kategorier: Utvalgte artikler » Praktisk elektronikk
Antall visninger: 411895
Kommentarer til artikkelen: 5
Bipolare transistor switching kretser
En transistor er en halvlederenhet som kan forsterke, konvertere og generere elektriske signaler. Den første operative bipolare transistoren ble oppfunnet i 1947. Materialet for produksjonen var germanium. Og allerede i 1956 ble en silisiumtransistor født.
En bipolar transistor bruker to typer ladningsbærere - elektroner og hull, og det er grunnen til at slike transistorer kalles bipolare. I tillegg til bipolar, er det unipolare (felt) transistorer der bare en type bærer brukes - elektroner eller hull. Denne artikkelen vil dekke bipolare transistorer.
Lang tid transistorer de var hovedsakelig germanium, og hadde en p-n-p-struktur, som ble forklart av evnene til datidens teknologier. Men parametrene til germanium-transistorer var ustabile, deres største ulempe er den lave driftstemperaturen - ikke mer enn 60..70 grader celsius. Ved høyere temperaturer ble transistorer ukontrollerbare og mislyktes da fullstendig.
Over tid begynte silisiumtransistorer å fortrenge germaniums kolleger. Foreløpig er de hovedsakelig silisium, og brukes, og dette er ikke overraskende. Tross alt er silisiumtransistorer og dioder (nesten alle typer) fortsatt i drift opptil 150 ... 170 grader. Silisiumtransistorer er også "utstoppingen" av alle integrerte kretsløp.
Transistorer regnes med rette som en av menneskets store oppdagelser. Etter å ha byttet ut de elektroniske lampene, erstattet de ikke bare dem, men gjorde en revolusjon innen elektronikk, overrasket og sjokkerte verden. Hvis det ikke var noen transistorer, ville mange moderne apparater og enheter, så velkjente og nære, ganske enkelt ikke blitt født: forestill deg for eksempel en mobiltelefon med elektroniske lamper! For mer informasjon om historien til transistorer her.
De fleste silisiumtransistorer har en n-p-n-struktur, noe som også forklares med produksjonsteknologien, selv om det er silisium-p-n-p-type transistorer, men de er litt mindre enn n-p-n-strukturene. Slike transistorer brukes som en del av komplementære par (transistorer med ulik konduktivitet med de samme elektriske parametrene). For eksempel KT315 og KT361, KT815 og KT814, og i utgangstrinnene til transistor UMZCH KT819 og KT818. I importerte forsterkere brukes ofte et kraftig komplementært par av 2SA1943 og 2SC5200.
Ofte kalles transistorer med en p-n-p struktur fremadgående konduktivitetstransistorer, og n-p-n strukturer er omvendte transistorer. Av en eller annen grunn finnes et slikt navn nesten aldri i litteraturen, men i kretsen av radioingeniører og radioentusiaster brukes det overalt, alle forstår umiddelbart hva som står på spill. Figur 1 viser en skjematisk struktur av transistorer og deres grafiske symboler.
Figur 1
I tillegg til forskjeller i ledningsevne og materiale, er bipolare transistorer klassifisert etter effekt og driftsfrekvens. Hvis spredningskraften på transistoren ikke overstiger 0,3 W, regnes en slik transistor som lav effekt. Med en effekt på 0,3 ... 3 W kalles transistoren en middels krafttransistor, og med en effekt på mer enn 3 W regnes kraften som stor. Moderne transistorer er i stand til å spre strøm på flere titalls eller til og med hundrevis av watt.
Transistorer forsterker elektriske signaler ikke like bra: når frekvensen øker, synker gevinsten på transistortrinnet, og stopper ved en viss frekvens. Derfor, for å operere i et bredt spekter av frekvenser, er transistorer tilgjengelige med forskjellige frekvensegenskaper.
I henhold til driftsfrekvensen er transistorer delt inn i lavfrekvente frekvenser, - driftsfrekvensen er ikke mer enn 3 MHz, midtfrekvensen - 3 ... 30 MHz, høyfrekvens - mer enn 30 MHz.Hvis driftsfrekvensen overstiger 300 MHz, er dette mikrobølgetransistorer.
