În ce moduri poate funcționa un tranzistor bipolar? Tranzistoare bipolare

În funcție de tensiunea la borne, tranzistorul poate fi în următoarele moduri principale:

• Modul de întrerupere;
• Modul activ;
• Modul de saturație.

Pe lângă aceste moduri, există și un mod invers, care este folosit foarte rar.

Modul de întrerupere

Când tensiunea dintre bază și emițător este mai mică de 0,6 V - 0,7 V, atunci joncțiunea p-n dintre bază și emițător este închisă. În această stare, tranzistorul nu are practic nici un curent de bază. Ca urmare, nu va exista nici un curent de colector, deoarece nu există electroni liberi în bază gata să se deplaseze către tensiunea colectorului. Se dovedește că tranzistorul este blocat și se spune că este în modul cutoff.

Modul activ

În modul activ, pe bază este aplicată o tensiune suficientă pentru a determina deschiderea joncțiunii p-n dintre bază și emițător. Apar curenți de bază și de colector. Curentul colectorului este egal cu curentul de bază înmulțit cu câștigul. Adică, modul activ este modul normal de funcționare al tranzistorului, care este utilizat pentru amplificare.

Modul de saturație

Dacă creșteți curentul de bază, atunci poate veni un moment în care curentul colectorului încetează să crească, deoarece tranzistorul se va deschide complet, iar curentul va fi determinat numai de tensiunea sursei de alimentare și de rezistența de sarcină din circuitul colectorului. Tranzistorul ajunge la saturație. În modul de saturație, curentul colectorului va fi maximul care poate fi furnizat de sursa de alimentare la o anumită rezistență de sarcină și nu va depinde de curentul de bază. În această stare, tranzistorul nu este capabil să amplifice semnalul, deoarece curentul colectorului nu răspunde la modificările curentului de bază. În modul de saturație, conductivitatea tranzistorului este maximă și este mai potrivită pentru funcționarea unui comutator (comutator) în starea „pornit”. În mod similar, în modul de întrerupere, conductivitatea tranzistorului este minimă, iar aceasta corespunde comutării în starea oprită. Toate aceste moduri pot fi explicate folosind caracteristicile de ieșire ale tranzistorului.

Să considerăm o etapă de amplificare pe un tranzistor conectat într-un circuit cu un emițător comun (Fig. 4.14). Când semnalul de intrare se schimbă, curentul de bază Ib se va schimba. Curentul colectorului Ik variază proporțional cu curentul de bază:

Iк = β I b. (4.5.1)

Orez. 4.14. Diagrama etajului amplificatorului (desen realizat de autori)

Modificarea curentului colectorului poate fi urmărită prin caracteristicile de ieșire ale tranzistorului (Fig. 4.15). Pe axa absciselor vom reprezenta un segment egal cu E K - tensiunea sursei de alimentare a circuitului colector, iar pe axa ordonatelor vom reprezenta un segment corespunzător curentului maxim posibil în circuitul acestei surse:

I la max = E la /R la (4.5.2)

Între aceste puncte trasăm o linie dreaptă, care se numește linie de sarcină și este descrisă de ecuația:

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

Unde U CE este tensiunea dintre colectorul și emițătorul tranzistorului; R K - rezistența de sarcină în circuitul colectorului.

Orez. 4.15. Moduri de funcționare ale unui tranzistor bipolar (desen realizat de autori)

Din (4.5.3) rezultă că

Rk = Ek/Ik max = tanα. (4.5.4)

Și, prin urmare, panta liniei de sarcină este determinată de rezistența R K. Din fig. 4.15 rezultă că, în funcție de curentul de bază Ib care circulă în circuitul de intrare al tranzistorului, punctul de funcționare al tranzistorului, care determină curentul și tensiunea colectorului său U CE, se va deplasa de-a lungul liniei de sarcină din poziția cea mai joasă (punctul 1). , determinată de intersecția liniei de sarcină cu caracteristica de ieșire la I b =0), la punctul 2, determinată de intersecția liniei de sarcină cu secțiunea inițială în creștere abruptă a caracteristicilor de ieșire.

Zona situată între axa absciselor și caracteristica inițială de ieșire corespunzătoare lui I b = 0 se numește zonă de tăiere și se caracterizează prin faptul că ambele tranziții ale tranzistorului - emițător și colector - sunt polarizate în sens opus. Curentul colectorului în acest caz reprezintă curentul invers al joncțiunii colectorului - I K0, care este foarte mic și, prin urmare, aproape întreaga tensiune a sursei de alimentare E K scade între emițătorul și colectorul tranzistorului închis:

U ke ≈ E ke.

Și căderea de tensiune pe sarcină este foarte mică și egală cu:

U Rк = I к0 Rк (4.5.5)

Ei spun că în acest caz tranzistorul funcționează în modul cutoff. Deoarece în acest mod curentul care curge prin sarcină este extrem de mic și aproape întreaga tensiune a sursei de alimentare este aplicată tranzistorului închis, atunci în acest mod tranzistorul poate fi reprezentat ca un comutator deschis.

Dacă acum creștem curentul de bază I b, atunci punctul de funcționare se va deplasa de-a lungul liniei de sarcină până când ajunge la punctul 2. Curentul de bază corespunzător caracteristicii care trece prin punctul 2 se numește curent de bază de saturație I b us. Aici tranzistorul intră în modul de saturație și o creștere suplimentară a curentului de bază nu va duce la o creștere a curentului colectorului I K. Zona dintre axa ordonatelor și secțiunea în schimbare bruscă a caracteristicilor de ieșire se numește zonă de saturație. În acest caz, ambele joncțiuni ale tranzistorului sunt polarizate direct; Curentul colectorului atinge valoarea maximă și este aproape egal cu curentul maxim al sursei de alimentare a colectorului:

I k max ≈ I la noi (4.5.6)

iar tensiunea dintre colectorul și emițătorul unui tranzistor deschis se dovedește a fi foarte mică. Prin urmare, în modul de saturație, tranzistorul poate fi reprezentat ca un comutator închis.

Poziția intermediară a punctului de funcționare între zona de tăiere și zona de saturație determină funcționarea tranzistorului în modul de amplificare, iar regiunea în care se află se numește regiunea activă. Când se lucrează în această zonă, joncțiunea emițătorului este polarizată în direcția înainte, iar joncțiunea colectorului este polarizată în direcția opusă (Petrovich V.P., 2008).

În primul rând, să ne amintim ce fel de tranzistoare bipolare de conductivitate sunt. Cei care au citit articolele anterioare cred că își amintesc că tranzistorii vin în conductivitate NPN:

și conductivitatea PNP

Principiul de funcționare al tranzistorului PNP

Să ne uităm la această imagine:

Aici vedem o conductă prin care apa curge de jos în sus sub presiune mare. În momentul de față, conducta este închisă cu o supapă roșie și, prin urmare, nu există flux de apă.

Dar de îndată ce tragem înapoi supapa, trăgând ușor de pârghia verde, supapa roșie este trasă înapoi și un curent rapid de apă trece prin conductă de jos în sus.

Dar apoi eliberăm din nou pârghia verde, iar arcul albastru readuce clapeta în poziția inițială și blochează calea apei.

Adică am tras supapa puțin mai aproape de noi, iar apa curgea prin țeavă într-un pârâu nebun. Un tranzistor PNP se comportă aproape exact în același mod.Dacă vă imaginați această țeavă ca un tranzistor, atunci concluziile sale vor arăta astfel:

Aceasta înseamnă că, pentru ca curentul să circule de la emițător la colector (și vă amintiți că curentul trebuie să curgă acolo unde indică săgeata emițătorului)

trebuie să ne asigurăm că de la bază s-a scurs afară curent, sau pentru a spune în limbaj amator, furniza energie minus la bază(„trage” tensiune asupra ta).

Experienta practica

Ei bine, haideți să conducem experimentul mult așteptat. Pentru a face acest lucru, să luăm tranzistorul KT814B, care este o pereche complementară tranzistorului KT815B.

Pentru cei care nu au citit bine articolele din trecut, aș dori să vă reamintesc că cuplu gratuit pentru cineva tranzistor - acesta este un tranzistor cu exact aceleași caracteristici și parametri, DAR pur si simplu are altă conductivitate. Aceasta înseamnă că avem tranzistorul KT815 verso conductivitate, adică NPN și KT814 Drept conductivitate, adică PNP. Opusul este de asemenea adevărat: pentru tranzistorul KT814, perechea complementară este tranzistorul KT815. Pe scurt, oglinda frati gemeni.

Tranzistorul KT814B este un tranzistor PNP:

Iată pinout-ul său:

Pentru a arăta principiul funcționării acestuia, îl vom asambla conform unui circuit emițător comun (CE):

De fapt, întreaga schemă arată cam așa:

Firele de crocodil albastru provin de la sursa de alimentare Bat1, iar celelalte două fire cu crocodili, negru și roșu, de la sursa de alimentare Liliacul 2.

Deci, pentru ca schema să funcționeze, am setat-o ​​la Liliacul 2 tensiune pentru alimentarea unui bec cu incandescență. Deoarece becul nostru este de 6 volți, îl setăm la 6 volți.

Pe sursa de alimentare Bat1 adăugați cu atenție tensiune de la zero până când lumina incandescentă se aprinde. Și acum la o tensiune de 0,6 volți

ni sa aprins becul

Adică, tranzistorul s-a „deschis” și un curent electric a trecut prin circuitul emițător-colector, ceea ce ne-a făcut să ardă becul. Tensiunea de deschidere este căderea de tensiune pe bază-emițător. După cum vă amintiți, pentru tranzistoarele cu siliciu (și tranzistorul nostru KT814B este siliciu, acest lucru este indicat de litera „K” la începutul numelui său), această valoare este în intervalul 0,5-0,7 volți. Adică, pentru a „deschide” tranzistorul, este suficient să aplicați o tensiune mai mare de 0,5-0,7 volți emițătorului de bază.

Circuite de conectare pentru tranzistoare NPN și PNP

Deci, uitați-vă la cele două diagrame și găsiți diferența. În stânga este tranzistorul NPN KT815B într-un circuit cu OE, iar în dreapta este KT814B conform aceluiași circuit de conectare:

Deci, care este diferența? Da la polaritatea puterii! Și acum putem spune cu încredere că tranzistorul de conducție PNP se deschide cu un „minus”, deoarece aplicăm un „minus” la bază, iar tranzistorul de conducție NPN se deschide cu un „plus”.

Un tranzistor PNP este un dispozitiv electronic, într-un anumit sens inversul unui tranzistor NPN. În acest tip de proiectare a tranzistorului, joncțiunile sale PN sunt deschise de tensiuni de polaritate inversă față de tipul NPN. În simbolul dispozitivului, săgeata, care determină și ieșirea emițătorului, acest timp indică în interiorul simbolului tranzistorului.

Designul dispozitivului

Circuitul de proiectare al unui tranzistor de tip PNP constă din două regiuni de material semiconductor de tip p de fiecare parte a unei regiuni de material de tip n, așa cum se arată în figura de mai jos.

Săgeata identifică emițătorul și direcția general acceptată a curentului său („înăuntru” pentru un tranzistor PNP).

Tranzistorul PNP are caracteristici foarte asemănătoare cu omologul său bipolar NPN, cu excepția faptului că direcțiile curenților și polaritățile tensiunii din el sunt inversate pentru oricare dintre cele trei scheme de conectare posibile: bază comună, emițător comun și colector comun.

Principalele diferențe dintre cele două tipuri de tranzistoare bipolare

Principala diferență dintre ele este că găurile sunt principalii purtători de curent pentru tranzistoarele PNP, tranzistoarele NPN au electroni în această capacitate. Prin urmare, polaritățile tensiunilor care alimentează tranzistorul sunt inversate, iar curentul său de intrare curge de la bază. În schimb, cu un tranzistor NPN, curentul de bază curge în el, așa cum se arată mai jos în schema de circuit pentru conectarea ambelor tipuri de dispozitive cu o bază comună și un emițător comun.

Principiul de funcționare al unui tranzistor de tip PNP se bazează pe utilizarea unui curent de bază mic (cum ar fi cel de tip NPN) și a unei tensiuni de polarizare de bază negative (spre deosebire de tipul NPN) pentru a controla un curent emițător-colector mult mai mare. Cu alte cuvinte, pentru un tranzistor PNP, emițătorul este mai pozitiv față de bază și, de asemenea, față de colector.

Să ne uităm la diferențele dintre tipul PNP în diagrama de conectare cu o bază comună

Într-adevăr, se poate observa că curentul de colector IC (în cazul unui tranzistor NPN) curge de la borna pozitivă a bateriei B2, trece prin borna colectorului, pătrunde în aceasta și trebuie apoi să iasă prin borna de bază pentru a reveni la borna negativă a bateriei. În același mod, privind circuitul emițătorului, puteți vedea cum curentul său de la borna pozitivă a bateriei B1 intră în tranzistor prin borna de bază și apoi pătrunde în emițător.

Astfel, atât curentul de colector I C cât și curentul de emițător I E trec prin borna de bază. Deoarece circulă de-a lungul circuitelor lor în direcții opuse, curentul de bază rezultat este egal cu diferența lor și este foarte mic, deoarece IC este puțin mai mic decât I E. Dar, deoarece acesta din urmă este încă mai mare, direcția de curgere a curentului diferențial (curent de bază) coincide cu I E și, prin urmare, un tranzistor bipolar de tip PNP are un curent care curge din bază, iar unul de tip NPN are un flux de intrare. actual.

Diferențele dintre tipul PNP folosind exemplul unui circuit de conectare cu un emițător comun

În acest nou circuit, joncțiunea PN bază-emițător este polarizată de tensiunea bateriei B1, iar joncțiunea colector-bază este polarizată invers de tensiunea bateriei B2. Borna emițătorului este astfel comună pentru circuitele de bază și colectoare.

Curentul total al emițătorului este dat de suma a doi curenți I C și I B; trecând prin terminalul emițătorului într-o direcție. Astfel, avem I E = I C + I B.

În acest circuit, curentul de bază I B pur și simplu „se ramifică” de curentul emițătorului I E, de asemenea, coincizând cu acesta în direcție. În acest caz, un tranzistor de tip PNP are încă un curent care curge de la baza I B, iar un tranzistor de tip NPN are un curent de intrare.

În al treilea dintre circuitele de comutare a tranzistoarelor cunoscute, cu un colector comun, situația este exact aceeași. Prin urmare, nu îl prezentăm pentru a economisi spațiu și timp pentru cititori.

Tranzistor PNP: conectarea surselor de tensiune

Sursa de tensiune de la bază la emițător (V BE) este conectată negativ la bază și pozitivă la emițător, deoarece tranzistorul PNP funcționează atunci când baza este polarizat negativ față de emițător.

Tensiunea de alimentare a emițătorului este de asemenea pozitivă față de colector (V CE). Astfel, cu un tranzistor de tip PNP, terminalul emițătorului este întotdeauna mai pozitiv în raport cu atât bază cât și colector.

Sursele de tensiune sunt conectate la tranzistorul PNP, așa cum se arată în figura de mai jos.

De această dată, colectorul este conectat la tensiunea de alimentare VCC printr-un rezistor de sarcină, R L, care limitează curentul maxim care trece prin dispozitiv. O tensiune de bază VB, care o polarizează negativ față de emițător, îi este aplicată printr-un rezistor RB, care din nou este folosit pentru a limita curentul de bază maxim.

Funcționarea unui etaj tranzistor PNP

Deci, pentru a determina curgerea curentului de bază într-un tranzistor PNP, baza trebuie să fie mai negativă decât emițătorul (curentul trebuie să părăsească baza) cu aproximativ 0,7 volți pentru un dispozitiv cu siliciu sau 0,3 volți pentru un dispozitiv cu germaniu. Formulele utilizate pentru a calcula rezistența de bază, curentul de bază sau curentul de colector sunt aceleași cu cele utilizate pentru un tranzistor NPN echivalent și sunt prezentate mai jos.

Vedem că diferența fundamentală dintre un tranzistor NPN și un tranzistor PNP este polarizarea corectă a joncțiunilor pn, deoarece direcțiile curenților și polaritățile tensiunilor din ele sunt întotdeauna opuse. Astfel, pentru circuitul de mai sus: I C = I E - I B, deoarece curentul trebuie să circule de la bază.

În general, un tranzistor PNP poate fi înlocuit cu un tranzistor NPN în majoritatea circuitelor electronice, singura diferență fiind polaritatea tensiunii și direcția curentului. Astfel de tranzistori pot fi, de asemenea, utilizați ca dispozitive de comutare, iar mai jos este prezentat un exemplu de comutator tranzistor PNP.

Caracteristicile tranzistorului

Caracteristicile de ieșire ale unui tranzistor PNP sunt foarte asemănătoare cu cele ale unui tranzistor NPN echivalent, cu excepția faptului că sunt rotite la 180° pentru a permite polaritatea inversă a tensiunilor și curenților (curenții de bază și de colector ai unui tranzistor PNP sunt negativi). În mod similar, pentru a găsi punctele de funcționare ale unui tranzistor PNP, linia de sarcină dinamică poate fi reprezentată în al treilea trimestru al sistemului de coordonate carteziene.

Caracteristicile tipice ale tranzistorului 2N3906 PNP sunt prezentate în figura de mai jos.

Perechi de tranzistori în trepte de amplificator

S-ar putea să vă întrebați care este motivul pentru a utiliza tranzistoarele PNP atunci când există multe tranzistoare NPN disponibile care pot fi folosite ca amplificatoare sau comutatoare cu stare solidă? Cu toate acestea, a avea două tipuri diferite de tranzistoare - NPN și PNP - oferă avantaje mari la proiectarea circuitelor amplificatoarelor de putere. Aceste amplificatoare folosesc perechi de tranzistori „complementare” sau „potrivite” (reprezentând un tranzistor PNP și un tranzistor NPN conectați împreună, așa cum se arată în figura de mai jos) în treapta de ieșire.

Două tranzistoare NPN și PNP corespondente cu caracteristici similare, identice între ele, se numesc complementare. De exemplu, TIP3055 (tip NPN) și TIP2955 (tip PNP) sunt un bun exemplu de tranzistoare de putere complementare cu siliciu. Ambele au un câștig de curent continuu β=I C /I B potrivit cu 10% și un curent mare de colector de aproximativ 15A, făcându-le ideale pentru controlul motorului sau aplicații robotizate.

În plus, amplificatoarele de clasa B folosesc perechi de tranzistoare potrivite în treptele lor de putere de ieșire. În ele, tranzistorul NPN conduce doar jumătatea de undă pozitivă a semnalului, iar tranzistorul PNP conduce doar jumătatea sa negativă.

Acest lucru permite amplificatorului să treacă puterea necesară prin difuzor în ambele direcții la o putere și o impedanță date. Ca urmare, curentul de ieșire, care este de obicei de ordinul mai multor amperi, este distribuit uniform între cele două tranzistoare complementare.

Perechi de tranzistori în circuitele de comandă a motoarelor electrice

Ele sunt, de asemenea, utilizate în circuitele de comandă H-bridge pentru motoarele reversibile de curent continuu, care fac posibilă reglarea uniformă a curentului prin motor în ambele sensuri de rotație a acestuia.

Circuitul H-bridge de mai sus este numit așa deoarece configurația de bază a celor patru comutatoare cu tranzistori seamănă cu litera „H” cu motorul situat pe linia transversală. Puntea H a tranzistorului este probabil unul dintre cele mai utilizate tipuri de circuite reversibile de control al motorului de curent continuu. Folosește perechi „complementare” de tranzistori NPN și PNP în fiecare ramură pentru a acționa ca întrerupătoare pentru a controla motorul.

Intrarea de control A permite motorului să funcționeze într-o singură direcție, în timp ce intrarea B este utilizată pentru rotația inversă.

De exemplu, când tranzistorul TR1 este pornit și TR2 este oprit, intrarea A este conectată la tensiunea de alimentare (+Vcc), iar dacă tranzistorul TR3 este oprit și TR4 este pornit, atunci intrarea B este conectată la 0 volți (GND). Prin urmare, motorul se va roti într-o direcție, corespunzătoare potențialului pozitiv al intrării A și potențialului negativ al intrării B.

Dacă stările comutatorului sunt modificate astfel încât TR1 este oprit, TR2 este pornit, TR3 este pornit și TR4 este oprit, curentul motorului va curge în direcția opusă, determinând inversarea acestuia.

Folosind niveluri logice opuse „1” sau „0” pe intrările A și B, puteți controla sensul de rotație al motorului.

Determinarea tipului de tranzistori

Orice tranzistor bipolar poate fi considerat ca fiind alcătuit în principal din două diode conectate împreună spate în spate.

Putem folosi această analogie pentru a determina dacă un tranzistor este de tip PNP sau NPN testându-i rezistența între cele trei terminale ale sale. Testând fiecare pereche în ambele direcții cu ajutorul unui multimetru, după șase măsurători obținem următorul rezultat:

1. Emițător - Bază. Aceste cabluri ar trebui să acționeze ca o diodă normală și să conducă curentul într-o singură direcție.

2.Colector - Baza. Aceste cabluri ar trebui, de asemenea, să acționeze ca o diodă normală și să conducă curentul doar într-o singură direcție.

3. Emițător - Colector. Aceste concluzii nu trebuie trase în nicio direcție.

Valorile rezistenței de tranziție ale tranzistorilor de ambele tipuri

Apoi putem determina tranzistorul PNP să fie sănătos și închis. Un curent mic de ieșire și o tensiune negativă la baza sa (B) în raport cu emițătorul său (E) îl vor deschide și vor permite să curgă mult mai mult curent emițător-colector. Tranzistoarele PNP conduc la un potențial de emițător pozitiv. Cu alte cuvinte, un tranzistor bipolar PNP va conduce numai dacă bornele de bază și colector sunt negative în raport cu emițătorul.

Tranzistor bipolar- un dispozitiv electronic semiconductor, unul dintre tipurile de tranzistoare, destinat amplificarii, generarii si convertirii semnalelor electrice. Tranzistorul este numit bipolar, deoarece două tipuri de purtători de încărcare participă simultan la funcționarea dispozitivului - electroniȘi găuri. Acesta este modul în care diferă de unipolar tranzistor (cu efect de câmp), în care este implicat un singur tip de purtător de sarcină.

Principiul de funcționare al ambelor tipuri de tranzistoare este similar cu funcționarea unui robinet de apă care reglează fluxul de apă, doar un flux de electroni trece prin tranzistor. În tranzistoarele bipolare, prin dispozitiv trec doi curenți - curentul principal „mare” și curentul „mic” de control. Puterea curentului principal depinde de puterea de control. La tranzistoarele cu efect de câmp, prin dispozitiv trece un singur curent, a cărui putere depinde de câmpul electromagnetic. În acest articol vom arunca o privire mai atentă asupra funcționării unui tranzistor bipolar.

Design tranzistor bipolar.

Un tranzistor bipolar este format din trei straturi semiconductoare și două joncțiuni PN. Tranzistoarele PNP și NPN se disting prin tipul de alternanță a găurii și a conductivității electronilor. Este similar cu două diode conectate față în față sau invers.

Un tranzistor bipolar are trei contacte (electrozi). Contactul care iese din stratul central este numit baza. Electrozii extremi se numesc colectorȘi emițător (colectorȘi emițător). Stratul de bază este foarte subțire față de colector și emițător. În plus, regiunile semiconductoare de la marginile tranzistorului sunt asimetrice. Stratul semiconductor de pe partea colectorului este puțin mai gros decât pe partea emițătorului. Acest lucru este necesar pentru ca tranzistorul să funcționeze corect.

Să luăm în considerare procesele fizice care au loc în timpul funcționării unui tranzistor bipolar. Să luăm ca exemplu modelul NPN. Principiul de funcționare al unui tranzistor PNP este similar, doar polaritatea tensiunii dintre colector și emițător va fi opusă.

După cum sa menționat deja în articolul despre tipurile de conductivitate în semiconductori, substanțele de tip P conțin ioni încărcați pozitiv - găuri. Substanța de tip N este saturată cu electroni încărcați negativ. Într-un tranzistor, concentrația de electroni în regiunea N depășește semnificativ concentrația de găuri din regiunea P.

Să conectăm o sursă de tensiune între colector și emițător V CE (V CE). Sub acțiunea sa, electronii din partea superioară N vor începe să fie atrași de plus și să se adune lângă colector. Totuși, curentul nu va putea circula deoarece câmpul electric al sursei de tensiune nu ajunge la emițător. Acest lucru este prevenit printr-un strat gros de semiconductor colector plus un strat de semiconductor de bază.

Acum să conectăm tensiunea dintre bază și emițător V BE , dar semnificativ mai mică decât V CE (pentru tranzistoarele cu siliciu, V BE minim necesar este de 0,6 V). Deoarece stratul P este foarte subțire, plus o sursă de tensiune conectată la bază, va putea „atinge” cu câmpul său electric regiunea N a emițătorului. Sub influența sa, electronii vor fi direcționați către bază. Unii dintre ei vor începe să umple găurile situate acolo (recombine). Cealaltă parte nu va găsi o gaură liberă, deoarece concentrația de găuri din bază este mult mai mică decât concentrația de electroni din emițător.

Ca urmare, stratul central al bazei este îmbogățit cu electroni liberi. Majoritatea vor merge spre colector, deoarece acolo tensiunea este mult mai mare. Acest lucru este facilitat și de grosimea foarte mică a stratului central. O parte din electroni, deși mult mai mică, va curge în continuare spre partea plus a bazei.

Ca urmare, obținem doi curenți: unul mic - de la bază la emițătorul I BE și unul mare - de la colector la emițătorul I CE.

Dacă creșteți tensiunea la bază, atunci și mai mulți electroni se vor acumula în stratul P. Ca urmare, curentul de bază va crește ușor, iar curentul colectorului va crește semnificativ. Prin urmare, cu o ușoară modificare a curentului de bază I B , curentul colectorului I se modifică foarte mult S. Așa se întâmplă. amplificarea semnalului într-un tranzistor bipolar. Raportul dintre curentul colectorului I C și curentul de bază I B se numește câștig de curent. Desemnat β , hfe sau h21e, in functie de specificul calculelor efectuate cu tranzistorul.

Cel mai simplu amplificator cu tranzistor bipolar

Să luăm în considerare mai detaliat principiul amplificării semnalului în plan electric folosind exemplul unui circuit. Permiteți-mi să fac o rezervă în avans că această schemă nu este în întregime corectă. Nimeni nu conectează o sursă de tensiune DC direct la o sursă AC. Dar, în acest caz, va fi mai ușor și mai clar să înțelegeți mecanismul de amplificare în sine folosind un tranzistor bipolar. De asemenea, tehnica de calcul în sine din exemplul de mai jos este oarecum simplificată.

1.Descrierea elementelor principale ale circuitului

Deci, să presupunem că avem un tranzistor cu un câștig de 200 (β = 200). Pe partea de colector, vom conecta o sursă de alimentare de 20V relativ puternică, datorită energiei căreia va avea loc amplificarea. De la baza tranzistorului conectăm o sursă slabă de alimentare de 2V. Vom conecta la acesta în serie o sursă de tensiune alternativă sub formă de undă sinusoidală, cu o amplitudine de oscilație de 0,1V. Acesta va fi un semnal care trebuie amplificat. Rezistorul Rb din apropierea bazei este necesar pentru a limita curentul care vine de la sursa de semnal, care de obicei are putere redusă.

2. Calculul curentului de intrare de bază I b

Acum să calculăm curentul de bază I b. Deoarece avem de-a face cu tensiune alternativă, trebuie să calculăm două valori ale curentului - la tensiunea maximă (V max) și cea minimă (V min). Să numim aceste valori curente, respectiv - I bmax și I bmin.

De asemenea, pentru a calcula curentul de bază, trebuie să cunoașteți tensiunea bază-emițător V BE. Există o joncțiune PN între bază și emițător. Se pare că curentul de bază „întâlnește” dioda semiconductoare pe calea sa. Tensiunea la care o diodă semiconductoare începe să conducă este de aproximativ 0,6 V. Nu vom intra în detalii despre caracteristicile curent-tensiune ale diodei și, pentru simplitatea calculelor, vom lua un model aproximativ, conform căruia tensiunea pe dioda purtătoare de curent este întotdeauna 0,6V. Aceasta înseamnă că tensiunea dintre bază și emițător este V BE = 0,6 V. Și deoarece emițătorul este conectat la masă (V E = 0), tensiunea de la bază la masă este de asemenea de 0,6 V (V B = 0,6 V).

Să calculăm I bmax și I bmin folosind legea lui Ohm:

2. Calculul curentului de ieșire al colectorului I C

Acum, cunoscând câștigul (β = 200), puteți calcula cu ușurință valorile maxime și minime ale curentului de colector (I cmax și I cmin).

3. Calculul tensiunii de ieșire V out

Curentul colectorului trece prin rezistorul Rc, pe care l-am calculat deja. Rămâne să înlocuim valorile:

4. Analiza rezultatelor

După cum se poate observa din rezultate, V Cmax sa dovedit a fi mai mic decât V Cmin. Acest lucru se datorează faptului că tensiunea pe rezistorul V Rc este scăzută din tensiunea de alimentare VCC. Cu toate acestea, în cele mai multe cazuri acest lucru nu contează, deoarece suntem interesați de componenta variabilă a semnalului - amplitudinea, care a crescut de la 0,1 V la 1 V. Frecvența și forma sinusoidală a semnalului nu s-au schimbat. Desigur, raportul V out / V în zece ori este departe de cel mai bun indicator pentru un amplificator, dar este destul de potrivit pentru ilustrarea procesului de amplificare.

Deci, să rezumăm principiul de funcționare al unui amplificator bazat pe un tranzistor bipolar. Un curent I b circulă prin bază, purtând componente constante și variabile. Este necesară o componentă constantă, astfel încât joncțiunea PN dintre bază și emițător să înceapă să conducă - „se deschide”. Componenta variabilă este, de fapt, semnalul însuși (informații utile). Curentul colector-emițător din interiorul tranzistorului este rezultatul curentului de bază înmulțit cu câștigul β. La rândul său, tensiunea pe rezistorul Rc deasupra colectorului este rezultatul înmulțirii curentului amplificat al colectorului cu valoarea rezistorului.

Astfel, pinul V out primește un semnal cu o amplitudine de oscilație crescută, dar cu aceeași formă și frecvență. Este important de subliniat că tranzistorul preia energie pentru amplificare de la sursa de alimentare VCC. Dacă tensiunea de alimentare este insuficientă, tranzistorul nu va putea funcționa complet, iar semnalul de ieșire poate fi distorsionat.

Moduri de funcționare ale unui tranzistor bipolar

În conformitate cu nivelurile de tensiune de pe electrozii tranzistorului, există patru moduri de funcționare a acestuia:

• Modul Cut off.
• Modul activ.
• Modul de saturație.
• Modul invers.

Modul de întrerupere

Când tensiunea bază-emițător este mai mică de 0,6 V - 0,7 V, joncțiunea PN dintre bază și emițător este închisă. În această stare, tranzistorul nu are curent de bază. Ca urmare, nu va exista nici un curent de colector, deoarece nu există electroni liberi în bază gata să se deplaseze către tensiunea colectorului. Se pare că tranzistorul este, parcă, blocat și ei spun că este înăuntru modul de întrerupere.

Modul activ

ÎN modul activ Tensiunea de la bază este suficientă pentru ca joncțiunea PN dintre bază și emițător să se deschidă. În această stare, tranzistorul are curenți de bază și de colector. Curentul colectorului este egal cu curentul de bază înmulțit cu câștigul. Adică, modul activ este modul normal de funcționare al tranzistorului, care este utilizat pentru amplificare.

Modul de saturație

Uneori, curentul de bază poate fi prea mare. Ca rezultat, puterea de alimentare pur și simplu nu este suficientă pentru a furniza o astfel de mărime a curentului de colector care ar corespunde câștigului tranzistorului. În modul de saturație, curentul colectorului va fi maximul pe care îl poate furniza sursa de alimentare și nu va depinde de curentul de bază. În această stare, tranzistorul nu este capabil să amplifice semnalul, deoarece curentul colectorului nu răspunde la modificările curentului de bază.

În modul de saturație, conductivitatea tranzistorului este maximă și este mai potrivită pentru funcționarea unui comutator (comutator) în starea „pornit”. În mod similar, în modul de întrerupere, conductivitatea tranzistorului este minimă, iar aceasta corespunde comutării în starea oprită.

Modul invers

În acest mod, colectorul și emițătorul își schimbă rolurile: joncțiunea PN a colectorului este polarizată în direcția înainte, iar joncțiunea emițătorului este polarizată în direcția opusă. Ca urmare, curentul curge de la bază la colector. Regiunea semiconductorului colector este asimetrică față de emițător, iar câștigul în modul invers este mai mic decât în ​​modul activ normal. Tranzistorul este proiectat în așa fel încât să funcționeze cât mai eficient posibil în modul activ. Prin urmare, tranzistorul practic nu este utilizat în modul invers.

Parametrii de bază ai unui tranzistor bipolar.

Câștig curent– raportul dintre curentul colectorului I C și curentul de bază I B. Desemnat β , hfe sau h21e, in functie de specificul calculelor efectuate cu tranzistoare.

β este o valoare constantă pentru un tranzistor și depinde de structura fizică a dispozitivului. Un câștig mare este calculat în sute de unități, un câștig scăzut - în zeci. Pentru două tranzistoare separate de același tip, chiar dacă au fost „vecini de conductă” în timpul producției, β poate fi ușor diferit. Această caracteristică a unui tranzistor bipolar este poate cea mai importantă. Dacă alți parametri ai dispozitivului pot fi adesea neglijați în calcule, atunci câștigul curent este aproape imposibil.

Impedanta de intrare– rezistența în tranzistor care „întâlnește” curentul de bază. Desemnat R în (R în). Cu cât este mai mare, cu atât este mai bine pentru caracteristicile de amplificare ale dispozitivului, deoarece pe partea de bază există de obicei o sursă de semnal slab, care trebuie să consume cât mai puțin curent posibil. Opțiunea ideală este atunci când impedanța de intrare este infinită.

Intrarea R pentru un tranzistor bipolar mediu este de câteva sute de KΩ (kilo-ohmi). Aici tranzistorul bipolar pierde foarte mult în fața tranzistorului cu efect de câmp, unde rezistența de intrare ajunge la sute de GΩ (gigaohmi).

Conductivitate la ieșire- conductivitatea tranzistorului dintre colector și emițător. Cu cât este mai mare conductanța de ieșire, cu atât mai mult curent colector-emițător va putea trece prin tranzistor la o putere mai mică.

De asemenea, cu o creștere a conductibilității de ieșire (sau o scădere a rezistenței de ieșire), sarcina maximă pe care o poate suporta amplificatorul cu pierderi nesemnificative ale câștigului total crește. De exemplu, dacă un tranzistor cu conductivitate scăzută de ieșire amplifică semnalul de 100 de ori fără sarcină, atunci când este conectată o sarcină de 1 KΩ, acesta va amplifica deja de numai 50 de ori. Un tranzistor cu același câștig, dar o conductanță de ieșire mai mare va avea o scădere a câștigului mai mică. Opțiunea ideală este atunci când conductivitatea de ieșire este infinită (sau rezistența de ieșire R out = 0 (R out = 0)).

În acest articol am discutat despre un parametru atât de important al tranzistorului precum coeficientul beta (β) . Dar există un alt parametru interesant în tranzistor. În sine este nesemnificativ, dar poate face multe afaceri! Este ca o pietricică care intră în adidașii unui atlet: pare mic, dar provoacă neplăceri atunci când aleargă. Deci, cum interferează această „pietricică” cu tranzistorul? Să aflăm...

Conexiune directă și inversă a joncțiunii PN

După cum ne amintim, un tranzistor este format din trei semiconductori. , pe care îl numim bază-emițător joncțiunea emițătorului, iar tranziția bază-colector este tranziția colectorului.

Deoarece în acest caz avem un tranzistor NPN, înseamnă că curentul va curge de la colector la emițător, cu condiția să deschidem baza aplicându-i o tensiune mai mare de 0,6 Volți (bine, astfel încât tranzistorul să se deschidă) .

Să luăm ipotetic un cuțit subțire și subțire și să tăiem emițătorul direct de-a lungul joncțiunii PN. Vom ajunge cu ceva de genul acesta:

Stop! Avem o diodă? Da, el este acela! Amintiți-vă, în articolul caracteristica curent-tensiune (CVC), ne-am uitat la CVC-ul diodei:

În partea dreaptă a caracteristicii curent-tensiune, vedem cum ramura graficului a zburat foarte brusc în sus. În acest caz, am aplicat o tensiune constantă diodei așa, adică a fost conectarea directă a diodei.

Dioda a trecut curent electric prin ea însăși. Am efectuat chiar și experimente cu conexiunea directă și inversă a diodei. Cei care nu-și amintesc îl pot citi.

Dar dacă schimbi polaritatea

atunci dioda noastră nu va trece curent. Am fost întotdeauna învățați așa și există ceva adevăr în el, dar... lumea noastră nu este ideală).

Cum funcționează o joncțiune PN? Ne-am imaginat-o ca pe o pâlnie. Deci, pentru acest desen

pâlnia noastră va fi întoarsă cu susul în jos spre pârâu

Direcția de curgere a apei este direcția de mișcare a curentului electric. Pâlnia este dioda. Dar apa care a trecut prin gâtul îngust al pâlniei? Cum o putem numi? Și se numește curent invers al joncțiunii PN (retur).

Ce credeți, dacă creșteți viteza de curgere a apei, va crește cantitatea de apă care trece prin gâtul îngust al pâlniei? Categoric! Aceasta înseamnă că dacă adăugați tensiune U arr., atunci curentul invers va crește am arr., care este ceea ce vedem în partea stângă a graficului caracteristicii curent-tensiune a diodei:

Dar până la ce limită poate fi mărită viteza curgerii apei? Dacă este foarte mare, pâlnia noastră nu va rezista, pereții se vor crăpa și va zbura în bucăți, nu? Prin urmare, pentru fiecare diodă puteți găsi un parametru precum U rev.max, peste care pentru o diodă echivalează cu moartea.

De exemplu, pentru dioda D226B:

U rev.max= 500 volți și impulsul invers maxim U arr. imp.max= 600 volți. Dar rețineți că circuitele electronice sunt proiectate, așa cum se spune, „cu o marjă de 30%. Și chiar dacă în circuit tensiunea inversă pe diodă este de 490 de volți, atunci în circuit va fi instalată o diodă care poate rezista la mai mult de 600 de volți. Este mai bine să nu te joci cu valorile critice). Tensiunea inversă a impulsului este o creștere bruscă a tensiunii care poate atinge o amplitudine de până la 600 de volți. Dar și aici este mai bine să luați cu o marjă mică.

Deci... de ce sunt toate astea despre diodă și despre diodă... Parcă studiem tranzistoarele. Dar orice s-ar putea spune, o diodă este un element de construcție pentru construirea unui tranzistor. Deci, dacă aplicăm o tensiune inversă joncțiunii colectorului, atunci un curent invers va curge prin joncțiune, ca într-o diodă? Exact. Și acest parametru într-un tranzistor este numit . O notăm ca Eu KBO, printre burghezii - Eu CBO. Reprezintă „curent între colector și bază, cu emițătorul deschis”. În linii mari, piciorul emițător nu se agăță nicăieri și atârnă în aer.

Pentru a măsura curentul invers al colectorului, este suficient să asamblați aceste circuite simple:

Pentru tranzistor NPN pentru tranzistor PNP

Pentru tranzistoarele cu siliciu, curentul de colector invers este mai mic de 1 µA, pentru tranzistoarele cu germaniu: 1-30 µA. Deoarece măsoară doar de la 10 µA și nu am tranzistori cu germaniu la îndemână, nu voi putea efectua acest experiment, deoarece rezoluția dispozitivului nu permite acest lucru.

Încă nu am răspuns la întrebarea, de ce este atât de important curentul invers de colector și este listat în cărțile de referință? Chestia este că în timpul funcționării tranzistorul disipă o parte de putere în spațiu, ceea ce înseamnă că se încălzește. Curentul invers al colectorului este foarte dependent de temperatură și își dublează valoarea la fiecare 10 grade Celsius. Nu, dar ce e în neregulă? Lasă-l să crească, nu pare să deranjeze pe nimeni.

Efectul curentului invers al colectorului

Chestia este că în unele circuite de comutare o parte din acest curent trece prin joncțiunea emițătorului. Și după cum ne amintim, curentul de bază curge prin joncțiunea emițătorului. Cu cât este mai mare curentul de control (curent de bază), cu atât este mai mare curentul controlat (curent de colector). Am discutat despre asta în articol. În consecință, cea mai mică modificare a curentului de bază duce la o schimbare mare a curentului colectorului și întregul circuit începe să funcționeze incorect.

Cum să combateți curentul invers al colectorului

Aceasta înseamnă că cel mai important inamic al tranzistorului este temperatura. Cum luptă dezvoltatorii de echipamente radio-electronice (REA)?

– folosiți tranzistoare în care curentul de colector invers are o valoare foarte mică. Acestea sunt, desigur, tranzistoare de siliciu. Un mic indiciu - marcarea tranzistoarelor de siliciu începe cu literele „KT”, ceea ce înseamnă LA centura T tranzistor.

– utilizarea de circuite care minimizează curentul invers al colectorului.

Curentul de colector invers este un parametru important al tranzistorului. Este dat în fișa de date pentru fiecare tranzistor. În circuitele care sunt utilizate în condiții de temperatură extremă, curentul de retur al colectorului va juca un rol foarte important. Prin urmare, dacă asamblați un circuit care nu folosește un radiator și un ventilator, atunci, desigur, este mai bine să luați tranzistori cu curent de colector invers minim.