Categories: Articles destacats » Electrònica pràctica
Nombre de visualitzacions: 411895
Comentaris sobre l'article: 5
Circuits de commutació de transistors bipolars
Un transistor és un dispositiu de semiconductor que pot amplificar, convertir i generar senyals elèctrics. El primer transistor bipolar operatiu es va inventar el 1947. El material per a la seva fabricació va ser el germani. I ja el 1956, va néixer un transistor de silici.
Un transistor bipolar utilitza dos tipus de portadors de càrrega: electrons i forats, raó per la qual aquests transistors s’anomenen bipolars. A més dels bipolars, hi ha transistors unipolars (de camp) en els quals només s’utilitza un tipus de portador: electrons o forats. Aquest article tractarà transistors bipolars.
Molt de temps transistors eren principalment germani, i tenien una estructura p-n-p, que s’explicava per les capacitats de les tecnologies d’aquella època. Però els paràmetres dels transistors de germani eren inestables, el seu major inconvenient és la baixa temperatura de funcionament, no superior als 60..70 graus centígrads. A temperatures més altes, els transistors es van convertir en incontrolables, i després van fallar completament.
Amb el pas del temps, els transistors de silici van començar a desplaçar contrapartides de germani. Actualment, principalment són silici i s’utilitzen, i això no sorprèn. Al cap i a la fi, els transistors i díodes de silici (gairebé tot tipus) queden operatius fins a 150 ... 170 graus. Els transistors de silici també són el "farcit" de tots els circuits integrats.
Els transistors són considerats amb raó un dels grans descobriments de la humanitat. Després d’haver substituït les làmpades electròniques, no només les van substituir, sinó que van fer una revolució en l’electrònica, van sorprendre i commocionar el món. Si no hi haguessin transistors, llavors molts aparells i dispositius moderns, tan familiars i propers, simplement no haurien nascut: imagineu-vos, per exemple, un telèfon mòbil amb làmpades electròniques! Per obtenir més informació sobre la història dels transistors, vegeu aquí.
La majoria de transistors de silici tenen una estructura n-p-n, que també s’explica per la tecnologia de producció, tot i que hi ha transistors de silici de tipus p-n-p, però són lleugerament més petits que les estructures n-p-n. Aquests transistors s'utilitzen com a part de parells complementaris (transistors de conductivitat diferent amb els mateixos paràmetres elèctrics). Per exemple, KT315 i KT361, KT815 i KT814, i en les etapes de sortida del transistor UMZCH KT819 i KT818. En amplificadors importats, s'utilitza sovint un potent parell complementari de 2SA1943 i 2SC5200.
Sovint, els transistors d’una estructura p-n-p s’anomenen transistors de conductivitat endavant i les estructures n-p-n són transistors inversos. Per alguna raó, aquest nom gairebé mai no es troba a la literatura, però en el cercle d’enginyers de ràdio i entusiastes de la ràdio s’utilitza a tot arreu, tothom entén immediatament el que hi ha en joc. La figura 1 mostra una estructura esquemàtica dels transistors i els seus símbols gràfics.
Figura 1
A més de les diferències en el tipus de conductivitat i el material, els transistors bipolars es classifiquen per potència i freqüència de funcionament. Si la potència de dissipació del transistor no supera els 0,3 W, un transistor es considera de baixa potència. Amb una potència de 0,3 ... 3 W, el transistor s'anomena transistor de potència mitjana, i amb una potència superior a 3 W, la potència es considera gran. Els transistors moderns són capaços de dissipar la potència de diverses desenes o fins i tot centenars de vats.
Els transistors amplifiquen els senyals elèctrics no tan bé: amb freqüència creixent, el guany de l’etapa del transistor baixa, i a una certa freqüència s’atura completament. Per tant, per operar en una àmplia gamma de freqüències, hi ha disponibles transistors amb diferents propietats de freqüència.
Segons la freqüència de funcionament, els transistors es divideixen en de baixa freqüència, - la freqüència de funcionament no és superior a 3 MHz, la de freqüència mitjana - de 3 ... 30 MHz, d'alta freqüència - més de 30 MHz.Si la freqüència de funcionament supera els 300 MHz, es tracta de transistors de microones.
