Bipolar transistör hangi modlarda çalışabilir? Bipolar transistörler

Terminallerdeki voltaja bağlı olarak transistör aşağıdaki ana modlarda olabilir:

• Kesme modu;
• Aktif mod;
• Doygunluk modu.

Bu modlara ek olarak çok nadir kullanılan bir ters mod da bulunmaktadır.

Kesme modu

Baz ile emitör arasındaki voltaj 0,6V - 0,7V'den düşük olduğunda, baz ile emitör arasındaki p-n bağlantısı kapatılır. Bu durumda, transistörün neredeyse hiç temel akımı yoktur. Sonuç olarak, tabanda kolektör voltajına doğru hareket etmeye hazır serbest elektron bulunmadığından kolektör akımı da olmayacaktır. Transistörün kilitli olduğu ortaya çıkıyor ve kesme modunda olduğu söyleniyor.

Aktif mod

Aktif modda, baza, baz ile emitör arasındaki p-n bağlantısını açmaya yetecek bir voltaj sağlanır. Baz ve kollektör akımları vardır. Kollektör akımı, temel akımın kazançla çarpımına eşittir. Yani aktif mod, amplifikasyon için kullanılan transistörün normal çalışma modudur.

Doygunluk modu

Temel akımı arttırırsanız, kollektör akımının artmayı durduracağı bir an gelebilir, çünkü. transistör tamamen açılacak ve akım yalnızca güç kaynağının voltajı ve toplayıcı devredeki yük direnci ile belirlenecektir. Transistör doygunluğa ulaşır. Doyma modunda kolektör akımı, belirli bir yük direnci için güç kaynağı tarafından sağlanabilecek maksimum değer olacak ve temel akıma bağlı olmayacaktır. Bu durumda, kolektör akımı baz akımdaki değişikliklere yanıt vermediğinden transistör sinyali yükseltemez. Doyum modunda transistörün iletkenliği maksimumdur ve "açık" durumdaki anahtarın (anahtarın) işlevi için daha uygundur. Benzer şekilde kesme modunda transistörün iletkenliği minimumdur ve bu, anahtarın "kapalı" durumunda olmasına karşılık gelir. Tüm bu modlar transistörün çıkış özellikleri kullanılarak açıklanabilir.

Ortak bir yayıcı devresine göre bağlanan bir transistördeki amplifikasyon aşamasını düşünün (Şekil 4.14). Giriş sinyalinin değeri değiştiğinde temel akım Ib değişecektir. Kolektör akımı Ik, baz akımına orantılı olarak değişir:

Ik \u003d β ben b. (4.5.1)

Pirinç. 4.14. Güçlendirme aşamasının şeması (şekil yazarlar tarafından yapılmıştır)

Kolektör akımındaki değişiklik, transistörün çıkış özellikleriyle izlenebilir (Şekil 4.15). Apsis ekseninde, kolektör devresi güç kaynağının voltajı olan E K'ye eşit bir segment çiziyoruz ve ordinat ekseninde, bu kaynağın devresinde mümkün olan maksimum akıma karşılık gelen bir segment çiziyoruz:

I ila maksimum \u003d E ila / R ila (4.5.2)

Bu noktalar arasına yük çizgisi adı verilen ve denklemle açıklanan düz bir çizgi çiziyoruz:

I ila = (E ila - U ke) / R ila (4.5.3)

U KE, transistörün toplayıcısı ile vericisi arasındaki voltajdır; R K - kolektör devresindeki yük direnci.

Pirinç. 4.15. Bipolar transistörün çalışma modları (şekil yazarlar tarafından yapılmıştır)

(4.5.3)'ten şu sonuç çıkıyor:

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

Ve bu nedenle yük çizgisinin eğimi R K direnci tarafından belirlenir. Şek. Şekil 4.15'te, transistörün giriş devresinde akan temel akım Ib'ye ​​bağlı olarak, kolektör akımını ve U KE voltajını belirleyen transistörün çalışma noktasının yük hattı boyunca en düşük konumdan (nokta 1) hareket edeceği anlaşılmaktadır. , yük çizgisinin çıkış karakteristiği ile I b =0) noktası 2'ye kadar kesişmesiyle belirlenir, yük çizgisinin çıkış karakteristiklerinin başlangıçta dik artan bölümü ile kesişmesiyle belirlenir.

X ekseni ile Ib =0'a karşılık gelen başlangıç ​​çıkış karakteristiği arasında yer alan bölgeye kesme bölgesi adı verilir ve hem transistör geçişlerinin - yayıcı hem de toplayıcının ters yönde eğimli olmasıyla karakterize edilir. Bu durumda kolektör akımı, kolektör bağlantısının ters akımıdır - I K0, bu çok küçüktür ve bu nedenle güç kaynağının neredeyse tüm voltajı E K, kapalı bir transistörün vericisi ve toplayıcısı arasına düşer:

U ke ≈ E to.

Ve yükteki voltaj düşüşü çok küçük ve şuna eşittir:

U Rk = I k0 R k (4.5.5)

Bu durumda transistörün kesme modunda çalıştığı söyleniyor. Bu modda yükten akan akım yok denecek kadar küçük olduğundan ve güç kaynağı voltajının neredeyse tamamı kapalı transistöre uygulandığından, bu modda transistör açık bir anahtar olarak temsil edilebilir.

Şimdi taban akımını I b arttırırsak, çalışma noktası 2 noktasına ulaşana kadar yük çizgisi boyunca hareket edecektir. 2 noktasından geçen karakteristiğe karşılık gelen taban akımına doyma taban akımı I bus denir. Burada transistör doyma moduna girer ve taban akımındaki daha fazla artış, kolektör akımı I K'da bir artışa yol açmaz. Y ekseni ile çıkış karakteristiklerinin hızla değişen bölümü arasındaki bölgeye doyma bölgesi denir. Bu durumda, transistörün her iki bağlantısı da ileriye doğru eğimlidir; kolektör akımı maksimum değerine ulaşır ve neredeyse kolektör güç kaynağının maksimum akımına eşittir:

I k max ≈ I bizim için (4.5.6)

ve açık bir transistörün toplayıcı ile vericisi arasındaki voltaj çok küçüktür. Bu nedenle doygunluk modunda transistör kapalı bir anahtar olarak temsil edilebilir.

Çalışma noktasının kesme bölgesi ile doyum bölgesi arasındaki ara konumu, transistörün kazanç modunda çalışmasını belirler ve bulunduğu bölgeye aktif bölge denir. Bu bölgede çalışırken, yayıcı bağlantı noktası ileri yönde, kollektör bağlantı noktası ise ters yönde kaydırılır (Petrovich V.P., 2008).

Öncelikle bipolar transistörlerin ne tür iletkenliğe sahip olduğunu hatırlayalım. Önceki yazıları okuyanlar sanırım transistörlerin NPN iletimi olduğunu hatırlamışlardır:

ve PNP iletkenliği

PNP transistörünün çalışma prensibi

Bu resmi düşünün:

Burada suyun aşağıdan yukarıya doğru yüksek basınç altında aktığı bir boru görüyoruz. Şu anda boru kırmızı damper ile kapatılmıştır ve bu nedenle su akışı yoktur.

Ancak yeşil kolu hafifçe çekerek damper'i geri çektiğimizde, kırmızı damper geri çekilir ve borunun içinden aşağıdan yukarıya doğru türbülanslı bir su akışı akar.

Ancak burada yine yeşil kolu bırakıyoruz ve mavi yay, damperin orijinal konumuna geri dönmesini ve suyun yolunu tıkamasını sağlıyor.

Yani amortisörü hafifçe kendimize doğru çektik ve su çılgın bir dere halinde borunun içinden aktı. PNP transistörü neredeyse tamamen aynı şekilde davranır.Bu boruyu bir transistör olarak hayal edersek, sonuçları şöyle görünecektir:

Yani akımın emitörden kollektöre doğru akması için (ve akımın emitör okunun gösterdiği yerden akması gerektiğini unutmayın)

tabandan emin olmalıyız dışarı aktı güncel veya sıradan kişilerin ifadesiyle, taban eksi gücüne uygula("gerginliği kendinize çekin").

Pratik tecrübe

Peki, uzun zamandır beklenen bir deneyim yaşayalım. Bunu yapmak için, KT815B transistörünün tamamlayıcı bir çifti olan KT814B transistörünü alın.

Geçmiş yazılarımı okumayanlar için şunu hatırlatmak isterim. ücretsiz çift birisi için transistör - bu tamamen aynı özelliklere ve parametrelere sahip bir transistördür, ANCAK o sadece var diğer iletkenlik. Bu, sahip olduğumuz KT815 transistörünün tersi iletkenlik, yani NPN ve KT814 dümdüz iletkenlik, yani PNP. Bunun tersi de doğrudur: KT814 transistörü için tamamlayıcı çift KT815 transistörüdür. Kısacası ayna ikiz kardeşler.

KT814B transistörü bir PNP iletkenlik transistörüdür:

İşte onun pin şeması:

Çalışma prensibini göstermek için onu Ortak Verici (CE) şemasına göre monte edeceğiz:

Aslında tüm şema şuna benziyor:

Mavi timsah telleri güç kaynağından geliyor Yarasa1 ve güç kaynağından gelen siyah ve kırmızı timsahlı diğer iki kablo Yarasa2.

Bu yüzden planın çalışması için onu şu şekilde ayarladık: Yarasa2 Akkor ampulü çalıştırmak için voltaj. 6 voltluk bir ampulümüz olduğu için onu 6 volta ayarladık.

Güç kaynağı hakkında Yarasa1 sıfırdan akkor ampul yanana kadar dikkatlice voltaj ekleyin. Ve şimdi 0,6 volt voltajda

bir ampulümüz var

Yani, transistör "açıldı" ve yayıcı-kollektör devresinden bir elektrik akımı geçti, bu da ampulümüzün yanmasına neden oldu. Açma voltajı, baz emitördeki voltaj düşüşüdür. Hatırlayacağınız gibi silikon transistörler için (ve KT814B transistörü silikondur, adının başında “K” harfi ile gösterilir) bu değer 0,5-0,7 Volt aralığındadır. Yani, transistörü "açmak" için yayıcı tabanına 0,5-0,7 Volt'tan fazla bir voltaj uygulamak yeterlidir.

NPN ve PNP transistörleri için anahtarlama devreleri

Yani, iki devreye bakın ve farkı bulun. Solda OE'li devrede NPN transistörü KT815B ve aynı anahtarlama şemasına göre sağda KT814B var:

Peki fark nedir? Güç kutupluluğunda evet! Ve artık tabana bir "eksi" uyguladığımız için PNP iletkenlik transistörünün "eksi" ile açıldığını ve NPN iletkenlik transistörünün "artı" ile açıldığını güvenle söyleyebiliriz.

Bir PNP transistörü, bir anlamda NPN transistörünün tam tersi olan elektronik bir cihazdır. Bu tip transistör tasarımında PN bağlantıları, NPN tipine göre ters polariteli gerilimlerle açılır. Cihaz sembolünde emitör terminalini de tanımlayan ok bu kez transistör sembolünün içine işaret etmektedir.

Enstrüman tasarımı

PNP tipi bir transistörün yapısal diyagramı, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, n tipi malzeme bölgesinin her iki tarafında p tipi yarı iletken malzemeden oluşan iki bölgeden oluşur.

Ok, yayıcıyı ve akımının genel olarak kabul edilen yönünü tanımlar (bir PNP transistörü için "giriş").

PNP transistörü, NPN iki kutuplu muadili ile çok benzer özelliklere sahiptir, ancak içindeki akımların yönleri ve voltajların polariteleri olası üç anahtarlama şemasından herhangi biri için tersine çevrilir: ortak taban, ortak verici ve ortak toplayıcı.

İki tip bipolar transistör arasındaki temel farklar

Aralarındaki temel fark, deliklerin PNP transistörleri için ana akım taşıyıcıları olması, NPN transistörlerinin ise bu kapasitede elektronlara sahip olmasıdır. Bu nedenle transistörü besleyen gerilimlerin kutupları ters çevrilir ve giriş akımı tabandan akar. Buna karşılık, bir NPN transistöründe, temel akım, aşağıda ortak bir tabana ve ortak bir yayıcıya sahip her iki cihaz tipi için bağlantı şemasında gösterildiği gibi, bunun içine akar.

PNP tipi transistörün çalışma prensibi, çok daha büyük bir emitör-toplayıcı akımını tahrik etmek için küçük (NPN tipi gibi) bir baz akımının ve negatif (NPN tipinden farklı olarak) bir baz öngerilim voltajının kullanımına dayanır. Başka bir deyişle, bir PNP transistörü için emitör, hem tabana hem de toplayıcıya göre daha pozitiftir.

Ortak bir tabana sahip anahtarlama devresindeki PNP tipinin farklılıklarını göz önünde bulundurun

Aslında, kollektör akımı IC'nin (bir NPN transistörü durumunda) B2 pilinin pozitif kutbundan aktığı, kolektör terminalinden geçtiği, içine girdiği ve daha sonra baz terminalinden çıkması gerektiği görülebilir. Pilin negatif kutbuna dönmek için. Aynı şekilde yayıcı devresine baktığınızda, B1 pilinin pozitif kutbundan gelen akımın baz terminali üzerinden transistöre nasıl girdiğini ve ardından yayıcıya nasıl girdiğini görebilirsiniz.

Böylece hem kolektör akımı I C hem de emitör akımı I E baz terminalinden geçer. Devrelerinde zıt yönlerde dolaştıklarından, I C I E'den biraz daha küçük olduğundan ortaya çıkan temel akım aralarındaki farka eşit ve çok küçüktür. Ancak ikincisi hala daha büyük olduğundan, diferansiyel akımın (temel akım) akış yönü I E ile çakışır ve bu nedenle PNP tipi bipolar transistörün tabandan akan bir akımı vardır ve NPN tipi bir bipolar transistörün bir akımı vardır. içeri akıyor.

Ortak bir yayıcıya sahip bir anahtarlama devresi örneğinde PNP tipinin farklılıkları

Bu yeni devrede, baz-yayıcı PN bağlantısı, akü voltajı B1 ile açılır ve kolektör-taban bağlantısı, akü voltajı B2 tarafından ters kutuplanır. Verici terminali böylece baz ve toplayıcı devreler arasında paylaşılır.

Toplam emitör akımı iki akımın (I C ve I B) toplamı ile verilir; vericinin çıkışından tek yönde geçer. Böylece, I E = I C + I B elde ederiz.

Bu devrede, temel akım I B, yayıcı akım I E'den basitçe "dallara ayrılır" ve aynı zamanda onunla çakışır. Aynı zamanda, PNP tipi bir transistör hala I B tabanından akan bir akıma sahiptir ve NPN tipi bir transistörde hala bir akım akmaktadır.

Bilinen transistörlü anahtarlama devrelerinin ortak kollektörlü üçüncüsünde de durum tamamen aynıdır. Bu nedenle okuyuculara yer ve zaman kazandırmak amacıyla sunmuyoruz.

PNP transistörü: voltaj kaynaklarının bağlantısı

Baz ile verici (VBE) arasındaki voltaj kaynağı, baza negatif ve yayıcıya pozitif olarak bağlanır, çünkü PNP transistörünün çalışması, baz, vericiye göre negatif olarak öngerilimlendiğinde meydana gelir.

Emitör besleme voltajı da kolektöre (V CE) göre pozitiftir. Bu nedenle, PNP tipi bir transistörde verici terminali hem tabana hem de toplayıcıya göre her zaman daha pozitiftir.

Gerilim kaynakları PNP transistörüne aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi bağlanır.

Bu sefer kollektör, cihazdan akan maksimum akımı sınırlayan bir yük direnci (RL) aracılığıyla VCC besleme voltajına bağlanır. Vericiye göre onu negatif yönde öngerilimlendiren baz voltajı VB, yine maksimum baz akımını sınırlamak için kullanılan direnç RB aracılığıyla ona uygulanır.

PNP transistör aşamasının çalışması

Bu nedenle, bir PNP transistöründe taban akımının akmasını sağlamak için, tabanın yayıcıdan (akımın tabandan ayrılması gerekir) silikon için yaklaşık 0,7 volt veya germanyum için 0,3 volt daha negatif olması gerekir. Taban direncini, taban akımını veya kollektör akımını hesaplamak için kullanılan formüller, eşdeğer NPN transistörü için kullanılanlarla aynıdır ve aşağıda gösterilmiştir.

Bir NPN ile bir PNP transistörü arasındaki temel farkın, pn bağlantılarının doğru şekilde yönlendirilmesi olduğunu görüyoruz, çünkü bunlardaki akımların yönleri ve voltajların polaritesi her zaman zıttır. Yani yukarıdaki devre için: I C = I E - I B çünkü akımın tabandan akması gerekir.

Kural olarak, çoğu elektronik devrede bir PNP transistörü bir NPN transistörüyle değiştirilebilir, fark yalnızca voltajın polaritesinde ve akımın yönündedir. Bu tür transistörler aynı zamanda anahtarlama cihazları olarak da kullanılabilir ve bir PNP anahtarının örneği aşağıda gösterilmiştir.

Transistör özellikleri

Bir PNP transistörünün çıkış özellikleri, eşdeğer bir NPN transistörününkine çok benzer, tek farkı, gerilimlerin ve akımların ters polaritesine izin vermek için 180° döndürülmeleridir (PNP transistörünün taban ve toplayıcı akımları negatiftir). Benzer şekilde, bir PNP transistörünün çalışma noktalarını bulmak için dinamik yük çizgisi Kartezyen koordinat sisteminin 3. çeyreğine çizilebilir.

2N3906 PNP transistörünün tipik özellikleri aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Amplifikatör aşamalarındaki transistör çiftleri

Amplifikatör veya katı hal anahtarı olarak kullanılabilecek çok sayıda NPN transistörü varken PNP transistörlerini kullanmanın sebebinin ne olduğunu merak ediyor olabilirsiniz. Bununla birlikte, iki farklı transistör tipinin (NPN ve PNP) varlığı, güç amplifikatörü devrelerinin tasarımında büyük avantajlar sağlar. Bu amplifikatörler, çıkış aşamasında "tamamlayıcı" veya "eşleşmiş" transistör çiftlerini (aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi birbirine bağlanan bir PNP transistörü ve bir NPN'dir) kullanır.

Birbiriyle aynı yakın özelliklere sahip iki karşılık gelen NPN ve PNP transistörüne tamamlayıcı denir. Örneğin, TIP3055 (NPN tipi) ve TIP2955 (PNP tipi), tamamlayıcı silikon güç transistörlerinin iyi örnekleridir. Her ikisinin de %10'luk bir uyum içinde sabit bir akım kazancı β=I C /I B ve 15A civarında yüksek bir toplayıcı akımı vardır, bu da onları motor kontrolü veya robotik uygulamalar için ideal kılar.

Ek olarak, B sınıfı amplifikatörler, güç çıkış aşamalarında da eşleşen transistör çiftlerini kullanır. Bunlarda, NPN transistörü sinyalin yalnızca pozitif yarı dalgasını iletir ve PNP transistörü yalnızca negatif yarısını iletir.

Bu, amplifikatörün belirli bir güç değeri ve empedans için gerekli gücü hoparlörden her iki yönde taşımasına olanak tanır. Sonuç olarak, genellikle birkaç amper mertebesinde olan çıkış akımı, iki tamamlayıcı transistör arasında eşit olarak dağıtılır.

Motor kontrol devrelerindeki transistör çiftleri

Ayrıca, ters çevrilebilir DC motorlar için H-köprü kontrol devrelerinde de kullanılırlar; bu, motordaki akımın, dönüşünün her iki yönünde eşit şekilde düzenlenmesini mümkün kılar.

Yukarıdaki H-köprü devresi böyle adlandırılmıştır çünkü dört transistör anahtarının temel konfigürasyonu, motorun çapraz çizgide olduğu "H" harfine benzemektedir. Transistör H köprüsü muhtemelen en yaygın kullanılan tersinir DC motor kontrol devresi türlerinden biridir. Motorun kontrolünde anahtar görevi gören, her dalda "tamamlayıcı" NPN ve PNP tipi transistör çiftlerini kullanır.

Kontrol girişi A motorun tek yönde çalışmasına izin verirken, B girişi ters dönüş için kullanılır.

Örneğin, TR1 transistörü açık ve TR2 kapalı olduğunda A girişi besleme voltajına (+Vcc) bağlanır ve TR3 transistörü kapalı ve TR4 açıksa B girişi 0 volta (GND) bağlanır. Bu nedenle motor, A girişinin pozitif potansiyeline ve B girişinin negatif potansiyeline karşılık gelen bir yönde dönecektir.

Anahtar durumları TR1 kapalı, TR2 açık, TR3 açık ve TR4 kapalı olacak şekilde değiştirilirse motor akımı ters yönde akacak ve ters dönmesine neden olacaktır.

A ve B girişlerinde zıt "1" veya "0" mantık seviyeleri kullanılarak motorun dönüş yönü kontrol edilebilir.

Transistör tipinin belirlenmesi

Herhangi bir bipolar transistör, temelde arka arkaya bağlanan iki diyot olarak düşünülebilir.

Bu benzetmeyi, bir transistörün üç terminalindeki direncini test ederek PNP mi yoksa NPN tipi mi olduğunu belirlemek için kullanabiliriz. Her bir çifti bir multimetre ile her iki yönde test ettiğimizde, altı ölçümden sonra aşağıdaki sonucu elde ederiz:

1. Verici - Taban. Bu pinler normal bir diyot gibi davranmalı ve akımı yalnızca tek yönde iletmelidir.

2.Koleksiyoncu - Taban. Bu pinler aynı zamanda normal bir diyot gibi davranmalı ve akımı yalnızca tek yönde iletmelidir.

3. Verici - Toplayıcı. Bu bulguların hiçbir yöne tutunmaması gerekiyor.

Her iki tip transistörün geçiş direnci değerleri

O zaman PNP transistörünü iyi ve kapalı olarak tanımlayabiliriz. Küçük bir çıkış akımı ve tabanındaki (B) emitörüne (E) göre negatif bir voltaj onu açacak ve çok daha büyük bir emitör-kollektör akımının akmasına izin verecektir. PNP transistörleri pozitif bir yayıcı potansiyelde çalışır. Başka bir deyişle, bir PNP bipolar transistörü yalnızca taban ve kolektör terminalleri yayıcıya göre negatifse iletimde bulunacaktır.

bipolar transistör- elektrik sinyallerini yükseltmek, üretmek ve dönüştürmek için tasarlanmış, transistör türlerinden biri olan elektronik bir yarı iletken cihaz. Transistör denir iki kutuplu cihazın çalışmasına aynı anda iki tip yük taşıyıcı katıldığından - elektronlar Ve delikler. Bu bakımdan farklıdır tek kutuplu Yalnızca bir tür yük taşıyıcının katıldığı (alan etkili) transistör.

Her iki tip transistörün çalışma prensibi, su akışını düzenleyen bir su vanasının çalışmasına benzer, transistörden yalnızca elektron akışı geçer. Bipolar transistörlerde cihazdan iki akım geçer - ana "büyük" akım ve kontrol "küçük" akımı. Ana akımın gücü kontrolün gücüne bağlıdır. Alan etkili transistörlerde, gücü elektromanyetik alana bağlı olan cihazdan yalnızca bir akım geçer. Bu yazıda bipolar transistörün çalışmasını daha ayrıntılı olarak ele alacağız.

Bipolar transistör cihazı.

Bipolar transistör üç yarı iletken katmandan ve iki PN bağlantı noktasından oluşur. PNP ve NPN transistörleri, alternatif delik türü ve elektronik iletkenlik ile ayırt edilir. Bu, yüz yüze veya tam tersi şekilde bağlanmış iki diyot gibidir.

Bipolar bir transistörün üç kontağı (elektrotlar) vardır. Merkezi katmandan çıkan temasa denir taban (taban). Uç elektrotlar adlandırılır kolektör Ve yayıcı (kolektör Ve yayıcı). Taban katmanı, toplayıcı ve yayıcıya göre çok incedir. Buna ek olarak transistörün kenarlarındaki yarı iletken bölgeler simetrik değildir. Kolektör tarafındaki yarı iletken katman, emitör tarafındakinden biraz daha kalındır. Bu, transistörün doğru çalışması için gereklidir.

Bipolar transistörün çalışması sırasında meydana gelen fiziksel süreçleri düşünün. Örnek olarak NPN modelini ele alalım. PNP transistörünün çalışma prensibi benzerdir, yalnızca toplayıcı ile verici arasındaki voltaj polaritesi zıt olacaktır.

Yarı iletkenlerdeki iletkenlik türleri hakkındaki makalede daha önce de belirtildiği gibi, P tipi bir maddede pozitif yüklü iyonlar - delikler vardır. N tipi bir madde negatif yüklü elektronlarla doyurulur. Bir transistörde N bölgesindeki elektronların konsantrasyonu, P bölgesindeki deliklerin konsantrasyonundan çok daha yüksektir.

Kolektör ve verici V CE (V CE) arasına bir voltaj kaynağı bağlayın. Etkisi altında, üst N kısmındaki elektronlar artıya çekilmeye ve toplayıcının yakınında toplanmaya başlayacak. Ancak gerilim kaynağının elektrik alanı emitöre ulaşmadığı için akım akamaz. Bu, kalın bir toplayıcı yarı iletken tabakası artı bir temel yarı iletken tabakası ile önlenir.

Şimdi baz ile verici VBE arasındaki voltajı bağlıyoruz, ancak VCE'den çok daha düşük (silikon transistörler için gerekli minimum VBE 0,6V'dir). P katmanı çok ince olduğundan ve tabana bağlı bir voltaj kaynağından dolayı, elektrik alanıyla yayıcının N bölgesine "uzanabilecektir". Eylemi altında elektronlar tabana gidecek. Bazıları orada bulunan delikleri doldurmaya başlayacak (yeniden birleşecek). Diğer kısım kendisi için serbest bir delik bulamayacaktır çünkü tabandaki deliklerin konsantrasyonu yayıcıdaki elektronların konsantrasyonundan çok daha düşüktür.

Sonuç olarak bazın merkezi katmanı serbest elektronlarla zenginleştirilir. Buradaki voltaj çok daha yüksek olduğu için çoğu kollektöre doğru gidecek. Bu aynı zamanda merkezi katmanın çok küçük bir kalınlığı ile de kolaylaştırılmıştır. Elektronların bir kısmı, çok daha küçük olmasına rağmen yine de tabanın artı kısmına doğru akacaktır.

Sonuç olarak, iki akım elde ediyoruz: küçük olanı - tabandan vericiye I BE ve büyük olanı - kollektörden vericiye I CE.

Baz voltajı arttırılırsa P katmanında daha da fazla elektron birikecektir. Sonuç olarak, baz akımı biraz artacak ve kollektör akımı önemli ölçüde artacaktır. Böylece, temel akımda küçük bir değişiklikle I B , kolektör akımı I büyük ölçüde değişir C.İşte böyle gidiyor bipolar transistörde sinyal amplifikasyonu. Kolektör akımı I C'nin temel akım I B'ye oranına akım kazancı denir. belirtilen β , hfe veya h21e transistörle yapılan hesaplamaların özelliklerine bağlı olarak.

En basit bipolar transistörlü amplifikatör

Örnek olarak devreyi kullanarak elektrik düzleminde sinyal yükseltme prensibini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Böyle bir planın tamamen doğru olmaması için önceden rezervasyon yapacağım. Hiç kimse bir DC voltaj kaynağını doğrudan bir AC kaynağına bağlamaz. Ancak bu durumda, bipolar transistör kullanarak amplifikasyon mekanizmasının kendisini anlamak daha kolay ve net olacaktır. Ayrıca aşağıdaki örnekte hesaplama tekniğinin kendisi de bir miktar basitleştirilmiştir.

1. Zincirin ana elemanlarının tanımı

Diyelim ki kazancı 200 (β = 200) olan bir transistörümüz var. Kolektörün yanından, amplifikasyonun meydana geleceği enerji nedeniyle nispeten güçlü bir 20V güç kaynağı bağlıyoruz. Transistörün tabanının yanından 2V'luk zayıf bir güç kaynağı bağlıyoruz. Buna, 0,1V salınım genliğine sahip, sinüs biçiminde bir alternatif voltaj kaynağını seri olarak bağlarız. Bu güçlendirilecek sinyal olacaktır. Genellikle düşük güçte olan sinyal kaynağından gelen akımı sınırlamak için tabanın yakınındaki Rb direncine ihtiyaç vardır.

2. Baz giriş akımının hesaplanması I b

Şimdi temel akımı I b'yi hesaplayalım. Alternatif voltajla uğraştığımız için, maksimum voltajda (V max) ve minimumda (V min) iki akım değerini hesaplamamız gerekir. Bu mevcut değerlere sırasıyla - I bmax ve I bmin diyelim.

Ayrıca baz akımını hesaplamak için baz emitör gerilimini (VBE) bilmeniz gerekir. Baz ve emitör arasında bir PN bağlantısı vardır. Temel akımın yolda bir yarı iletken diyotla "karşılaştığı" ortaya çıktı. Yarı iletken bir diyotun iletime başladığı voltaj yaklaşık 0,6V'dur. Diyotun akım-gerilim özelliklerinin ayrıntılarına girmeyeceğiz ve hesaplama kolaylığı için, akım ileten diyot üzerindeki voltajın her zaman 0,6V olduğu yaklaşık bir model alacağız. Bu, baz ile verici arasındaki voltajın VBE = 0,6V olduğu anlamına gelir. Ve verici toprağa bağlı olduğundan (V E = 0), tabandan toprağa olan voltaj da 0,6V'dir (V B = 0,6V).

Ohm yasasını kullanarak I bmax ve I bmin'i hesaplayalım:

2. Kolektör çıkış akımının hesaplanması I C

Artık kazancı bilerek (β = 200), kollektör akımının maksimum ve minimum değerlerini (I cmax ve I cmin) kolayca hesaplayabiliriz.

3. Çıkış voltajının V çıkışının hesaplanması

Kolektör akımı, daha önce hesapladığımız Rc direnci üzerinden akar. Değerleri değiştirmeye devam ediyor:

4. Sonuçların analizi

Sonuçlardan görülebileceği gibi V Cmax'ın V Cmin'den küçük olduğu ortaya çıktı. Bunun nedeni V Rc üzerindeki voltajın VCC besleme voltajından çıkarılmasıdır. Bununla birlikte, çoğu durumda bu önemli değil, çünkü sinyalin değişken bileşeniyle - 0,1V'den 1V'ye yükselen genlikle ilgileniyoruz. Frekans ve sinüzoidal dalga biçimi değişmedi. Elbette on kat oranında bir V çıkışı / V, bir amplifikatör için en iyi gösterge olmaktan uzaktır, ancak amplifikasyon sürecini göstermek için oldukça uygundur.

Öyleyse, bir amplifikatörün bipolar transistör üzerindeki çalışma prensibini özetleyelim. Tabandan bir sabit ve bir değişken bileşen taşıyan bir Ib akımı akar. Baz ile yayıcı arasındaki PN bağlantısının iletilmeye başlaması - "açılması" için sabit bileşene ihtiyaç vardır. Değişken bileşen aslında sinyalin kendisidir (yararlı bilgi). Transistörün içindeki kolektör-emetör akım gücü, baz akımının kazanç β ile çarpılmasının sonucudur. Buna karşılık, toplayıcının üzerindeki Rc direnci üzerindeki voltaj, yükseltilmiş kolektör akımının direnç değeriyle çarpılmasının sonucudur.

Böylece, V çıkışı, artan salınım genliğine sahip, ancak korunmuş şekil ve frekansa sahip bir sinyal alır. Transistörün amplifikasyon için VCC güç kaynağından enerji aldığını vurgulamak önemlidir. Besleme voltajı yeterli değilse transistör tam olarak çalışamayacak ve çıkış sinyali bozulabilir.

Bipolar transistörün çalışma modları

Transistörün elektrotlarındaki voltaj seviyelerine göre dört çalışma modu vardır:

• Kesme modu.
• Aktif mod (aktif mod).
• Doygunluk modu.
• Ters mod.

Kesme modu

Baz emitör voltajı 0,6V - 0,7V'den düşük olduğunda, baz ile emitör arasındaki PN bağlantısı kapatılır. Bu durumda transistörün baz akımı yoktur. Sonuç olarak, tabanda kolektör voltajına doğru hareket etmeye hazır serbest elektron bulunmadığından kolektör akımı da olmayacaktır. Transistörün olduğu gibi kilitli olduğu ortaya çıktı ve içeride olduğunu söylüyorlar. kesme modu.

Aktif mod

İÇİNDE aktif mod tabandaki voltaj, taban ile verici arasındaki PN bağlantısını açmaya yeterlidir. Bu durumda transistörün taban ve toplayıcı akımları vardır. Kollektör akımı, temel akımın kazançla çarpımına eşittir. Yani aktif mod, amplifikasyon için kullanılan transistörün normal çalışma modudur.

Doygunluk modu

Bazen baz akımı çok büyük olabilir. Sonuç olarak, besleme gücü, transistörün kazancına karşılık gelecek böyle bir kollektör akımını sağlamak için yeterli değildir. Doyum modunda kollektör akımı güç kaynağının sağlayabileceği maksimum değerde olacak ve baz akımdan etkilenmeyecektir. Bu durumda, kolektör akımı baz akımdaki değişikliklere yanıt vermediğinden transistör sinyali yükseltemez.

Doyum modunda transistörün iletkenliği maksimumdur ve "açık" durumdaki anahtarın (anahtarın) işlevi için daha uygundur. Benzer şekilde kesme modunda transistörün iletkenliği minimumdur ve bu, anahtarın "kapalı" durumunda olmasına karşılık gelir.

Ters mod

Bu modda, toplayıcı ve yayıcı anahtar rolleri: kolektör PN bağlantısı ileri yönlüdür ve yayıcı bağlantısı ters yönlüdür. Sonuç olarak akım tabandan toplayıcıya doğru akar. Kollektör yarı iletken bölgesi yayıcıya simetrik değildir ve ters moddaki kazanç normal aktif moda göre daha düşüktür. Transistörün tasarımı aktif modda mümkün olduğu kadar verimli çalışacak şekilde yapılmıştır. Bu nedenle, ters modda transistör pratikte kullanılmaz.

Bipolar transistörün temel parametreleri.

şu anki kazanç- kollektör akımının I C temel akıma oranı I B. belirtilen β , hfe veya h21e transistörlerle yapılan hesaplamaların özelliklerine bağlı olarak.

β, bir transistör için sabit bir değerdir ve cihazın fiziksel yapısına bağlıdır. Yüksek kazanç yüzlerce birimde, düşük kazanç ise onlarca olarak hesaplanır. Aynı tipteki iki ayrı transistör için, üretim sırasında "boru hattı boyunca komşu" olsalar bile β biraz farklı olabilir. Bipolar transistörün bu özelliği belki de en önemlisidir. Hesaplamalarda cihazın diğer parametreleri sıklıkla ihmal edilebiliyorsa, mevcut kazanç neredeyse imkansızdır.

Giriş empedansı- temel akımı "karşılayan" transistördeki direnç. belirtilen R girişi (R girişi). Ne kadar büyük olursa, cihazın yükseltme özellikleri açısından o kadar iyidir, çünkü genellikle taban tarafında mümkün olduğunca az akım tüketmeniz gereken zayıf bir sinyal kaynağı vardır. İdeal seçenek, giriş direncinin sonsuza eşit olmasıdır.

Ortalama bir bipolar transistör için R in birkaç yüz KΩ'dur (kilo-ohm). Burada iki kutuplu transistör, giriş direncinin yüzlerce GΩ'a (gigaohm) ulaştığı alan etkili transistöre karşı çok şey kaybeder.

Çıkış İletkenliği- kolektör ve emitör arasındaki transistörün iletkenliği. Çıkış iletkenliği ne kadar büyük olursa, transistörden daha az güçle daha fazla toplayıcı-yayıcı akım geçebilecektir.

Ayrıca çıkış iletkenliğindeki artışla (veya çıkış empedansındaki azalmayla) amplifikatörün genel kazançta çok az kayıpla dayanabileceği maksimum yük artar. Örneğin, düşük çıkış iletkenliğine sahip bir transistör, bir sinyali yük olmadan 100 kez güçlendirirse, o zaman 1KΩ'luk bir yük bağlandığında zaten yalnızca 50 kez yükseltecektir. Aynı kazanca sahip ancak daha yüksek çıkış iletkenliğine sahip bir transistörün kazanç düşüşü daha az olacaktır. İdeal seçenek, çıkış iletkenliğinin sonsuza eşit olduğu zamandır (veya çıkış direnci R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

Makalede beta katsayısı gibi önemli bir transistör parametresini analiz ettik. (β) . Ancak transistörde ilginç bir parametre daha var. Tek başına önemsizdir, ancak iş başarabilir! Bir sporcunun spor ayakkabısının içine giren bir çakıl taşı gibidir: küçük görünüyor ama koşarken rahatsızlık veriyor. Peki bu "çakıl taşını" transistörden engelleyen nedir? Hadi çözelim...

PN bağlantısının doğrudan ve ters bağlantısı

Hatırladığımız gibi bir transistör üç yarı iletkenden oluşur. üs-yayıcı adını verdiğimiz verici bağlantısı ve temel toplayıcı olan geçiş - toplayıcı geçişi

Bu durumda bir NPN transistörümüz olduğundan, bu, tabanı 0,6 Volt'tan daha fazla bir voltaj uygulayarak açmamız koşuluyla (yani transistörün açılması için) akımın kolektörden yayıcıya akacağı anlamına gelir. .

Varsayımsal olarak ince-ince bir bıçak alalım ve yayıcıyı PN bağlantısı boyunca keselim. Bunun gibi bir şey elde edeceğiz:

Durmak! Diyotumuz var mı? Evet, o en iyisidir! Akım-gerilim karakteristiği (CVC) makalesinde bir diyotun I-V karakteristiğini dikkate aldığımızı unutmayın:

CVC'nin sağ tarafında grafiğin dalının nasıl çok keskin bir şekilde yükseldiğini görüyoruz. Bu durumda diyota bu şekilde sabit bir voltaj uyguladık, yani diyotun doğrudan bağlantısı.

Diyot kendi içinden bir elektrik akımı geçirdi. Hatta sen ve ben diyotun doğrudan ve ters açılmasıyla ilgili deneyler bile yaptık. Kim hatırlamaz, okuyabilirsiniz.

Ama kutupları tersine çevirirseniz

o zaman diyot akımı geçmeyecektir. Bize her zaman bu şekilde öğretildi ve bunda bazı gerçekler var, ama ... dünyamız mükemmel değil).

PN bağlantısı nasıl çalışır? Bunu bir huni olarak temsil ettik. Yani bu çizim için

hunimiz akıntıya doğru ters çevrilecek

Suyun akış yönü elektrik akımının yönüdür. Huni diyottur. Peki huninin dar boynundan geçen su burada mı? Nasıl çağrılabilir? Ve ona denir ters akım PN bağlantısı (I arr).

Sizce suyun akış hızını da eklerseniz huninin dar boynundan geçecek su miktarı artar mı? Kesinlikle! Yani eğer voltajı eklersek varış sonra ters akım artacaktır varıyorum, siz ve ben bunu diyotun VAC grafiğinin sol tarafında görüyoruz:

Peki su akışı ne ölçüde arttırılabilir? Çok büyük olursa hunimiz dayanmaz, duvarlar çatlar ve paramparça olur, değil mi? Bu nedenle, her diyot için aşağıdaki gibi bir parametre bulabilirsiniz: U arr.max Bu değerin aşılması diyot için ölüme eşdeğerdir.

Örneğin, bir D226B diyot için:

U arr.max\u003d 500 Volt ve maksimum ters darbe Gel. göstr.maks= 600 volt. Ancak elektronik devrelerin dedikleri gibi “% 30 marjla” tasarlandığını unutmayın. Ve devrede diyot üzerindeki ters voltaj 490 volt olsa bile, devreye 600 volttan fazla dayanabilecek bir diyot yerleştirilecektir. Kritik değerlerle oynamamak daha iyidir). Darbe ters voltajı, 600 volta kadar bir genliğe ulaşabilen keskin bir voltaj patlamasıdır. Ancak burada da küçük bir farkla almak daha iyidir.

Peki ... ama diyot ve diyot hakkında neyim ... Transistörler üzerinde çalışıyor gibiyiz. Ancak ne derse desin, diyot, bir transistör oluşturmak için bir yapı taşıdır. Yani, kolektör bağlantısına ters voltaj uygularsak, diyotta olduğu gibi bağlantı noktasından ters bir akım akacak mı? Kesinlikle. Ve bu parametre transistörde çağrılır . Biz buna şöyle değiniyoruz ben KBO, burjuvalar arasında - ben CBO. anlamına gelir “kollektör ve taban arasındaki akım, açık emitörlü”. Kabaca söylemek gerekirse, yayıcı bacak hiçbir yere yapışmaz ve havada asılı kalır.

Kolektörün ters akımını ölçmek için bu kadar basit devreleri toplamak yeterlidir:

NPN transistörü için PNP transistörü için

Silikon transistörler için ters kolektör akımı 1 μA'dan azdır, germanyum transistörler için: 1-30 μA. Sadece 10 μA'dan ölçüm yaptığım ve elimde germanyum transistörleri olmadığı için cihazın çözünürlüğü izin vermediği için bu deneyi yapamayacağım.

Kolektör ters akımının neden bu kadar önemli olduğu ve referans kitaplarında verildiği sorusuna cevap vermedik. Mesele şu ki, çalışma sırasında transistör gücün bir kısmını uzaya dağıtıyor, bu da ısındığı anlamına geliyor. Ters kollektör akımı sıcaklığa çok bağlıdır ve her 10 santigrat derece için değerini ikiye katlar. Hayır, peki nedir bu? Bırakın büyüsün, kimseyi rahatsız etmiyor gibi görünüyor.

Ters kollektör akımının etkisi

Mesele şu ki, bazı anahtarlama devrelerinde bu akımın bir kısmı yayıcı bağlantı noktasından geçiyor. Ve sizin ve benim hatırladığımız gibi, temel akım yayıcı bağlantı noktasından akar. Kontrol akımı (temel akım) ne kadar büyük olursa, kontrol edilen (kollektör akımı) da o kadar büyük olur. Makalede tartıştığımız şey bu. Bu nedenle baz akımındaki en ufak bir değişiklik, kollektör akımında büyük bir değişime neden olur ve tüm devre arızalanmaya başlar.

Ters kollektör akımıyla nasıl baş edilir

Yani transistörün ana düşmanı sıcaklıktır. Radyo-elektronik ekipman (REA) geliştiricileri bununla nasıl başa çıkıyor?

- ters kolektör akımının çok küçük olduğu transistörleri kullanın. Bunlar elbette silikon transistörlerdir. Küçük bir ipucu - silikon transistörlerin işareti "KT" harfleriyle başlar, bu da şu anlama gelir: İLE kemer T saldırgan.

– kolektör ters akımını en aza indiren devrelerin kullanılması.

Kolektör ters akımı önemli bir transistör parametresidir. Her transistör için veri sayfasında verilmiştir. Aşırı sıcaklık koşullarında kullanılan devrelerde kollektör dönüş akımı çok büyük rol oynayacaktır. Bu nedenle, soğutucu ve fan kullanmayan bir devre kuruyorsanız, elbette minimum ters kolektör akımına sahip transistörleri almak daha iyidir.