Bipolare transistorer: kretsløp, modus, modellering

Transistoren dukket opp i 1948 (1947), takket være arbeidet med tre ingeniører og Shockley, Bradstein, Bardin. I disse dager var den raske utviklingen og populariseringen ennå ikke forventet. I Sovjetunionen i 1949 ble prototypen til transistoren presentert for den vitenskapelige verden av Krasilov-laboratoriet, det var en C1-C4-triode (germanium). Begrepet transistor dukket opp senere, på 50- eller 60-tallet.

Imidlertid fant de utbredt bruk på slutten av 60- og begynnelsen av 70-tallet, da bærbare radioer kom på moten. For øvrig har de lenge blitt kalt "transistoren". Dette navnet satt fast på grunn av at de erstattet elektroniske rør med halvlederelementer, noe som forårsaket en revolusjon innen radioteknikk.

Hva er en halvleder?

Transistorer er laget av halvledermaterialer, for eksempel silisium, germanium var tidligere populært, men nå er det sjelden funnet, på grunn av dets høye kostnader og dårligere parametere, når det gjelder temperatur og andre ting.

Halvledere er materialer som opptar et sted mellom ledere og dielektrikum i ledningsevne. Deres motstand er en million ganger større enn ledere, og hundrevis av millioner ganger mindre enn dielektrikk. I tillegg, for at strømmen skal strømme gjennom dem, er det nødvendig å påføre en spenning som overskrider båndgapet slik at ladebærerne går fra valensbåndet til ledningsbåndet.

Konduktørene i den forbudte sonen er ikke til stede som sådan. En ladningsbærer (elektron) kan bevege seg inn i ledningsbåndet ikke bare under påvirkning av ekstern spenning, men også fra varme - dette kalles termisk strøm. Strømmen forårsaket av bestråling av lysstrømmen til halvlederen kalles lysstrømmen. Fotoresistorer, fotodioder og andre lysfølsomme elementer fungerer etter dette prinsippet.

For sammenligning, se på de i dielektriske komponenter og ledere:

Ganske opplagt. Diagrammene viser at dielektrikum fremdeles kan lede strøm, men dette skjer etter å ha overvunnet den forbudte sonen. I praksis kalles dette dielektrisk nedbrytningsspenning.

Forskjellen mellom germanium og silisiumstrukturer er altså at for germanium er båndgapet i størrelsesorden 0,3 eV (elektron volt), og silisium er mer enn 0,6 eV. På den ene siden forårsaker dette flere tap, men bruken av silisium skyldes teknologiske og økonomiske faktorer.

Som et resultat av doping mottar en halvleder ekstra ladningsbærere positive (hull) eller negative (elektroner), dette kalles en p- eller n-type halvleder. Du har kanskje hørt uttrykket "pn-kryss." Så dette er grensen mellom halvledere av forskjellige typer. Som et resultat av bevegelse av ladninger, dannelse av ioniserte partikler av hver type urenhet til hoved halvleder, en potensiell barriere dannes, den tillater ikke strømmen å strømme i begge retninger, mer om dette er beskrevet i boken "Transistoren er enkel.".

Innføringen av tilleggsladere (doping av halvledere) gjorde det mulig å lage halvlederenheter: dioder, transistorer, tyristorer osv. Det enkleste eksemplet er en diode, som vi undersøkte i forrige artikkel.

Hvis du bruker en spenning i en forspenning, dvs. Jeg vil flyte positivt til p-regionen, og en negativ strøm vil strømme til n-regionen, og hvis det motsatte er sant, vil ikke strømmen flyte. Fakta er at med direkte skjevhet er hovedladningsbærerne i p-regionen (hullet) positive, og avviser det positive potensialet til kraftkilden, har en tendens til regionen med et mer negativt potensiale.

Samtidig avviser negative bærere av n-regionen fra den negative polen til kraftkilden. Begge transportører har en tendens til grensesnittet (pn-krysset).Overgangen blir smalere, og transportørene overvinner den potensielle barrieren og beveger seg i områder med motsatte ladninger, der de rekombinerer med dem ...