En general, als llibres de referència gruixuts greus hi ha més de 100 paràmetres diferents de transistors, cosa que també indica un gran nombre de models. I el nombre de transistors moderns és tal que ja no es poden col·locar íntegrament a cap directori. I la línia creix constantment, cosa que ens permet resoldre gairebé totes les tasques que els desenvolupadors estableixen.
Hi ha molts circuits de transistors (només cal recordar el nombre d'equips domèstics com a mínim) per amplificar i convertir senyals elèctrics, però, amb tota la diversitat, aquests circuits consisteixen en etapes separades, la base dels quals són transistors. Per aconseguir l'amplificació del senyal necessària, cal utilitzar diverses etapes d'amplificació connectades en sèrie. Per entendre com funcionen les etapes d'amplificador, heu de familiaritzar-vos amb els circuits de commutació de transistors.
El transistor per si sol no pot amplificar res. Les seves propietats amplificadores són que petits canvis en el senyal d’entrada (corrent o tensió) condueixen a canvis importants de tensió o corrent a la sortida de la cascada a causa de la despesa d’energia d’una font externa. És aquesta propietat que s’utilitza àmpliament en circuits analògics - amplificadors, televisió, ràdio, comunicació, etc.
Per simplificar la presentació, considerarem els circuits dels transistors de l'estructura n-p-n aquí. Tot el que es dirà sobre aquests transistors s’aplica igualment als transistors p-n-p. Només cal canviar la polaritat de les fonts d’energia, condensadors electrolítics i díodessi n’hi ha, per obtenir un circuit de treball.
Circuits de commutació de transistors
Hi ha tres esquemes en total: un circuit amb un emissor comú (OE), un circuit amb un col·lector comú (OK) i un circuit amb una base comuna (OB). Tots aquests esquemes es mostren a la figura 2.
Figura 2
Però abans de passar a la consideració d’aquests circuits, hauríeu de conèixer com funciona el transistor en mode clau. Aquest coneixement ha de facilitar la comprensió. funcionament del transistor en mode de guany. En cert sentit, es pot considerar un esquema clau com una mena d'esquema amb MA.
Funcionament del transistor en mode clau
Abans d’estudiar el funcionament d’un transistor en mode d’amplificació de senyal, convé recordar que els transistors s’utilitzen sovint en mode clau.
Aquest mode de funcionament del transistor s’ha considerat des de fa temps. Al número d'agost de 1959 de la revista Radio, es va publicar un article de G. Lavrov "El semiconductor triode en mode clau". L’autor de l’article va suggerir ajusteu la velocitat del motor del col·lector canvi en la durada dels polsos en el bobinatge de control (OS). Ara, aquest mètode de regulació s’anomena PWM i s’utilitza força sovint. A la figura 3 es mostra el diagrama de la revista d’aquella època.
Figura 3
Però el mode clau no només s’utilitza en sistemes PWM. Sovint un transistor només s’encén i s’apaga.
En aquest cas, el relé es pot utilitzar com a càrrega: van donar un senyal d'entrada - el relé encès, no - el senyal del relé s'ha apagat. En lloc dels relés en mode clau, sovint s’utilitzen bombetes de llum. Normalment es fa per indicar: la llum està encesa o apagada. A la figura 4. es mostra un esquema d'aquesta etapa clau per treballar amb leds o optoparelladors.
Figura 4
A la figura, la cascada està controlada per un contacte normal, tot i que pot haver-hi un xip digital o microcontrolador. Bombeta automobilística, aquesta s'utilitza per il·luminar el quadre de comandament de la "Lada". Cal tenir en compte que 5V s’utilitza per al control i la tensió commutada del col·lector és de 12V.
No hi ha res estrany en això, ja que les tensions no juguen cap paper en aquest circuit, només tenen importància els corrents.Per tant, la bombeta pot tenir un mínim de 220V si el transistor està dissenyat per funcionar a tensions d’aquest tipus. La tensió de la font del col·lector també ha de correspondre a la tensió de funcionament de la càrrega. Mitjançant aquestes cascades, la càrrega es connecta a microcircuits digitals o microcontroladors.
En aquest esquema, el corrent base controla el corrent col·lector, que, a causa de l’energia de l’alimentació elèctrica, és de diverses desenes o fins i tot centenars de vegades (depenent de la càrrega del col·lector) que el corrent base. És fàcil veure que es produeix l'amplificació actual. Quan el transistor funciona en mode clau, el valor que s’utilitza per calcular la cascada s’anomena generalment el “guany actual en mode senyal gran” als llibres de referència, indicat per la lletra β als llibres de referència. Aquesta és la relació del corrent del col·lector, determinat per la càrrega, al mínim de corrent base possible. En forma de fórmula matemàtica, es veu així: β = Iк / Iб.
Per a la majoria de transistors moderns, el coeficient β és força gran, per regla general, a partir de 50 i superior, per tant, quan es calcula l’etapa de clau, només es pot prendre com a 10. Tot i que el corrent base resulta més que el corrent calculat, el transistor no s’obrirà més a partir d’això, també és un mode clau.
Per a encendre la bombeta que es mostra a la figura 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, això és almenys. Amb un voltatge de control de 5 V a la resistència de base RB, menys la caiguda de tensió a la secció BE, es mantindrà 5 V - 0,6 V = 4,4 V. La resistència de la resistència de base és: 4.4V / 10mA = 440 Ohm. De la sèrie estàndard es selecciona un resistor amb una resistència de 430 ohms. Una tensió de 0,6 V és la tensió a la unió B-E, i no s’ha d’oblidar quan es calcula.
Per tal d'evitar que la base del transistor "quedi penjada a l'aire" en obrir el contacte de control, la transició B-E sol ser saciada per la resistència Rbe, que tanca de manera fiable el transistor. No s'ha d'oblidar aquesta resistència, encara que per alguna raó no ho és per alguna raó, que pot provocar una falsa operació de la cascada per interferències. En realitat, tothom coneixia aquesta resistència, però per alguna raó es van oblidar i van tornar a trepitjar el "rastell".
El valor d’aquesta resistència ha de ser tal que quan s’obre el contacte, la tensió a la base no resulti inferior a 0,6V, en cas contrari, la cascada serà incontrolable, com si la secció B-E es tractés simplement d’un curtcircuit. A la pràctica, la resistència RBe s'estableix en un valor de deu vegades més que RB. Però, fins i tot si el valor Rb és de 10 K, el circuit funcionarà prou de manera fiable: els potencials de base i emissor seran iguals, cosa que comportarà el tancament del transistor.
Una cascada tan clau, si funciona, pot encendre la bombeta a ple foc o apagar-la completament. En aquest cas, el transistor pot estar completament obert (estat de saturació) o completament tancat (estat de tall). De seguida, per descomptat, la conclusió suggereix que entre aquests estats "límit" hi ha tal cosa quan la bombeta brilla completament. En aquest cas, el transistor és mig obert o mig tancat? Com en el problema d’omplir el got: l’optimista veu el got mig ple, mentre que el pessimista el considera mig buit. Aquest mode de funcionament del transistor s’anomena amplificador o lineal.
Funcionament del transistor en mode d’amplificació del senyal
Gairebé tot l’equip electrònic modern consta de microcircuits en els quals s’amaguen els transistors. Simplement seleccioneu el mode de funcionament de l'amplificador operatiu per obtenir el guany o l'ample de banda desitjats. Però, malgrat això, sovint s’utilitzen cascades en transistors discrets (“solts”) i, per tant, és senzill una comprensió del funcionament de l’etapa d’amplificador.
La inclusió més comuna d’un transistor en comparació amb OK i OB és un circuit emissor comú (OE). El motiu d'aquesta prevalença és, en primer lloc, un gran augment de tensió i corrent.El major guany de la cascada OE s’aconsegueix quan la meitat de la tensió de l’alimentació Epit / 2 cau a la càrrega del col·lector. D’acord amb això, la segona meitat recau sobre la secció K-E del transistor. Això s’aconsegueix configurant la cascada, que es descriurà a continuació. Aquest mode de guany s’anomena Classe A.