Generelt er det i alvorlige tykke oppslagsverk mer enn 100 forskjellige parametere av transistorer, noe som også indikerer et stort antall modeller. Og antallet moderne transistorer er slik at de i sin helhet ikke lenger kan plasseres i noen katalog. Og lineupen vokser stadig, og lar oss løse nesten alle oppgavene som er satt av utviklerne.
Det er mange transistorkretser (husk bare antall husholdningsutstyr) for å forsterke og konvertere elektriske signaler, men med alt mangfoldet består disse kretsene av separate trinn, hvis basis er transistorer. For å oppnå nødvendig signalforsterkning er det nødvendig å bruke flere forsterkningsstadier, koblet i serie. For å forstå hvordan forsterkertrinnene fungerer, må du bli mer kjent med transistor-svitsjekretser.
Transistoren alene kan ikke forsterke noe. Forsterkningsegenskapene er at små endringer i inngangssignalet (strøm eller spenning) fører til betydelige endringer i spenning eller strøm ved utgangen av kaskaden på grunn av energiforbruket fra en ekstern kilde. Det er denne egenskapen som er mye brukt i analoge kretsløp - forsterkere, TV, radio, kommunikasjon, etc.
For å forenkle presentasjonen, vil vi vurdere kretsløp på transistorer av n-p-n-strukturen her. Alt som vil bli sagt om disse transistorene gjelder i likhet med p-n-p-transistorer. Bare endre polariteten til kraftkildene, elektrolytiske kondensatorer og dioderhvis noen, for å få en arbeidskrets.
Transistor svitsjekretser
Det er tre slike ordninger totalt: en krets med en felles emitter (OE), en krets med en felles oppsamler (OK), og en krets med en felles base (OB). Alle disse ordningene er vist i figur 2.
Figur 2
Men før du går videre til å vurdere disse kretsløpene, bør du bli kjent med hvordan transistoren fungerer i nøkkelmodus. Denne bekjentskapen skal lette forståelsen. transistor drift i forsterkningsmodus. I en viss forstand kan et nøkkelopplegg betraktes som en slags ordning med MA.
Transistordrift i nøkkelmodus
Før du studerer driften av en transistor i signalforsterkningsmodus, er det verdt å huske at transistorer ofte brukes i nøkkelmodus.
Denne driftsmåten til transistoren har vært vurdert i lang tid. I august 1959-utgaven av Radio magazine ble en artikkel av G. Lavrov “Semiconductor triode in key mode” publisert. Forfatteren av artikkelen antydet juster hastigheten på kollektormotoren endring i varigheten av pulsen i kontrollviklingen (OS). Nå kalles denne reguleringsmetoden PWM og brukes ganske ofte. Diagrammet fra datidens journal er vist i figur 3.
Figur 3
Men nøkkelmodus brukes ikke bare i PWM-systemer. Ofte slår en transistor bare noe av og på.
I dette tilfellet kan reléet brukes som en belastning: de ga et inngangssignal - reléet slått på, nei - relésignalet er slått av. I stedet for reléer i nøkkelmodus brukes ofte lyspærer. Vanligvis gjøres dette for å indikere: lyset er enten av eller på. Et diagram av et slikt nøkkeltrinn er vist i figur 4. Nøkkeltrinn brukes også for å jobbe med lysdioder eller optokopplinger.
Figur 4
På figuren styres kaskaden av en normal kontakt, selv om det kan være en digital brikke eller mikrokontroller. Denne lampen brukes til å belyse instrumentbordet i "Lada". Det skal bemerkes at 5V brukes til styring, og den pendlede kollektorspenningen er 12V.
Det er ikke noe rart i dette, siden spenninger ikke spiller noen rolle i denne kretsen, er det bare strømmer av betydning.Derfor kan pæren være minst 220V hvis transistoren er designet for å fungere ved slike spenninger. Spenningen til kollektorkilden må også tilsvare driftsspenningen til lasten. Ved hjelp av slike kaskader kobles belastningen til digitale mikrokretser eller mikrokontrollere.
I dette skjemaet styrer basestrømmen kollektorstrømmen, som på grunn av energiforsyningen er flere titalls eller til og med hundrevis av ganger (avhengig av kollektorbelastningen) enn basestrømmen. Det er lett å se at strømforsterkning skjer. Når transistoren opererer i nøkkelmodus, blir verdien som brukes i beregningen av kaskaden vanligvis referert til som "strømforsterkning i stor signalmodus" i referansebøkene, indikert med bokstaven β i referansebøkene. Dette er forholdet mellom kollektorstrømmen, bestemt av belastningen, til minst mulig basestrøm. I form av en matematisk formel ser det slik ut: β = Iк / Iб.
For de fleste moderne transistorer er koeffisienten β den er ganske stor, vanligvis fra 50 og høyere, derfor, når du beregner nøkkeltrinnet, kan det tas som bare 10. Selv om basestrømmen viser seg å være mer enn den beregnede strømmen, vil transistoren ikke åpne mer fra dette, så er det også en nøkkelmodus.
For å tenne pæren vist i figur 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, er dette minst. Med en styrespenning på 5 V ved basismotstanden RB minus spenningsfallet i BE-seksjonen, vil 5 V - 0,6 V = 4,4 V være igjen. Motstanden til basemotstanden er: 4,4V / 10mA = 440 Ohm. En motstand med en motstand på 430 ohm er valgt fra standardserien. En spenning på 0,6 V er spenningen ved B - E-krysset, og bør ikke glemmes når du beregner den!
For å sikre at transistorens base ikke forblir "hengende i luften" når kontrollkontakten åpnes, blir overgangen B - E vanligvis forskjøvet av motstanden Rbe, som pålitelig lukker transistoren. Denne motstanden bør ikke glemmes, selv om den av en eller annen grunn ikke er av en eller annen grunn, noe som kan føre til en falsk betjening av kaskaden fra interferens. Egentlig visste alle om denne motstanden, men av en eller annen grunn glemte de det og gikk igjen på "riven".
Verdien på denne motstanden må være slik at når kontakten åpnes, viser spenningen ved basen seg ikke å være mindre enn 0,6V, ellers vil kaskaden være ukontrollerbar, som om seksjon B - E ganske enkelt var kortsluttet. I praksis settes RBe-motstanden til en verdi av omtrent ti ganger mer enn RB. Men selv om Rb-verdien er 10K, vil kretsen fungere pålitelig nok: base- og emitterpotensialene vil være like, noe som vil føre til lukking av transistoren.
En slik nøkkelkaskade, hvis den fungerer, kan slå på lyspæren på full varme, eller slå den av helt. I dette tilfellet kan transistoren være helt åpen (metningstilstand) eller helt lukket (avstengningstilstand). Umiddelbart antyder selvfølgelig konklusjonen at mellom disse "grensene" -tilstandene er det noe slikt når pæren skinner fullstendig. Er transistoren i så fall halvåpen eller halv lukket? Det er som i problemet med å fylle glasset: optimisten ser glasset halvfullt, mens pessimisten anser det som tomt. Denne driftsmåten til transistoren kalles forsterkning eller lineær.
Transistordrift i signalforsterkningsmodus
Nesten alt moderne elektronisk utstyr består av mikrokretser der transistorer er "skjult". Bare velg driftsmodus for driftsforsterkeren for å oppnå ønsket forsterkning eller båndbredde. Men til tross for dette, blir kaskader ofte brukt på diskrete ("løse") transistorer, og derfor er en forståelse av driften av forsterkertrinnet ganske enkelt nødvendig.
Den vanligste inkluderingen av en transistor sammenlignet med OK og OB er en vanlig emitterkrets. Årsaken til denne utbredelsen er for det første en høy forsterkning i spenning og strøm.Den høyeste forsterkningen av OE-kaskaden oppnås når halve spenningen til strømforsyningen Epit / 2 synker ved samlerbelastningen. Følgelig faller andre halvdel på K-E-delen av transistoren. Dette oppnås ved å sette opp kaskaden, som vil bli beskrevet nedenfor. Denne forsterkningsmodusen kalles klasse A.
Når du slår på transistoren med OE, er utsignalet på samleren i motfase med inngangen. Som ulemper kan det bemerkes at inngangsimpedansen til OE er liten (ikke mer enn noen få hundre ohm), og utgangsimpedansen er i området på titalls KOhms.
Hvis transistoren i nøkkelmodus er preget av en strømforsterkning i stor signalmodus β, deretter i forsterkningsmodus blir "gjeldende forsterkning i det lille signalmodus" brukt, betegnet i h21e-referansebøkene. Denne betegnelsen kom fra representasjonen av en transistor i form av en fireterminal enhet. Bokstaven "e" indikerer at målingene ble foretatt da transistoren med en felles utsender ble slått på.
Koeffisienten h21e er som regel noe større enn β, selv om du i beregninger, som en første tilnærming, kan bruke den. Uansett er spredningen av parameterne β og h21e så stor selv for en type transistor at beregningene bare er omtrentlige. Etter slike beregninger kreves det som regel konfigurasjon av kretsen.
Gevinsten til transistoren avhenger av tykkelsen på basen, så du kan ikke endre den. Derav den store spredningen av gevinsten ved transistorer hentet til og med fra en boks (les en batch). For laveffekttransistorer varierer denne koeffisienten mellom 100 ... 1000, og for kraftige 5 ... 200. Jo tynnere basen er, desto høyere er forholdet.
Den enkleste innkoplingskretsen for en OE-transistor er vist i figur 5. Dette er bare et lite stykke fra figur 2, vist i den andre delen av artikkelen. En slik krets kalles en fast basestrømkrets.
Figur 5
Opplegget er usedvanlig enkelt. Inngangssignalet tilføres basisen til transistoren gjennom en isolasjonskondensator Cl, og blir forsterket, fjernet fra samleren til transistoren gjennom en kondensator C2. Formålet med kondensatorene er å beskytte inngangskretsene fra den konstante komponenten i inngangssignalet (bare husk karbon- eller elektretmikrofonen) og gi den nødvendige båndbredden til kaskaden.
Motstand R2 er samlerbelastningen til kaskaden, og R1 leverer en konstant skjevhet til basen. Ved å bruke denne motstanden prøver de å lage kollektorspenningen Epit / 2. Denne tilstanden kalles transistorens operasjonspunkt, i dette tilfellet er kaskadens gevinst maksimal.
Omtrent motstanden til motstanden R1 kan bestemmes ved den enkle formelen R1 ≈ R2 * h21e / 1.5 ... 1.8. Koeffisienten 1.5 ... 1.8 erstattes avhengig av forsyningsspenningen: ved lav spenning (ikke mer enn 9V) er koeffisientverdien ikke mer enn 1,5, og starter fra 50V, nærmer den seg 1.8 ... 2.0. Men formelen er faktisk så omtrentlig at motstanden R1 oftest må velges, ellers vil ikke den nødvendige verdien av Epit / 2 på samleren oppnås.
Samlermotstanden R2 er satt som en betingelse for problemet, siden kollektorstrømmen og forsterkningen av kaskaden som helhet avhenger av dens størrelse: jo større motstanden til motstanden R2 er, jo høyere er forsterkningen. Men du må være forsiktig med denne motstanden, kollektorstrømmen må være mindre enn det maksimalt tillatte for denne typen transistor.
Opplegget er veldig enkelt, men denne enkelheten gir den negative egenskaper, og du må betale for denne enkelheten. For det første avhenger forsterkningen av kaskaden av den spesifikke forekomsten av transistoren: den erstattet transistoren under reparasjon, - velg forskyvningen igjen, send den ut til operasjonspunktet.
For det andre, fra omgivelsestemperaturen, - med økende temperatur øker kollektorens reversstrøm Ico, noe som fører til en økning i kollektorstrømmen. Og hvor er da halvparten av forsyningsspenningen på Epit / 2-samleren, det samme operasjonspunktet? Som et resultat blir transistoren enda mer opp, hvoretter den svikter.For å bli kvitt denne avhengigheten, eller i det minste minimere den, blir ekstra elementer med negativ tilbakemelding - OOS - introdusert i transistorkaskaden.
Figur 6 viser en krets med en fast forspenning.
Figur 6
Det ser ut til at spenningsdeleren Rb-k, Rb-e vil gi den nødvendige første forskyvningen av kaskaden, men faktisk har en slik kaskade alle ulempene med en fast strømkrets. Dermed er kretsen vist bare en variasjon av den faste strømkretsen vist i figur 5.
Ordninger med termisk stabilisering
Situasjonen er noe bedre når det gjelder anvendelse av ordningene vist i figur 7.
Figur 7
I en kollektorstabilisert krets er forspenningsmotstanden R1 ikke koblet til strømkilden, men til transistoren. I dette tilfellet, hvis temperaturen øker, øker reversstrømmen, transistoren åpner seg sterkere, kollektorspenningen synker. Denne reduksjonen fører til en reduksjon i skjevspenningen som tilføres basen gjennom R1. Transistoren begynner å stenge, kollektorstrømmen synker til en akseptabel verdi, posisjonen til operasjonspunktet gjenopprettes.
Det er åpenbart at et slikt stabiliseringstiltak fører til en viss nedgang i forsterkningen av kaskaden, men dette betyr ikke noe. Den manglende forsterkningen blir vanligvis lagt til ved å øke antall forsterkningstrinn. Men et slikt miljøvernsystem kan utvide omfanget av driftstemperaturer til kaskaden betydelig.
Kretsløpet til kaskaden med emitterstabilisering er noe mer komplisert. Forsterkningsegenskapene til slike kaskader forblir uendret i et enda større temperaturområde enn i den kollektorstabiliserte kretsen. Og en annen ubestridelig fordel - når du bytter ut en transistor, trenger du ikke å velge driftsmodusene for kaskade på nytt.
Emittermotstanden R4, som gir temperaturstabilisering, reduserer også forsterkningen av kaskaden. Dette er for likestrøm. For å utelukke påvirkningen fra motstand R4 på forsterkningen av vekselstrøm, blir motstand R4 brokoblet av kondensator Ce, som er en ubetydelig motstand for vekselstrøm. Verdien bestemmes av frekvensområdet til forsterkeren. Hvis disse frekvensene ligger i lydområdet, kan kondensatorens kapasitet være fra enheter til titalls eller til og med hundrevis av mikrofarader. For radiofrekvenser er dette allerede hundredeler eller tusendeler, men i noen tilfeller fungerer kretsen bra selv uten denne kondensatoren.
For bedre å forstå hvordan emitterstabilisering fungerer, må du vurdere kretsen for å slå på en transistor med en felles OK-oppsamler.
Den vanlige kollektorkretsen (OK) er vist i figur 8. Denne kretsen er en skive av figur 2, fra den andre delen av artikkelen, der alle tre transistorkoblingskretser er vist.
Figur 8
Kaskaden lastes av emittermotstanden R2, inngangssignalet tilføres gjennom kondensatoren Cl, og utgangssignalet fjernes gjennom kondensatoren C2. Her kan du spørre, hvorfor kalles denne ordningen OK? Faktisk, hvis vi husker OE-kretsen, er det tydelig synlig der at senderen er koblet til en felles kretsledning, i forhold til hvilken inngangssignalet leveres og utgangssignalet tas.
I OK-kretsen er samleren ganske enkelt koblet til en strømkilde, og ved første øyekast ser det ut til at den ikke har noe med inngangs- og utgangssignalet å gjøre. Men faktisk har EMF-kilden (strømbatteriet) en veldig liten intern motstand, for et signal er det nesten ett punkt, en og samme kontakt.
Mer detaljert kan driften av OK-kretsen sees i figur 9.
Figur 9
Det er kjent at for silisiumtransistorer er spenningen til bi-e-overgangen i området 0,5 ... 0,7 V, så du kan ta den i gjennomsnitt 0,6 V, hvis du ikke setter deg som mål å utføre beregninger med en nøyaktighet på tidels prosent. Som det fremgår av figur 9, vil utgangsspenningen alltid være mindre enn inngangsspenningen med verdien av Ub-e, nemlig de samme 0,6V.I motsetning til OE-kretsen inverterer ikke denne kretsen inngangssignalet, den gjentar den ganske enkelt og reduserer den til og med 0,6V. Denne kretsen kalles også en emitterfølger. Hvorfor trengs et slikt opplegg, hva bruker det?
OK-kretsen forsterker gjeldende signal h21e ganger, som indikerer at inngangsmotstanden til kretsen er h21e ganger større enn motstanden i emitterkretsen. Med andre ord, uten frykt for å brenne transistoren, kan du påføre spenning direkte på basen (uten en begrensende motstand). Bare ta baspinnen og koble den til + U kraftbussen.
En høy inngangsimpedans lar deg koble til en inngangskilde med høy impedans (kompleks impedans), for eksempel en piezoelektrisk pickup. Hvis en slik pickup er koblet til kaskaden i henhold til OE-skjemaet, "lander" ganske enkelt pickup-signalet - "radioen vil ikke spille".
Et særtrekk ved OK-kretsen er at dets kollektorstrøm Ik bare avhenger av belastningsmotstanden og spenningen til inngangssignalkilden. Samtidig spiller ikke transistorens parametere noen rolle i det hele tatt. De sier om slike kretsløp at de er dekket av hundre prosent spenningstilbakemelding.
Som vist i figur 9, er strømmen i emitterbelastningen (det er emitterstrømmen) In = Ik + Ib. Når vi tar i betraktning at grunnstrømmen Ib er ubetydelig sammenlignet med kollektorstrømmen Ik, kan vi anta at laststrømmen er lik kollektorstrømmen IN = Iк. Strømmen i lasten vil være (Uin - Ube) / Rн. I dette tilfellet antar vi at Ube er kjent og alltid er lik 0,6V.
Det følger at samlerstrømmen Ik = (Uin - Ube) / Rn bare avhenger av inngangsspenningen og lastmotstanden. Lastmotstanden kan endres innenfor vide grenser, men det er ikke nødvendig å være spesielt nidkjær. Hvis vi i stedet for RN setter en spiker - en hundreledel, så kan ingen transistor tåle det!
OK-kretsen gjør det ganske enkelt å måle den statiske strømoverføringskoeffisienten h21e. Hvordan du gjør dette er vist i figur 10.
Figur 10
Mål først belastningsstrømmen som vist i figur 10a. I dette tilfellet trenger ikke transistorens base kobles noe sted, som vist på figuren. Etter det blir basestrømmen målt i samsvar med figur 10b. Målinger bør i begge tilfeller utføres i samme mengder: enten i ampère eller milliamperes. Strømforsyningsspenningen og belastningen skal forbli uendret i begge målinger. For å finne ut den statiske koeffisienten for strømoverføring, er det nok å dele belastningsstrømmen med basestrømmen: h21e ≈ In / IB.
Det skal bemerkes at med en økning i laststrømmen reduseres h21e litt, og med en økning i forsyningsspenningen øker den. Emitter-repeatere er ofte bygd på en push-pull-krets ved hjelp av komplementære par av transistorer, som gjør det mulig å øke enhetens utgangseffekt. En slik emitterfølger er vist i figur 11.
Figur 11
Figur 12.
Slå på transistorer i henhold til en ordning med en felles OB-base
En slik krets gir bare spenningsforsterkning, men har bedre frekvensegenskaper sammenlignet med OE-kretsen: de samme transistorer kan operere ved høyere frekvenser. Den viktigste bruken av OB-ordningen er UHF-antenneforsterkere. Et diagram av antenneforsterkeren er vist i figur 12.
Se også på elektrohomepro.com
: