Transistors bipolars: circuits, modes, modelatge

El transistor va aparèixer el 1948 (1947), gràcies al treball de tres enginyers i Shockley, Bradstein, Bardin. En aquells dies, el seu ràpid desenvolupament i divulgació encara no es preveia. A la Unió Soviètica, el 1949, el laboratori Krasilov va presentar al món científic el prototip del transistor, que era un triode C1-C4 (germani). El terme transistor va aparèixer més tard, als anys 50 o 60.

Tot i això, van trobar un ús generalitzat a finals dels anys 60, principis dels 70, quan es van posar de moda les ràdios portàtils. Per cert, fa temps que se’ls anomena “transistor”. Aquest nom va quedar atrapat a causa del fet que van substituir els tubs electrònics per elements de semiconductor, cosa que va provocar una revolució en l'enginyeria de la ràdio.

Què és un semiconductor?

Els transistors estan fabricats amb materials semiconductors, per exemple, a partir del silici, el germani abans era popular, però ara rarament es troba, a causa del seu cost elevat i els pitjors paràmetres, quant a la temperatura i altres coses.

Els semiconductors són materials que ocupen un lloc entre els conductors i els dielèctrics en la conductivitat. La seva resistència és un milió de vegades més gran que els conductors i centenars de milions de vegades menys que els dielèctrics. A més, per tal que el corrent comenci a fluir a través d'ells, és necessari aplicar una tensió superior a la bretxa de la banda perquè els portadors de càrrega es desplacin de la banda de valència a la banda de conducció.

Els conductors de la zona prohibida no hi són presents. Un portador de càrrega (electró) es pot moure a la banda de conducció no només sota la influència de la tensió externa, sinó també de la calor, això s’anomena corrent tèrmic. El corrent causat per la irradiació del flux de llum del semiconductor s’anomena fotocurrent. Fotoresistors, fotodiodes i altres elements fotosensibles treballen sobre aquest principi.

Per a comparació, mireu-ne els de la dielèctrica i els conductors:

Bastant evident. Els gràfics mostren que la dielèctrica encara pot conduir en corrent, però això passa després de superar la zona prohibida. A la pràctica, això es diu tensió d'avaria dielèctrica.

Així doncs, la diferència entre estructures de germani i silici és que per al germen, la bretxa de banda és de l’ordre de 0,3 eV (electrons volts), i la del silici és superior a 0,6 eV. D’una banda, això provoca més pèrdues, però l’ús del silici es deu a factors tecnològics i econòmics.

Com a resultat del dopatge, un semiconductor rep portadors de càrrega addicionals positius (forats) o negatius (electrons), això s’anomena semiconductor de tipus p o n. Potser heu escoltat la frase "pn junction". Per tant, aquest és el límit entre els semiconductors de diferents tipus. Com a resultat del moviment de càrregues, la formació de partícules ionitzades de cada tipus d’impuresa cap al semiconductor principal, es forma una barrera potencial, no permet que el corrent flueixi en les dues direccions, més sobre això es descriu al llibre. "El transistor és fàcil.".

La introducció de portadors de càrrega addicionals (dopatge de semiconductors) va permetre la creació de dispositius semiconductors: díodes, transistors, tiristors, etc. L’exemple més senzill és un díode, el funcionament del qual vam examinar. a l’article anterior.

Si apliqueu un voltatge en un biaix endavant, és a dir. Flotaré positivament cap a la regió p i el corrent negatiu fluirà a la regió n, i viceversa, la corrent no fluirà. El fet és que, amb el biaix directe, els principals portadors de càrrega de la regió p (forat) són positius i es repel·len del potencial positiu de la font d’energia, tendeixen a la regió amb un potencial més negatiu.

Al mateix temps, els operadors negatius de la regió n es rebutgen del pol negatiu de la font d'energia. Tots dos d'aquests operadors tendeixen a la interfície (unió pn).La transició es fa més estreta i els transportistes superen la barrera potencial, movent-se en zones amb càrregues oposades, on es recombinen amb elles ...

Si s'aplica un voltatge de biaix invers, els portadors positius de la regió p es desplacen cap a l'elèctrode negatiu de la font d'energia i els electrons de la regió n es desplacen cap a l'elèctrode positiu. La transició s’expandeix, el corrent no flueix.

Si no s’entra en detalls, això és suficient per comprendre els processos que tenen lloc en un semiconductor.

Designació gràfica condicional del transistor

A la Federació Russa, aquesta designació de transistor s’adopta com es veu a la imatge següent. El col·lector està sense fletxa, l'emissor es troba amb una fletxa i la base és perpendicular a la línia entre l'emissor i el col·lector. La fletxa de l'emissor indica la direcció del flux de corrent (de més a menys). Per a l'estructura NPN, la fletxa emissora es dirigeix ​​des de la base i, per a la PNP, es dirigeix ​​a la base.

A més, la mateixa designació es troba sovint en esquemes, però sense cercle. La designació de lletres estàndard és “VT” i el número ordenat al diagrama, de vegades simplement escriuen “T”.

 

Imatge de transistors sense cercle

Què és un transistor?

Un transistor és un dispositiu de semiconductor actiu dissenyat per amplificar un senyal i generar oscil·lacions. Va substituir els tubs de buit - triodes. Els transistors solen tenir tres potes: un col·lector, un emissor i una base. La base és l'elèctrode de control, que li subministra corrent, controlem el corrent del col·lector. Així, amb l’ajut d’un petit corrent base, regulem grans corrents al circuit d’alimentació i el senyal s’amplifica.

Els transistors bipolars són de captació directa (PNP) i de conductivitat inversa (NPN). La seva estructura es mostra a continuació. Típicament, la base ocupa un volum més reduït de cristall de semiconductor.

Característiques

Les principals característiques dels transistors bipolars:

• Ic: corrent màxim del col·leccionista (no pot ser més alt: es cremarà);

• Ucemax: tensió màxima que es pot aplicar entre el col·lector i l'emissor (és impossible de sobre - es trencarà);

• L’Ucesat és la tensió de saturació del transistor. Baixada de tensió en el mode de saturació (menor, menys pèrdues en estat obert i calefacció);

• Β o H21E: guany del transistor, igual a Ik / Ib. Depèn del model del transistor. Per exemple, en un guany de 100, en un corrent per la base d’1 mA, un corrent de 100 mA fluirà pel col·lector, etc.

Val la pena dir sobre els corrents de transistor, tres d’ells:

1. El corrent base.

2. Corrent col·leccionista.

3. Corrent d'emissor: conté el corrent base i el corrent d'emissor.

Molt sovint, el corrent emissor baixa perquè gairebé no difereix de la magnitud del corrent col·lector. L’única diferència és que el corrent del col·lector és inferior al corrent emissor pel valor del corrent base, i des de Els transistors tenen un gran guany (diguem-ne 100), i a un corrent d’1A a través de l’emissor, 10mA fluiran per la base i 990mA a través del col·lector. D’acord, aquesta és una diferència prou petita per dedicar-hi temps a l’hora d’estudiar electrònica. Per tant, en les característiques i Icmax indicades.

Modes de funcionament

El transistor pot funcionar en diferents modes:

1. Mode de saturació. En paraules simples, aquest és el mode en què el transistor està en màxim estat obert (ambdues transicions estan esbiaixades en direcció endavant).

2. El mode de tall és quan la corrent no flueix i el transistor es tanca (ambdues transicions estan esbiaixades en sentit contrari).

3. Mode actiu (el col·lector-base està esbiaixat en el sentit contrari i l'emissor-base està esbiaixat en sentit endavant).

4. Mode actiu invers (el col·leccionista-base està esbiaixat en direcció endavant i l'emissor-base està esbiaixat en sentit contrari), però poques vegades s'utilitza.

Circuits típics de commutació de transistors

Hi ha tres circuits de commutació transistors típics:

1. La base general.

2. Emissor general.

3. El col·leccionista comú.

El circuit d’entrada es considera que és la base d’emissor i el circuit de sortida és el col·lector-emissor. Mentre que el corrent d’entrada és el corrent base, i la sortida és el corrent col·lector, respectivament.

Segons el circuit de commutació, amplifiquem el corrent o la tensió.Als llibres de text, és habitual tenir en compte només aquests esquemes d’inclusió, però a la pràctica no semblen tan evidents.

Val la pena assenyalar que quan estem connectats a un circuit amb un col·lector comú, amplifiquem el corrent i obtenim la fase en fase (la mateixa que l’entrada en polaritat) a l’entrada i la sortida, i al circuit amb un emissor comú, obtenim el voltatge i el guany de tensió inversa (la sortida s’inverteix respecte a entrada). Al final de l’article, simularem aquests circuits i ho veurem clarament.

Modelització de claus de transistor

El primer model que veurem és transistor en mode clau. Per fer-ho, heu de crear un circuit com a la figura següent. Suposem que inclourem una càrrega amb un corrent de 0,1A, el seu paper el jugarà la resistència R3 instal·lada al circuit de col·lectors.

Com a resultat d’experiments, vaig trobar que el h21E del model de transistor seleccionat és d’uns 20, per cert, a la fitxa de dades del MJE13007 es diu del 8 al 40.

El corrent base hauria d’estar al voltant de 5mA. El divisor es calcula de manera que el corrent base tingui un efecte mínim sobre el corrent divisori. De manera que la tensió especificada no flota quan el transistor està engegat. Per tant, el divisor actual estableix 100mA.

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

Aquest és un valor calculat, els corrents com a resultat d'aquesta són:

Amb un corrent base de 5mA, el corrent de la càrrega era d’uns 100mA, la tensió cau a 0.27V al transistor. Els càlculs són correctes.

Què vam aconseguir?

Podem controlar una càrrega la corrent de la qual sigui 20 vegades la corrent de control. Per amplificar encara més, podeu duplicar la cascada, reduint el corrent de control. O utilitzeu un altre transistor.

El corrent del col·lector estava limitat per la resistència de càrrega, i per l'experiment vaig decidir fer la resistència de càrrega 0 Ohm, i el corrent a través del transistor es fixa en funció del corrent de base i el guany. Com a resultat, els corrents pràcticament no difereixen, com podeu veure.

Per rastrejar l’efecte del tipus de transistor i el seu guany sobre corrents, el substituïm sense canviar els paràmetres del circuit.

Després de substituir el transistor de MJE13007 a MJE18006, el circuit va continuar funcionant, però 0,14 V cau sobre el transistor, cosa que significa que al mateix corrent aquest escalfador es escalfarà menys, perquè destacarà en calor

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

I en el cas anterior:

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

La diferència és gairebé doble, si no és tan significativa a dècimes de vatius, imagineu què passarà en corrents de desenes d’amperis, aleshores el poder de les pèrdues augmentarà 100 vegades. Això condueix al fet que les tecles es sobreescalfen i fallen.

La calor que s’allibera durant la calefacció es propaga per l’aparell i pot causar problemes en el funcionament dels components veïns. Per això, tots els elements d’alimentació s’instal·len en radiadors i, de vegades, s’utilitzen sistemes de refrigeració actius (refrigerador, líquid, etc.).

A més, amb l'augment de la temperatura, la conductivitat del semiconductor augmenta, igual que el corrent que flueix a través d'ells, la qual cosa torna a provocar un augment de la temperatura. El procés similar a l’allau d’augment del corrent i la temperatura acabarà matant la clau.

La conclusió és la següent: Com més petita sigui la caiguda de tensió a través del transistor en estat obert, menys calor s’escalfa i més gran serà l’eficiència de tot el circuit.

La caiguda de tensió a la clau es va fer menor degut al fet que posem una clau més potent, amb un guany més gran, per assegurar-nos, eliminem la càrrega del circuit. Per fer-ho, he tornat a configurar R3 = 0 ohms. El corrent del col·lector es va convertir en 219mA, al MJE13003 del mateix circuit tenia uns 130mA, cosa que significa que el H21E del model d’aquest transistor és el doble de gran.

Val la pena assenyalar que el guany d’un model, en funció d’una determinada instància, pot variar desenes o centenars de vegades. Això requereix l'ajust i l'ajust de circuits analògics. En aquest programa s’utilitzen coeficients fixos en models de transistors, conec la lògica de la seva elecció. Al MJE18006 del full de dades, la proporció màxima de H21E és de 36.

Simulació d’amplificador de CA

El model donat mostra el comportament de la clau si se li aplica un senyal altern i un circuit senzill per a la seva inclusió en el circuit. S’assembla a un circuit amplificador de potència musical.

Normalment utilitzen diverses cascades connectades en sèrie. El nombre i els esquemes de cascades, els seus circuits de potència depenen de la classe en què opera l'amplificador (A, B, etc.). Simularé l’amplificador de classe A més senzill, que funciona en mode lineal, a més de prendre formes d’ona de la tensió d’entrada i sortida.

La resistència R1 estableix el punt de funcionament del transistor. Als llibres de text escriuen que cal trobar aquest punt en un segment recte del CVC del transistor. Si la tensió de biaix és massa baixa, la meitat d'ona inferior del senyal es distorsionarà.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Els condensadors són necessaris per separar el component variable de la constant. Les resistències R2 s’instal·len per tal de configurar el mode de funcionament de la clau i configurar els corrents de funcionament. Mirem les formes d’ona. Donem un senyal amb una amplitud de 10mV i una freqüència de 10.000 Hz. L’amplitud de sortida és de gairebé 2V.

Magenta indica la forma d'ona de sortida, el vermell indica la forma d'ona d'entrada.

Tingueu en compte que el senyal està invertit, és a dir. el senyal de sortida s'inverteix en relació amb l'entrada. Aquesta és una característica d’un circuit emissor comú. Segons l’esquema, el senyal s’elimina del col·lector. Per tant, quan s’obre el transistor (quan s’aixeca el senyal d’entrada), la tensió a l’interior caurà. Quan el senyal d’entrada baixa, el transistor comença a tancar-se i la tensió comença a pujar.

Es considera que aquest esquema és la més alta qualitat pel que fa a la qualitat de transmissió del senyal, però heu de pagar per això amb la pèrdua. El fet és que en un estat en què no s'introdueix cap senyal, el transistor sempre està obert i condueix el corrent. A continuació, s’allibera calor:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE és una caiguda en un transistor en absència d'un senyal d'entrada.

Es tracta del circuit d’amplificadors més senzill, mentre que qualsevol altre circuit funciona d’una manera similar, només la connexió dels elements i la seva combinació és diferent. Per exemple, un amplificador de transistors de classe B està format per dos transistors, cadascun dels quals funciona per a la seva mitja ona.

Aquí s’utilitzen transistors de diferents conductivitats:

• VT1 és NPN;

• VT2 - PNP.

La part positiva del senyal d’entrada variable obre el transistor superior, i la negativa - la inferior.

Aquest esquema proporciona una major eficiència degut al fet que els transistors s’obren i es tanquen completament. Degut al fet que quan el senyal no hi ha: els dos transistors estan tancats, el circuit no consumeix corrent, per tant, no hi ha pèrdues.

Conclusió

Comprendre el funcionament del transistor és molt important si voleu fer electrònica. En aquest àmbit, és important no només aprendre a muntar esquemes, sinó també analitzar-los. Per a un estudi i comprensió sistemàtica dels dispositius, heu d’entendre on i com fluiran els corrents. Això ajudarà tant en el muntatge com en l’ajust i reparació de circuits.

Val la pena assenyalar que vaig ometre intencionadament molts dels matisos i factors per no sobrecarregar l'article. Al mateix temps, després dels càlculs, continua agafar resistències. En el modelatge, això és fàcil de fer. Però a la pràctica mesura corrents i tensions amb un multímetre, i necessiten idealment osciloscopiper comprovar si les formes d’ona d’entrada i sortida coincideixen, en cas contrari tindreu distorsió.