Quan activeu el transistor amb l'OE, el senyal de sortida del col·leccionista està en antifase amb l'entrada. Com a inconvenients, es pot assenyalar que la impedància d'entrada de l'OE és petita (no més de diversos centenars de ohms) i que la impedància de sortida es troba en el rang de desenes de KOhms.
Si en el mode de tecla el transistor es caracteritza per un guany de corrent en mode senyal gran β, després en el mode de guany, s'utilitza el "guany actual en el mode senyal petit", que es denota als llibres de referència h21e. Aquesta designació prové de la representació d’un transistor en forma de dispositiu de quatre terminals. La lletra "e" indica que les mesures es van fer quan es va encendre el transistor amb un emissor comú.
El coeficient h21e, per regla general, és una mica més gran que β, tot i que en càlculs, com a primera aproximació, podeu utilitzar-lo. De totes maneres, la dispersió dels paràmetres β i h21e és tan gran fins i tot per a un tipus de transistor que els càlculs només són aproximats. Després d'aquests càlculs, per regla general, és necessària la configuració del circuit.
El guany del transistor depèn del gruix de la base, de manera que no es pot canviar. D’aquí la gran difusió del guany de transistors extretes fins i tot d’una caixa (llegiu un lot). Per als transistors de poca potència, aquest coeficient varia entre 100 ... 1000, i per als potents 5 ... 200. Com més fina és la base, més gran és la relació.
El circuit d’encesa més senzill per a un transistor OE es mostra a la figura 5. Es tracta només d’una petita peça de la figura 2, que es mostra a la segona part de l’article. Aquest circuit s’anomena circuit de corrent de base fixa.
Figura 5
L’esquema és extremadament senzill. El senyal d’entrada es subministra a la base del transistor mitjançant un condensador d’aïllament C1 i, en amplificar-se, s’elimina del col·lector del transistor mitjançant un condensador C2. L’objectiu dels condensadors és protegir els circuits d’entrada del component constant del senyal d’entrada (només cal recordar el micròfon de carboni o electret) i proporcionar l’ample de banda necessari de la cascada.
El resistor R2 és la càrrega del col·lector de la cascada i R1 proporciona un esbiaix constant a la base. Utilitzant aquesta resistència, intenten fer que la tensió del col·lector sigui Epit / 2. Aquesta condició s’anomena punt de funcionament del transistor, en aquest cas el guany de la cascada és màxim.
Aproximadament la resistència de la resistència R1 es pot determinar mitjançant la fórmula simple R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1.8. El coeficient 1,5 ... 1,8 es substitueix en funció de la tensió d’alimentació: a baixa tensió (no superior a 9V), el valor del coeficient no és superior a 1,5, i a partir de 50V s’aproxima a 1,8 ... 2.0. Però, efectivament, la fórmula és tan aproximada que s'ha de seleccionar la resistència R1 més sovint, en cas contrari no s'obtindrà el valor requerit d'Epit / 2 al col·lector.
La resistència del col·leccionista R2 es defineix com a condició del problema, ja que el corrent del col·lector i l'amplificació de la cascada en el seu conjunt depenen de la seva magnitud: com més gran sigui la resistència de la resistència R2, més gran serà el guany. Però cal anar amb compte amb aquest resistor, el corrent del col·lector ha de ser inferior al màxim permès per a aquest tipus de transistor.
L’esquema és molt senzill, però aquesta senzillesa li proporciona propietats negatives, i heu de pagar per aquesta senzillesa. En primer lloc, l'amplificació de la cascada depèn de la instància específica del transistor: va substituir el transistor durant la reparació; - torna a seleccionar la compensació, el va sortir al punt operatiu.
