assim, e há alguma verdade nisso, mas... nosso mundo não é ideal).

Como funciona uma junção PN? Nós imaginamos isso como um funil. Então, para este desenho

nosso funil ficará virado de cabeça para baixo em direção ao riacho

A direção do fluxo da água é a direção do movimento da corrente elétrica. O funil é o diodo. Mas a água que passou pelo gargalo estreito do funil? Como podemos chamá-lo? E é chamado corrente reversa da junção PN (retorno).

O que você acha, se aumentar a velocidade do fluxo da água, a quantidade de água que passa pelo gargalo estreito do funil aumentará? Definitivamente! Isso significa que se você adicionar tensão Você chegou., então a corrente reversa aumentará Eu chego., que é o que vemos no lado esquerdo do gráfico da característica corrente-tensão do diodo:

Mas até que limite a velocidade do fluxo da água pode ser aumentada? Se for muito grande, nosso funil não aguenta, as paredes vão rachar e ele vai se despedaçar, certo? Portanto, para cada diodo você pode encontrar um parâmetro como U rev.max, excedendo o que para um diodo é equivalente à morte.

Por exemplo, para o diodo D226B:

U rev.max= 500 Volts, e o pulso reverso máximo Você chegou. imp.max= 600 Volts. Mas tenha em mente que os circuitos eletrônicos são projetados, como se costuma dizer, “com uma margem de 30%”. E mesmo que no circuito a tensão reversa do diodo seja de 490 Volts, então um diodo que pode suportar mais de 600 Volts será instalado no circuito. É melhor não brincar com valores críticos). A tensão reversa de pulso é um aumento repentino de tensão que pode atingir uma amplitude de até 600 volts. Mas aqui também é melhor levar com uma pequena margem.

Então... por que estou falando tanto sobre o diodo e sobre o diodo... É como se estivéssemos estudando transistores. Mas digam o que se diga, um diodo é um alicerce para a construção de um transistor. Então, se aplicarmos uma tensão reversa à junção do coletor, uma corrente reversa fluirá através da junção, como em um diodo? Exatamente. E este parâmetro em um transistor é chamado . Nós o denotamos como Eu KBO, entre a burguesia - Eu CBO. Apoia “corrente entre coletor e base, com emissor aberto”. Grosso modo, a perna do emissor não se agarra a lugar nenhum e fica suspensa no ar.

Para medir a corrente reversa do coletor, basta montar estes circuitos simples:

Para transistor NPN para transistor PNP

Para transistores de silício, a corrente do coletor reverso é inferior a 1 µA, para transistores de germânio: 1-30 µA. Como só meço a partir de 10 µA e não tenho transistores de germânio em mãos, não poderei realizar esse experimento, pois a resolução do aparelho não permite.

Ainda não respondemos à pergunta: por que a corrente reversa do coletor é tão importante e está listada em livros de referência? O fato é que durante a operação o transistor dissipa um pouco de energia para o espaço, o que significa que ele aquece. A corrente reversa do coletor é muito dependente da temperatura e dobra seu valor a cada 10 graus Celsius. Não, mas o que há de errado? Deixe crescer, parece que não incomoda ninguém.

Efeito da corrente reversa do coletor

O fato é que em alguns circuitos de comutação parte dessa corrente passa pela junção do emissor. E como lembramos, a corrente de base flui através da junção do emissor. Quanto maior a corrente de controle (corrente de base), maior será a corrente controlada (corrente de coletor). Discutimos isso no artigo. Conseqüentemente, a menor alteração na corrente de base leva a uma grande alteração na corrente do coletor e todo o circuito começa a funcionar incorretamente.

Como combater a corrente reversa do coletor

Isto significa que o inimigo mais importante do transistor é a temperatura. Como os desenvolvedores de equipamentos radioeletrônicos (REA) combatem isso?

– utilizar transistores nos quais a corrente reversa do coletor tenha um valor muito pequeno. Estes são, obviamente, transistores de silício. Uma pequena dica - a marcação dos transistores de silício começa com as letras “KT”, que significa PARA cinto T transistor.

– a utilização de circuitos que minimizem a corrente reversa do coletor.

A corrente reversa do coletor é um parâmetro importante do transistor. É fornecido na folha de dados de cada transistor. Em circuitos usados ​​sob condições extremas de temperatura, a corrente de retorno do coletor desempenhará um papel muito importante. Portanto, se você estiver montando um circuito que não utiliza radiador e ventoinha, então, é claro, é melhor usar transistores com corrente reversa mínima de coletor.