Hvis det brukes en omvendt skjevspenning, beveger de positive bærere av p-regionen seg mot den negative elektroden til kraftkilden, og elektronene fra n-regionen beveger seg mot den positive elektroden. Overgangen utvides, strømmen flyter ikke.

Hvis du ikke går inn på detaljer, er dette nok til å forstå prosessene som foregår i en halvleder.

Betinget grafisk betegnelse av transistoren

I Russland blir en slik transistorbetegnelse vedtatt som du ser på bildet under. Samleren er uten pil, senderen er med en pil, og basen er vinkelrett på linjen mellom senderen og samleren. Pilen på senderen indikerer strømningsretningen (fra pluss til minus). For NPN-strukturen blir emitterpilen rettet fra basen, og for PNP-en, er den rettet til basen.

Dessuten finnes den samme betegnelsen ofte i ordninger, men uten en sirkel. Standardbokstavbetegnelsen er “VT” og tallet i rekkefølge på diagrammet, noen ganger skriver de ganske enkelt “T”.

 

Bilde av transistorer uten en sirkel

Hva er en transistor?

En transistor er en aktiv halvlederenhet designet for å forsterke et signal og generere svingninger. Han skiftet ut vakuumrørene - trioder. Transistorer har vanligvis tre ben - en samler, emitter og base. Basen er kontrollelektroden, som leverer strøm til den, vi kontrollerer kollektorstrømmen. Dermed regulerer vi ved hjelp av en liten basestrøm store strømmer i strømkretsen, og signalet forsterkes.

Bipolare transistorer er direkte fremover (PNP) og revers konduktivitet (NPN). Strukturen deres er avbildet nedenfor. Vanligvis opptar basen et mindre volum av halvlederkrystallen.

kjennetegn

De viktigste egenskapene til bipolare transistorer:

• Ic - maksimal kollektorstrøm (kan ikke være høyere - den vil brenne);

• Ucemax - maksimal spenning som kan påføres mellom samleren og emitteren (det er umulig å over - det vil gå i stykker);

• Ucesat er metningsspenningen til transistoren. Spenningsfall i metningsmodus (jo mindre, jo mindre tap i åpen tilstand og oppvarming);

• Β eller H21E - forsterkning av transistoren, lik Ik / Ib. Avhenger av transistormodellen. For eksempel, med en forsterkning på 100, ved en strøm gjennom basen på 1 mA, vil en strøm på 100 mA strømme gjennom samleren, etc.

Det er verdt å si om transistorstrømmene, det er tre av dem:

1. Basestrømmen.

2. Samlestrøm.

3. Sendestrøm - inneholder basestrøm og emitterstrøm.

Oftest synker emitterstrømmen fordi den skiller seg nesten ikke fra kollektorstrømmen i størrelsesorden. Den eneste forskjellen er at kollektorstrømmen er mindre enn emitterstrømmen etter verdien av basestrømmen, og siden transistorer har en høy forsterkning (si 100), så vil en strøm på 1A gjennom senderen 10mA strømme gjennom basen og 990mA gjennom samleren. Enig, dette er en liten nok forskjell til å bruke tid på det når du studerer elektronikk. Derfor, i egenskapene og indikert Icmax.

Driftsmodus

Transistoren kan fungere i forskjellige modus:

1. Metningsmodus. Med enkle ord er dette modus der transistoren er i den maksimale åpne tilstanden (begge overgangene er partiske i retning fremover).

2. Avskjæringsmodus er når strømmen ikke strømmer og transistoren er lukket (begge overgangene er partiske i motsatt retning).

3. Aktiv modus (samlerbase er partisk i motsatt retning, og emitterbase er partisk i fremre retning).

4. Inverse aktiv modus (samlerbase er partisk i retning fremover, og emitterbase er partisk i motsatt retning), men den brukes sjelden.

Typiske transistor switching kretser

Det er tre typiske transistorbrytere-kretser:

1. Den generelle basen.

2. Generell emitter.

3. Den vanlige samleren.

Inngangskretsen anses å være emitterbasen, og utgangskretsen er kollektor-emitteren. Mens inngangsstrømmen er henholdsvis basisstrømmen, og utgangen er henholdsvis samlestrømmen.

Avhengig av koblingskretsen forsterker vi strømmen eller spenningen.I lærebøker er det vanlig å vurdere nettopp slike inkluderingsordninger, men i praksis ser de ikke så opplagte ut.

Det er verdt å merke seg at når vi slår på kretsen med en felles oppsamler, forsterker vi strømmen og får i-fase (det samme som inngangen i polaritet) spenning ved inngangen og utgangen, og i kretsen med en felles sender sender vi spenningen og invers spenningsforsterkning (utgangen er invertert i forhold til input). På slutten av artikkelen vil vi simulere slike kretsløp og tydelig se dette.

Transistor nøkkel modellering

Den første modellen vi vil se på er nøkkel modus transistor. For å gjøre dette, må du bygge en krets som på figuren nedenfor. Anta at vi vil inkludere en belastning med en strøm på 0,1A, og dens rolle vil bli spilt av motstanden R3 installert i kollektorkretsen.

Som et resultat av eksperimenter fant jeg ut at h21E for den valgte transistormodellen er forresten omtrent 20, i databladet på MJE13007 står det fra 8 til 40.

Basestrøm skal være rundt 5mA. Deleren beregnes slik at basestrømmen har en minimal effekt på skillestrømmen. Slik at den spesifiserte spenningen ikke flyter når transistoren er slått på. Derfor satte den nåværende skillelinjen 100mA.

Rbrosch = (12V - 0.6v) /0.005= 2280 Ohm

Dette er en beregnet verdi, strømningene som et resultat av dette kom ut som følger:

Med en basisstrøm på 5mA var strømmen i belastningen omtrent 100 mA, spenningen synker til 0,27 V. ved transistoren. Beregningene er riktige.

Hva fikk vi?

Vi kan kontrollere en last hvis strøm er 20 ganger kontrollstrømmen. For ytterligere å forsterke, kan du duplisere kaskaden, redusere kontrollstrømmen. Eller bruk en annen transistor.

Samlerstrømmen ble begrenset av belastningsmotstanden, for eksperimentet bestemte jeg meg for å gjøre belastningsmotstanden 0 Ohm, deretter blir strømmen gjennom transistoren innstilt av grunnstrømmen og forsterkningen. Som et resultat avviker strømningene praktisk talt ikke, som du kan se.

For å spore effekten av typen transistor og dens forsterkning på strømmer erstatter vi den uten å endre kretsparametrene.

Etter å ha byttet ut transistoren fra MJE13007 til MJE18006 fortsatte kretsen å virke, men 0,14 V faller på transistoren, noe som betyr at ved samme strøm vil denne transistoren varme opp mindre, fordi vil skille seg ut i varmen

Potte = 0,14V * 0,1A = 0,014W,

Og i forrige tilfelle:

Potprevious = 0,27V * 0,1A = 0,027W

Forskjellen er nesten todelt, hvis den ikke er så betydelig ved tiendedeler watt, tenk deg hva som vil skje ved strømmer på titalls ampere, da vil tapskraften øke 100 ganger. Dette fører til at tastene overopphetes og feiler.

Varmen som frigjøres under oppvarmingen sprer seg gjennom enheten og kan forårsake problemer i drift av nabokomponenter. For dette er alle kraftelementer installert på radiatorer, og noen ganger brukes aktive kjølesystemer (kjøler, væske, etc.).

I tillegg, med økende temperatur, øker konduktiviteten til halvlederen, og det samme gjør strømmen som strømmer gjennom dem, noe som igjen forårsaker en økning i temperaturen. Den skredlignende prosessen med å øke strøm og temperatur vil til slutt drepe nøkkelen.

Konklusjonen er denne: Jo mindre spenningsfallet over transistoren i åpen tilstand, desto mindre er oppvarmingen og desto høyere er effektiviteten for hele kretsen.

Spenningsfallet på nøkkelen har blitt mindre på grunn av det faktum at vi satte en kraftigere nøkkel, med høyere forsterkning, for å sikre oss dette, fjerner vi belastningen fra kretsen. For å gjøre dette, satte jeg igjen R3 = 0 Ohms. Samlerstrømmen ble 219mA, på MJE13003 i samme krets var den omtrent 130 mA, noe som betyr at H21E i modellen til denne transistoren er dobbelt så stor.

Det er verdt å merke seg at gevinsten til en modell, avhengig av en spesifikk instans, kan variere med titalls eller hundrevis av ganger. Dette krever innstilling og justering av analoge kretsløp. I dette programmet brukes faste koeffisienter i transistormodeller, jeg kjenner logikken etter deres valg. På MJE18006 i databladet er det maksimale H21E-forholdet 36.

AC forsterker simulering

Den gitte modellen viser atferden til nøkkelen hvis et vekslende signal og en enkel krets for inkludering i kretsen blir påført den. Det ligner en musikalsk kraftforsterkerkrets.

Vanligvis bruker de flere slike seriekoblede kaskader. Antall og skjemaer for kaskader, deres strømkretser avhenger av klassen forsterkeren fungerer i (A, B, etc.). Jeg vil simulere den enkleste klasse A-forsterkeren, som fungerer i lineær modus, samt ta bølgeformer av inngangs- og utgangsspenning.

Motstand R1 angir transistorens operasjonspunkt. I lærebøkene skriver de at du trenger å finne et slikt punkt på et rett segment av transistors CVC. Hvis forspenningen er for lav, vil den nedre halvbølgen av signalet bli forvrengt.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Kondensatorer er nødvendig for å skille den variable komponenten fra konstanten. Motstand R2 er installert for å stille inn driftsmodus for tasten og stille driftsstrømmer. La oss se på bølgeformene. Vi gir et signal med en amplitude på 10 mV og en frekvens på 10.000 Hz. Utgangsamplitude er nesten 2V.

Magenta indikerer utgangsbølgeformen, rød indikerer inngangsbølgeformen.

Vær oppmerksom på at signalet er omvendt, dvs. Utgangssignalet blir invertert i forhold til inngangen. Dette er en funksjon i en vanlig emitterkrets. I følge ordningen fjernes signalet fra samleren. Derfor når spenningen åpnes (når inngangssignalet stiger), vil spenningen over den synke. Når inngangssignalet synker, begynner transistoren å stenge og spenningen begynner å stige.

Denne ordningen anses for å være den høyeste kvaliteten når det gjelder signaloverføringskvalitet, men du må betale for den med tapskraften. Faktum er at transistoren alltid er åpen i en tilstand der det ikke sendes inn noe signal og leder strøm. Så frigjøres varme:

Potten = (UKE) / Ik

UKE er en dråpe på en transistor i mangel av et inngangssignal.

Dette er den enkleste forsterkerkretsen, mens alle andre kretser fungerer på denne måten, er bare tilkoblingen til elementene og deres kombinasjon forskjellig. For eksempel består en klasse B-transistorforsterker av to transistorer, som hver fungerer for sin egen halvbølge.

Her brukes transistorer av forskjellige konduktiviteter:

• VT1 er NPN;

• VT2 - PNP.

Den positive delen av det variable inngangssignalet åpner den øvre transistoren, og den negative - den nedre.

Denne ordningen gir større effektivitet på grunn av at transistorene åpnes og lukkes helt. På grunn av det faktum at når signalet er fraværende - begge transistorer er lukket, forbruker ikke kretsen strøm, så det er ingen tap.

konklusjon

Å forstå driften av transistoren er veldig viktig hvis du skal gjøre elektronikk. På dette området er det viktig ikke bare å lære å sette sammen ordninger, men også å analysere dem. For en systematisk studie og forståelse av enheter, må du forstå hvor og hvordan strømmer vil flyte. Dette vil hjelpe både i monteringen og i justering og reparasjon av kretser.

Det er verdt å merke seg at jeg med vilje utelot mange av nyansene og faktorene for ikke å overbelaste artikkelen. Samtidig, etter beregningene, er det fortsatt plukke opp motstander. I modellering er dette enkelt å gjøre. Men i praksis måle strømmer og spenninger med en multimeter, og ideelt behov oscilloskopfor å sjekke om inngangs- og utgangsbølgeformene stemmer overens, ellers vil du ha forvrengning.