En segon lloc, a partir de la temperatura ambient, amb l’augment de la temperatura, augmenta l’Ico corrent invers del col·lector, cosa que comporta un augment del corrent col·lector. I on, a continuació, és la meitat de la tensió d'alimentació del col·lector Epit / 2? Com a resultat, el transistor s’escalfa encara més, després d’això falla.Per eliminar aquesta dependència, o almenys minimitzar-la, s’introdueixen elements addicionals de retroalimentació negativa (OOS) a la cascada del transistor.
La figura 6 mostra un circuit amb una tensió de biaix fix.
Figura 6
Sembla que el divisor de tensió Rb-k, Rb-e proporcionarà el desplaçament inicial necessari de la cascada, però de fet, aquesta cascada té tots els inconvenients d’un circuit de corrent fix. Així, el circuit mostrat és només una variació del circuit de corrent fix mostrat a la figura 5.
Esquemes amb estabilització tèrmica
La situació és una mica millor en el cas d'aplicar els esquemes mostrats a la figura 7.
Figura 7
En un circuit estabilitzat per col·leccionista, la resistència de biaix R1 està connectada no a la font d’energia, sinó al col·lector del transistor. En aquest cas, si la temperatura augmenta, el corrent invers augmenta, el transistor s’obre més fort, la tensió del col·lector disminueix. Aquesta disminució condueix a una disminució de la tensió de biaix subministrada a la base mitjançant R1. El transistor comença a tancar-se, el corrent del col·lector disminueix fins a un valor acceptable, es restableix la posició del punt de funcionament.
És obvi que una mesura d'estabilització comporta una certa disminució de l'amplificació de la cascada, però això no importa. El guany que falta sol afegir-se augmentant el nombre d’etapes d’amplificació. Però un sistema de protecció mediambiental pot ampliar significativament el rang de temperatures de funcionament de la cascada.
El circuit de la cascada amb estabilització d'emissor és una mica més complicat. Les propietats amplificadores d'aquestes cascades romanen inalterades en un interval de temperatura encara més ampli que en el circuit estabilitzat pel col·lector. I un avantatge més indiscutible: quan substituïu un transistor, no heu de tornar a seleccionar els modes de funcionament en cascada.
La resistència d'emissor R4, que proporciona estabilització de la temperatura, també redueix el guany de la cascada. Això és per a corrent directe. Per tal d’excloure la influència de la resistència R4 en l’amplificació del corrent altern, la resistència R4 es pont entre el condensador Ce, que és una resistència insignificant per al corrent altern. El seu valor està determinat per l'interval de freqüències de l'amplificador. Si aquestes freqüències es troben en el rang de so, llavors la capacitança del condensador pot anar des d'unitats fins a desenes o fins i tot centenars de microfarads. Per a freqüències de ràdio, ja són centèsimes o mil·lèsimes, però en alguns casos el circuit funciona bé fins i tot sense aquest condensador.
Per entendre millor el funcionament de l'estabilització d'emissor, cal tenir en compte el circuit per a la connexió d'un transistor amb un col·lector OK comú.
El circuit comú de col·leccionista (OK) es mostra a la figura 8. Aquest circuit és una porció de la figura 2, de la segona part de l’article, on es mostren els tres circuits de commutació de transistor.
Figura 8
La cascada és carregada per la resistència de l'emissor R2, el senyal d'entrada és subministrat a través del condensador C1 i el senyal de sortida s'elimina a través del condensador C2. Aquí podeu preguntar-vos, per què es diu OK aquest esquema? De fet, si recordem el circuit OE, allà és clarament visible que l’emissor està connectat a un cable de circuit comú, relatiu al qual s’ofereix el senyal d’entrada i el senyal de sortida.
Al circuit OK, el col·lector està simplement connectat a una font d’alimentació i, a primera vista, sembla que no té res a veure amb el senyal d’entrada i sortida. Però, de fet, la font EMF (bateria d’energia) té una resistència interna molt petita, per a un senyal és gairebé un punt, un i el mateix contacte.
A més detall, es pot veure el funcionament del circuit OK a la figura 9.
Figura 9
Se sap que per als transistors de silici la tensió de la transició bi-e se situa en el rang de 0,5 ... 0,7 V, de manera que es pot agafar de mitjana 0,6 V, si no establiu l'objectiu de realitzar càlculs amb una precisió de dècimes per cent. Per tant, com es pot veure a la figura 9, el voltatge de sortida sempre serà inferior al voltatge d’entrada pel valor d’Ub-e, és a dir, dels mateixos 0,6V.A diferència del circuit OE, aquest circuit no inverteix el senyal d’entrada, simplement el repeteix, i fins i tot el redueix en 0,6V. Aquest circuit també s’anomena seguidor emissor. Per què es necessita aquest esquema, per a què serveix?
El circuit OK amplifica el senyal de corrent h21e vegades, la qual cosa indica que la resistència d’entrada del circuit és h21e més gran que la resistència del circuit emissor. És a dir, sense por de cremar el transistor, podeu aplicar tensió directament a la base (sense resistència limitant). Només heu d’agafar el passador de base i connectar-lo al bus d’energia + U.
Una alta impedància d’entrada permet connectar una font d’entrada d’alta impedància (impedància complexa), com una recollida piezoelèctrica. Si aquest tipus de recollida està connectat a la cascada segons l’esquema OE, la baixa impedància d’entrada d’aquesta cascada simplement “aterra” el senyal de recollida: “la ràdio no reproduirà”.
Una característica distintiva del circuit OK és que el seu corrent de col·lector Ik depèn només de la resistència de càrrega i el voltatge de la font del senyal d’entrada. Al mateix temps, els paràmetres del transistor no exerceixen cap paper. Diuen sobre aquests circuits que estan coberts per una retroalimentació del cent per cent de tensió.
Com es mostra a la figura 9, la corrent de la càrrega de l’emissor (és la corrent de l’emissor) a = Ik + Ib. Tenint en compte que el corrent base Ib és insignificant en comparació amb el corrent de col·lector Ik, podem suposar que el corrent de càrrega és igual al corrent de col·lector Iн = Iк. La corrent de la càrrega serà (Uin - Ube) / Rн. En aquest cas, suposem que Ube és conegut i sempre és igual a 0,6V.
Es dedueix que el corrent del col·lector Ik = (Uin - Ube) / Rn només depèn del voltatge d’entrada i de la resistència de càrrega. La resistència de càrrega es pot canviar dins d’amplis límits, però no és especialment especial. De fet, si en lloc de Rн hi posem un clau: una centèsima, llavors cap transistor pot suportar-ho.
El circuit OK facilita la mesura del coeficient de transferència de corrent estàtic h21e. Com fer-ho es mostra a la figura 10.
Figura 10
Primer, mesura el corrent de càrrega tal com es mostra a la figura 10a. En aquest cas, la base del transistor no necessita estar connectada enlloc, tal com es mostra a la figura. Després d'això, es mesura el corrent base d'acord amb la figura 10b. En tots dos casos, les mesures s’han de realitzar en les mateixes quantitats: o bé en amperis o en mil·límeres. La tensió i la càrrega d'alimentació han de romandre inalterades en ambdues mesures. Per esbrinar el coeficient estàtic de transferència de corrent, n’hi ha prou amb dividir el corrent de càrrega pel corrent base: h21e ≈ In / IB.
Cal destacar que amb un augment del corrent de càrrega, h21e disminueix lleugerament, i amb un augment del voltatge d’alimentació augmenta. Els repetidors d'emissors es construeixen sovint en un circuit push-pull utilitzant parells de transistors complementaris, cosa que permet augmentar la potència de sortida del dispositiu. Aquest seguidor emissor es mostra a la figura 11.
Figura 11.
Figura 12.
Posada en marxa de transistors segons un esquema amb una base OB comuna
Aquest circuit només proporciona un guany de tensió, però té millors propietats de freqüència en comparació amb el circuit OE: els mateixos transistors poden funcionar a freqüències més altes. L’aplicació principal de l’esquema OB són els amplificadors d’antena UHF. A la figura 12 es mostra un esquema de l'amplificador d'antena.
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: