Odpor je kolektor a emitor tranzistora. Reverzný kolektorový prúd

V tejto sérii článkov sa pokúsime hovoriť jednoducho a jasne o takých zložitých komponentoch, ako sú tranzistory.

Dnes sa tento polovodičový prvok nachádza takmer na všetkých doskách plošných spojov, v akomkoľvek elektronickom zariadení (mobilné telefóny, rádiá, počítače a iná elektronika). Tranzistory sú základom pre stavbu logických čipov, pamätí, mikroprocesorov... Poďme teda prísť na to, čo je to za zázrak, ako funguje a čo spôsobuje takú širokú škálu jeho aplikácií.

Tranzistor je elektronická súčiastka vyrobená z polovodičového materiálu, zvyčajne s tromi svorkami, ktorá umožňuje vstupnému signálu riadiť prúd.

Mnoho ľudí verí, že tranzistor zosilňuje vstupný signál. Ponáhľam sa vás sklamať - samy o sebe, bez externého zdroja energie, tranzistory nič nezosilnia (zákon zachovania energie ešte nebol zrušený). Zosilňovač môžete postaviť pomocou tranzistora, ale toto je len jedna z jeho aplikácií a na získanie zosilneného signálu potrebujete špeciálny obvod, ktorý je navrhnutý a vypočítaný za určitých podmienok, plus zdroj energie.

Samotný tranzistor môže ovládať iba prúd.

Čo je najdôležitejšie, čo potrebujete vedieť? Tranzistory sú rozdelené do 2 veľkých skupín: bipolárne a poľné. Tieto 2 skupiny sa líšia štruktúrou a princípom fungovania, preto si povieme o každej z týchto skupín samostatne.

Takže prvá skupina je bipolárne tranzistory.

Tieto tranzistory pozostávajú z troch vrstiev polovodičov a podľa štruktúry sa delia na 2 typy: pnp A npn. Prvý typ (pnp) sa niekedy nazýva dopredné tranzistory a druhý typ (npn) sa nazýva reverzné tranzistory.

Čo znamenajú tieto písmená? Ako sa tieto tranzistory líšia? A prečo práve dve vodivosti? Ako to už býva, pravda je niekde vonku. Všetko dômyselné je jednoduché. N - negatívny (anglicky) - negatívny. P - pozitívny (anglicky) - pozitívny. Ide o označenie typov vodivosti polovodičových vrstiev, z ktorých sa tranzistor skladá. „Pozitívna“ je vrstva polovodiča s „dierovou“ vodivosťou (v ktorej majú hlavné nosiče náboja kladné znamienko), „negatívna“ je vrstva polovodiča s „elektronickou“ vodivosťou (v ktorej majú hlavné nosiče náboja
záporné znamienko).

Štruktúra a označenie bipolárnych tranzistorov v schémach je znázornené na obrázku vpravo. Každý výstup má svoj vlastný názov. E - emitor, K - kolektor, B - základňa. Ako zistiť základný výstup na diagrame? Jednoducho. Označuje to plošina, do ktorej spočíva kolektor a emitor. Ako zistíte žiarič? Je to tiež jednoduché, toto je výstup so šípkou. Zostávajúci kolík je zberač. Šípka na vysielači vždy ukazuje smer prúdu. V súlade s tým pre npn tranzistory prúd tečie cez kolektor a bázu a tečie z emitoru pre tranzistory pnp, naopak, prúd tečie cez emitor a tečie cez kolektor a základňu.

Poďme hlbšie do teórie... Tri vrstvy polovodiča tvoria dva pn prechody v tranzistore. Jeden je medzi žiaričom a základňou, zvyčajne sa nazýva žiarič, druhý je medzi kolektorom a základňou, zvyčajne sa nazýva kolektor.

Na každom z dvoch pn prechodov môže byť dopredné alebo spätné predpätie, preto pri prevádzke tranzistora existujú štyri hlavné režimy v závislosti od predpätia pn prechodov (pamätajte áno, ak na strane s vodivosťou typu p napätie je väčšie ako na strane s vodivosťou typu n, potom je to priame predpätie pn prechodu, ak je to naopak, potom naopak). Nižšie, na obrázkoch znázorňujúcich každý režim, šípky ukazujú smer od vyššieho napätia k nižšiemu (toto nie je smer prúdu!). To uľahčuje navigáciu: ak je šípka nasmerovaná z „p“ na „n“, ide o doprednú odchýlku spojenia pn, ak z „n“ na „p“, ide o spätnú odchýlku.

Prevádzkové režimy bipolárneho tranzistora:

1) Ak je prechod emitorového pn predpätý a kolektorový prechod je predpätý, potom je tranzistor v normálny aktívny režim(niekedy jednoducho hovoria „aktívny režim“ a vynechávajú slovo normálny). V tomto režime kolektorový prúd závisí od základného prúdu a súvisí s ním nasledujúcim vzťahom: Ik=Ib*β. Aktívny režim sa používa pri konštrukcii tranzistorových zosilňovačov.

2) Ak sú oba prechody predpäté dopredu, tranzistor je in saturačný režim. V tomto prípade kolektorový prúd prestane závisieť od základného prúdu v súlade s vyššie uvedeným vzorcom (v ktorom bol koeficient β), prestane sa zvyšovať, aj keď sa základný prúd naďalej zvyšuje. V tomto prípade sa hovorí, že tranzistor je úplne otvorený alebo jednoducho otvorený. Čím hlbšie ideme do oblasti nasýtenia, tým viac sa závislosť Ik=Ib*β rozpadá. Navonok to vyzerá tak, že koeficient β klesá. Poviem tiež, že existuje niečo ako koeficient nasýtenia. Je definovaný ako pomer skutočného základného prúdu (ten, ktorý momentálne máte) k základnému prúdu na hranici medzi aktívnym a saturačným stavom.

3) Ak máme spätné predpätie na oboch prechodoch, tranzistor je in cut-off režime. Zároveň ním netečie žiadny prúd (s výnimkou veľmi malých únikových prúdov - spätných prúdov cez pn prechody). V tomto prípade sa hovorí, že tranzistor je úplne vypnutý alebo jednoducho vypnutý. Pri konštrukcii tranzistorových spínačov sa používajú režimy sýtosti a cutoff.

4) Ak je prechod emitoru spätne predpätý a prechod kolektora je predpätý, potom tranzistor spadne do inverzný aktívny režim. Tento režim je dosť exotický a málo používaný. Napriek tomu, že na našich nákresoch sa žiarič nelíši od kolektora a v skutočnosti by mali byť ekvivalentné (pozrite sa ešte raz na najvrchnejší nákres - na prvý pohľad sa nič nezmení, ak vymeníte kolektor a žiarič), v skutočnosti majú Existujú dizajnové rozdiely (napríklad vo veľkosti) a nie sú ekvivalentné. Práve kvôli tejto disparite existuje rozdelenie na „normálny aktívny režim“ a „inverzný aktívny režim“.

Niekedy je identifikovaný aj piaty, takzvaný „bariérový režim“. V tomto prípade je základňa tranzistora skratovaná ku kolektoru. V skutočnosti by bolo správnejšie hovoriť nie o nejakom špeciálnom režime, ale o špeciálnom spôsobe zapínania. Režim je tu celkom normálny - blízko hraničného stavu medzi aktívnym režimom a sýtosťou. Dá sa získať nielen skratovaním základne s kolektorom. V tomto konkrétnom prípade je trik v tom, že pri tomto spôsobe spínania, nech už zmeníme napájacie napätie alebo záťaž akokoľvek, tranzistor zostane stále v tomto veľmi hraničnom režime. To znamená, že tranzistor v tomto prípade bude ekvivalentný dióde.

Bipolárny tranzistor je riadený prúdom. To znamená, že aby medzi kolektorom a emitorom prúdil prúd (inými slovami, aby sa tranzistor otvoril), musí prúd pretekať medzi emitorom a bázou (alebo medzi kolektorom a bázou – pre inverzný režim). Okrem toho veľkosť základného prúdu a maximálny možný prúd kolektorom (pri takomto základnom prúde) sú spojené konštantným koeficientom β (koeficient prenosu základného prúdu): I B * β = IK .

Okrem parametra β sa používa ďalší koeficient: koeficient prenosu prúdu emitora (α). Rovná sa pomeru kolektorového prúdu k prúdu emitoru: α=Iк/Iе. Hodnota tohto koeficientu sa zvyčajne blíži k jednej (čím bližšie k jednej, tým lepšie). Koeficienty α a β sú vo vzájomnom vzťahu podľa nasledujúceho vzťahu: β=α/(1-α).

V domácich referenčných knihách sa v zahraničnej literatúre namiesto koeficientu β často uvádza koeficient h 21E (prúdový zisk v obvode so spoločným emitorom), niekedy namiesto β nájdete h FE. Je to v poriadku, zvyčajne môžeme predpokladať, že všetky tieto koeficienty sú rovnaké a často sa nazývajú jednoducho „zosilnenie tranzistora“.

Čo nám to dáva a prečo to potrebujeme? Obrázok vľavo ukazuje najjednoduchšie obvody. Sú ekvivalentné, ale sú postavené s použitím tranzistorov s rôznou vodivosťou. Tiež prítomné: záťaž vo forme žiarovky, premenlivého odporu a pevného odporu.

Pozrime sa na ľavý diagram. čo sa tam deje? Predstavme si, že posúvač variabilného odporu je v hornej polohe. V tomto prípade sa napätie na báze tranzistora rovná napätiu na emitore, prúd bázy je nulový, preto je kolektorový prúd tiež nulový (I K = β*I B) - tranzistor je uzavretý, lampa áno nie svetlo. Začneme spúšťať posúvač nadol
- napätie na ňom začne klesať nižšie ako na emitore - z emitora do bázy sa objaví prúd (základný prúd) a súčasne - prúd z emitora do kolektora (tranzistor sa začne otvárať). Lampa začne svietiť, ale nie v plnej intenzite. Čím nižšie posunieme posúvač variabilného odporu, tým jasnejšie bude svietidlo horieť.

A potom, pozor! Ak začneme posúvať posúvač premenného odporu nahor, tranzistor sa začne zatvárať a prúdy z emitora do bázy a z emitora do kolektora začnú klesať. V pravom diagrame je všetko rovnaké, len s tranzistorom inej vodivosti.

Uvažovaný prevádzkový režim tranzistora je aktívny. Aký to má zmysel? Riadi prúd prúd? Presne tak, ale trik je v tom, že koeficient β sa dá merať v desiatkach a
dokonca stovky. To znamená, že na to, aby sme výrazne zmenili prúd tečúci z žiariča do kolektora, potrebujeme len mierne zmeniť prúd tečúci z žiariča do základne.

V aktívnom režime sa tranzistor (s príslušným zapojením) používa ako zosilňovač.

Sme unavení, poďme si trochu oddýchnuť...

A opäť vpred!

Teraz sa pozrime na to, ako funguje tranzistor ako spínač. Pozrime sa na ľavý diagram. Prepínač S nech je zopnutý v polohe 1. V tomto prípade je báza tranzistora cez rezistor R pritiahnutá do výkonového kladu, takže medzi emitorom a bázou nie je prúd a tranzistor je uzavretý. Predstavme si, že sme prepínač S posunuli do polohy 2. Napätie na báze sa zníži ako na emitore - medzi emitorom a bázou sa objaví prúd (jeho hodnota je určená odporom R). Okamžite vzniká FE prúd. Tranzistor sa otvorí a lampa sa rozsvieti. Ak prepínač S opäť vrátime do polohy 1, tranzistor sa zatvorí a lampa zhasne. (v pravom diagrame je všetko rovnaké, len tranzistor má inú vodivosť)

V tomto prípade sa hovorí, že tranzistor funguje ako spínač. Aký to má zmysel? Tranzistor prepína medzi dvoma stavmi - otvorený a zatvorený. Zvyčajne sa pri použití tranzistora ako spínača snažia zabezpečiť, aby v otvorenom stave bol tranzistor blízko saturácie (zároveň je pokles napätia medzi kolektorom a emitorom a tým aj straty na tranzistore). minimálny Na tento účel sa špeciálnym spôsobom vypočíta obmedzovací odpor v základnom obvode. Stavom hlbokej saturácie a hlbokého prerušenia sa zvyčajne vyhýbame, pretože v tomto prípade sa zvyšuje čas na prepnutie kľúča z jedného stavu do druhého.

Malá ukážka výpočtov. Predstavme si, že cez tranzistor ovládame 12V, 50mA žiarovku. Náš tranzistor funguje ako spínač, takže v otvorenom stave by mal byť blízko saturácie. Nebudeme brať do úvahy pokles napätia medzi kolektorom a emitorom, keďže pre režim saturácie je rádovo menší ako napájacie napätie. Keďže lampou tečie prúd 50 mA, musíme zvoliť tranzistor s maximálnym EC prúdom aspoň 62,5 mA (zvyčajne sa odporúča použiť súčiastky na 75% ich maximálnych parametrov, ide o akúsi rezervu) . Otvorte adresár a vyhľadajte vhodný pnp tranzistor. Napríklad KT361. V našom prípade sú z hľadiska prúdu vhodné s písmenovými indexmi „a, b, c, d“, keďže maximálne napätie EC je 20V, ale v našom probléme je to len 12V.

Predpokladajme, že použijeme KT361A, so ziskom od 20 do 90. Keďže potrebujeme, aby sa tranzistor zaručene úplne otvoril, pri výpočte použijeme minimum Kus = 20. Teraz si myslíme. Aký minimálny prúd musí pretekať medzi vysielačom a základňou, aby sa cez EC dostal prúd 50 mA?

50 mA / 20 krát = 2,5 mA

Aký odpor obmedzujúci prúd by sa mal nainštalovať, aby cez BE prechádzal prúd 2,5 mA?

Všetko je tu jednoduché. Ohmov zákon: I=U/R. Preto R = (12 V napájanie - 0,65 V strata na pn prechode BE) / 0,0025 A = 4540 Ohm. Keďže 2,5 mA je minimálny prúd, ktorý by v našom prípade mal pretekať z vysielača do základne, je potrebné vybrať zo štandardného rozsahu najbližší odpor s nižším odporom. Napríklad s 5% odchýlkou ​​by to bol odpor 4,3 kOhm.

Teraz o prúde. Na zapálenie svietidla s menovitým prúdom 50 mA potrebujeme spínať prúd len 2,5 mA. A to pri použití spotrebného tovaru, lacného tranzistora, s nízkym Kus, vyvinutého pred 40 rokmi. Cítiš ten rozdiel? O koľko sa dajú zmenšiť rozmery spínačov (a teda aj ich cena) pri použití tranzistorov.

Vráťme sa opäť k teórii.

Vo vyššie diskutovaných príkladoch sme použili iba jeden z tranzistorových spínacích obvodov. Celkovo podľa toho, odkiaľ vysielame riadiaci signál a odkiaľ berieme výstupný signál (na ktorej elektróde je spoločná pre tieto signály), existujú 3 hlavné obvody na zapínanie bipolárnych tranzistorov (no, logické, nie? - tranzistor má 3 výstupy, to znamená, že ak rozdelíte obvody podľa princípu, že jedna zo svoriek je spoločná, potom môžu byť celkom 3 obvody):

1) Obvod so spoločným emitorom.

Ak predpokladáme, že vstupný prúd je základný prúd, vstupné napätie je napätie na BE prechode, výstupný prúd je kolektorový prúd a výstupné napätie je napätie medzi kolektorom a emitorom, potom môžeme napísať, že: Iout/Iin=Ik/Ib=p, Rin=Ube/Ib.

Navyše, keďže Uout=Epit-Ik*R, je jasné, že po prvé, výstupné napätie môže byť ľahko oveľa vyššie ako vstupné a po druhé, že výstupné napätie je invertované vzhľadom na vstup (keď Ube= Uin sa zvyšuje a vstupný prúd sa zvyšuje - výstupný prúd sa tiež zvyšuje, ale Uke = Uout klesá).

Táto schéma pripojenia (pre stručnosť je označená ako OE) je najbežnejšia, pretože vám umožňuje zosilniť prúd aj napätie, to znamená, že vám umožňuje dosiahnuť maximálne zosilnenie výkonu. Podotýkam, že tento dodatočný výkon zo zosilneného signálu nie je odoberaný zo vzduchu a nie zo samotného tranzistora, ale zo zdroja energie (Epit), bez ktorého nebude tranzistor schopný nič zosilniť a nebude prúdiť. vo výstupnom obvode vôbec. (Myslím - o tom, ako presne fungujú tranzistorové zosilňovače a ako ich vypočítať, napíšeme podrobnejšie neskôr v samostatnom článku).

2) Schéma so spoločným základom.

Tu je vstupný prúd prúd emitora, vstupné napätie je napätie na prechode BE, výstupný prúd je kolektorový prúd a výstupné napätie je napätie na záťaži pripojenej ku kolektorovému obvodu. Pre tento obvod: Iout≈Iin, pretože Ik≈Ie, Rin=Ube/Ie.

Takýto obvod (OB) iba zosilňuje napätie a nezosilňuje prúd. Signál sa v tomto prípade fázovo neposúva.

3) Spoločný kolektorový okruh(sledovník vysielača).

Tu je vstupný prúd základný prúd a vstupné napätie je pripojené k prechodu BE tranzistora a záťaže, výstupný prúd je prúd emitora a výstupné napätie je napätie na záťaži pripojenej k obvodu emitora. . Pre tento obvod: Iout/Iin=Ie/Ib=(I K +I B)/I B =β+1, pretože Zvyčajne je koeficient β dosť veľký, ale niekedy sa uvažuje o Iout/Iin≈β. Rin=Ube/Ib+R. Uout/Uin=(Ube+Uout)/Uout≈1.

Ako vidíte, takýto obvod (OK) zosilňuje prúd a nezosilňuje napätie. Signál sa v tomto prípade fázovo neposúva. Okrem toho má tento obvod najvyšší vstupný odpor.

Oranžové šípky vo vyššie uvedených diagramoch znázorňujú obvody toku prúdu vytvorené zdrojom energie výstupného obvodu (Epit) a samotným vstupným signálom (Uin). Ako vidíte, v obvode s OB prúd vytvorený Epitom tečie nielen cez tranzistor, ale aj cez zdroj zosilneného signálu a v obvode s OK naopak prúd vytvorený vstupný signál prúdi nielen cez tranzistor, ale aj cez záťaž (pomocou týchto znakov môžete ľahko rozlíšiť jednu schému zapojenia od druhej).

A nakoniec, poďme sa rozprávať o tom, ako skontrolovať použiteľnosť bipolárneho tranzistora. Vo väčšine prípadov možno stav tranzistora posúdiť podľa stavu pn prechodov. Ak vezmeme do úvahy tieto pn prechody nezávisle od seba, potom tranzistor môže byť reprezentovaný ako kombinácia dvoch diód (ako na obrázku vľavo). Vo všeobecnosti platí, že vzájomný vplyv pn prechodov je to, čo robí tranzistor tranzistorom, ale pri kontrole možno tento vzájomný vplyv ignorovať, keďže napätie privádzame na svorky tranzistora v pároch (na dve svorky z troch). V súlade s tým môžete tieto pn prechody skontrolovať bežným multimetrom v režime testovania diód. Keď pripojíte červenú sondu (+) na katódu diódy a čiernu na anódu, pn prechod sa uzavrie (multimeter ukazuje nekonečne vysoký odpor), ak vymeníte sondy, pn prechod sa byť otvorený (multimeter ukazuje pokles napätia na otvorenom pn prechode, zvyčajne 0,6-0,8 V). Pri pripájaní sond medzi kolektorom a žiaričom bude multimeter vykazovať nekonečne vysoký odpor bez ohľadu na to, ktorá sonda je pripojená ku kolektoru a ktorá k žiariču.

Pokračovanie nabudúce…

Bipolárne tranzistory sú polovodičové zariadenia s tromi elektródami zapojenými do troch vrstiev v sérii, s rôznou vodivosťou. Na rozdiel od iných tranzistorov, ktoré nesú jeden typ náboja, je schopný niesť dva typy naraz.

Schémy zapojenia pomocou bipolárnych tranzistorov závisia od vykonanej práce a typu vedenia. Vedenie môže byť elektronické alebo dierové.

Typy bipolárnych tranzistorov

Bipolárne tranzistory sú rozdelené podľa rôznych kritérií do typov podľa:

• Materiál výroby: kremík alebo arzenid gália.
• Hodnota frekvencie: do 3 MHz – nízka, do 30 MHz – stredná, do 300 MHz – vysoká, nad 300 MHz – ultra vysoká.
• Najvyššia strata výkonu: 0-0,3 W, 0,3-3 W, nad 3 W.
• Typ zariadenia: 3 vrstvy polovodiča s sekvenčným poradím typu vedenia.

Dizajn a prevádzka

Tranzistorové vrstvy, vnútorné aj vonkajšie, sú kombinované so zabudovanými elektródami, ktoré sa nazývajú báza, emitor a kolektor.

Neexistujú žiadne významné rozdiely v typoch vodivosti medzi kolektorom a emitorom, avšak percento zahrnutia nečistôt do kolektora je oveľa nižšie, čo umožňuje zvýšiť prípustné napätie na výstupe.

Stredná vrstva polovodiča (základňa) má vysokú hodnotu odporu, keďže je vyrobená z jemne dopovaného materiálu. Je v kontakte s kolektorom na veľkej ploche. To umožňuje zvýšiť odvod tepla, čo je nevyhnutné v dôsledku uvoľnenia tepla z premiestnenia križovatky v opačnom smere. Dobrý kontakt medzi základňou a kolektorom umožňuje ľahký prechod elektrónov, ktoré sú menšinovými nosičmi.

Prechodové vrstvy sú vyrobené podľa rovnakého princípu. Bipolárne tranzistory sa však považujú za nevyvážené zariadenia. Pri striedaní vonkajších vrstiev na miestach s rovnakou vodivosťou nie je možné vytvoriť podobné parametre polovodičov.

Obvody zapojenia tranzistora sú navrhnuté tak, aby mu mohli poskytnúť uzavretý aj otvorený stav. Počas aktívnej prevádzky, keď je polovodič otvorený, je emitor predpätý v smere dopredu. Aby ste úplne pochopili tento dizajn, musíte pripojiť napájacie napätie podľa znázornenej schémy.

V tomto prípade je hranica na 2. križovatke kolektora uzavretá, netečie cez ňu žiadny prúd. V praxi dochádza k opačnému javu v dôsledku susedných prechodov a ich vzájomného vplyvu. Keďže mínus pól batérie je spojený s emitorom, otvorený prechod umožňuje elektrónom prejsť do základne, kde sa rekombinujú s dierami, ktoré sú hlavnými nosičmi. Objaví sa základný prúd Ib. Čím vyšší je základný prúd, tým vyšší je výstupný prúd. Toto je princíp fungovania zosilňovačov.

Cez základňu dochádza len k difúznemu pohybu elektrónov, pretože nedochádza k práci elektrického poľa. Vďaka malej hrúbke tejto vrstvy a výraznému gradientu častíc sa takmer všetky dostávajú do kolektora, hoci základňa má vysoký odpor. Na križovatke je elektrické pole, ktoré podporuje prenos a vťahuje ich dovnútra. Prúdy emitora a kolektora sú rovnaké, s výnimkou malej straty náboja z prerozdelenia na základni: I e = I b + I k.

Charakteristika

• Aktuálny zisk β = I k / I b.
• Zisk napätia U eq / U byť.
• Vstupný odpor.
• Frekvenčná charakteristika je schopnosť tranzistora pracovať do určitej frekvencie, za ktorou prechodové procesy zaostávajú za zmenou signálu.

Prevádzkové režimy a schémy

Typ obvodu ovplyvňuje režim činnosti bipolárneho tranzistora. Signál je možné zbierať a prenášať na dvoch miestach pre rôzne prípady a existujú tri elektródy. V dôsledku toho jedna ľubovoľná elektróda musí byť výstupom aj vstupom. Všetky bipolárne tranzistory sú zapojené podľa tohto princípu a majú tri typy obvodov, ktoré zvážime nižšie.

Spoločný kolektorový okruh

Signál prechádza cez odpor R L, ktorý je tiež zahrnutý v kolektorovom okruhu.

Táto schéma zapojenia umožňuje vytvoriť iba prúdový zosilňovač. Výhodou takéhoto emitorového sledovača je vytvorenie značného odporu na vstupe. To umožňuje zosúladiť stupne zosilnenia.

Schéma so spoločným základom

Obvod má nevýhodu v podobe nízkeho vstupného odporu. Ako oscilátor sa najčastejšie používa obvod so spoločnou bázou.

Obvod so spoločným emitorom

Najčastejšie sa pri použití bipolárnych tranzistorov používa obvod so spoločným emitorom. Napätie prechádza cez odpor záťaže R L a napájanie je pripojené k emitoru so záporným pólom.

Signál s premenlivou hodnotou prichádza na základňu a vysielač. V kolektorovom okruhu má väčšiu hodnotu. Hlavnými prvkami obvodu sú rezistor, tranzistor a výstupný obvod zosilňovača s napájacím zdrojom. Prídavné oceľové prvky: kontajner C 1, ktorý zabraňuje prechodu prúdu na vstup, odpor R 1, vďaka čomu sa tranzistor otvára.

V kolektorovom obvode sa napätie a odpor tranzistora rovnajú hodnote EMF: E= Ik Rk +Vke.

Z toho vyplýva, že malý signál Ec určuje pravidlo pre zmenu potenciálového rozdielu na premenlivý výstup tranzistorového meniča. Tento obvod umožňuje mnohonásobne zvýšiť vstupný prúd, ako aj napätie a výkon.

Jednou z nevýhod takéhoto obvodu je nízky vstupný odpor (do 1 kOhm). V dôsledku toho vznikajú problémy pri vytváraní kaskád. Výstupný odpor je od 2 do 20 kOhm.

Uvažované obvody ukazujú činnosť bipolárneho tranzistora. Jeho činnosť je ovplyvnená frekvenciou signálu a prehrievaním. Na vyriešenie tohto problému sa uplatňujú ďalšie samostatné opatrenia. Uzemnenie vysielača spôsobuje skreslenie na výstupe. Na vytvorenie spoľahlivosti obvodu sú pripojené filtre, spätné väzby atď. Po takýchto opatreniach obvod funguje lepšie, ale zisk klesá.

Prevádzkové režimy

Rýchlosť tranzistora je ovplyvnená veľkosťou pripojeného napätia. Uvažujme rôzne prevádzkové režimy pomocou príkladu obvodu, v ktorom sú bipolárne tranzistory pripojené k spoločnému emitoru.

Odrezať

Tento režim sa vytvorí, keď napätie VBE klesne na 0,7 voltu. V tomto prípade sa prechod emitoru uzavrie a na kolektore nie je žiadny prúd, pretože v základni nie sú žiadne elektróny a tranzistor zostane zatvorený.

Aktívny režim

Keď sa na základňu privedie napätie dostatočné na zapnutie tranzistora, objaví sa malý vstupný prúd a veľký výstupný prúd. To závisí od veľkosti zisku. V tomto prípade tranzistor funguje ako zosilňovač.

Režim nasýtenia

Táto práca má svoje odlišnosti od aktívneho režimu. Polovodič sa otvára do konca, kolektorový prúd dosahuje svoju najväčšiu hodnotu. Jeho zvýšenie je možné dosiahnuť iba zmenou zaťaženia alebo EMF výstupného obvodu. Pri nastavovaní základného prúdu sa kolektorový prúd nemení. Režim saturácie má tú zvláštnosť, že tranzistor je úplne otvorený a funguje ako spínač. Ak skombinujete režimy nasýtenia a obmedzenia bipolárnych tranzistorov, môžete vytvoriť spínače.

Vlastnosti výstupných charakteristík ovplyvňujú režimy. To je znázornené na grafe.

Pri vynesení segmentov zodpovedajúcich najväčšiemu kolektorovému prúdu a veľkosti napätia na súradnicových osiach a následnom spojení koncov medzi sebou sa vytvorí červená čiara zaťaženia. Graf ukazuje, že bod prúdu a napätia sa budú pohybovať smerom nahor pozdĺž čiary zaťaženia, keď sa základný prúd zvyšuje.

Oblasť medzi tieňovanou výstupnou charakteristikou a osou Vke je medzná práca. V tomto prípade je tranzistor uzavretý a spätný prúd je malý. Charakteristika v bode A hore sa pretína so záťažou, po ktorej sa s následným zvýšením I B kolektorový prúd už nemení. Na grafe je oblasťou nasýtenia tieňovaná časť medzi osou Ik a najstrmším grafom.

Bipolárne tranzistory v rôznych režimoch

Tranzistor interaguje so signálmi rôznych typov vo vstupnom obvode. Tranzistor sa používa hlavne v zosilňovačoch. Vstupný AC signál mení výstupný prúd. V tomto prípade sa používajú obvody so spoločným emitorom alebo kolektorom. Pre signál je potrebná záťaž vo výstupnom obvode.

Najčastejšie sa na to používa odpor inštalovaný vo výstupnom obvode kolektora. Ak je správne zvolený, hodnota napätia na výstupe bude oveľa väčšia ako na vstupe.

Počas konverzie impulzného signálu zostáva režim rovnaký ako pri sínusových signáloch. Kvalita harmonickej zmeny je určená frekvenčnými charakteristikami polovodičov.

Režim prepínania

Tranzistorové spínače sa používajú na bezkontaktné spínanie v elektrických obvodoch. Táto práca pozostáva z prerušovaného nastavovania hodnoty odporu polovodiča. Bipolárne tranzistory sa najviac používajú v spínacích zariadeniach.

Polovodiče sa používajú v obvodoch na úpravu signálu. Ich univerzálna prevádzka a široká klasifikácia umožňuje použitie tranzistorov v rôznych obvodoch, ktoré určujú ich prevádzkové schopnosti. Hlavné použité obvody sú zosilňovacie a spínacie obvody.

TÉMA 4. BIPOLÁRNE TRANSISTORY

4.1 Konštrukcia a princíp činnosti

Bipolárny tranzistor je polovodičové zariadenie pozostávajúce z troch oblastí so striedajúcimi sa typmi elektrickej vodivosti a je vhodné na zosilnenie výkonu.

V súčasnosti vyrábané bipolárne tranzistory možno klasifikovať podľa nasledujúcich kritérií:

Podľa materiálu: germánium a kremík;

Podľa typu vodivosti oblastí: typy p-n-p a n-p-n;

Podľa výkonu: nízky (Pmax £ 0,3 W), stredný (Pmax £ 1,5 W) a vysoký výkon (Pmax > 1,5 W);

Podľa frekvencie: nízka frekvencia, stredná frekvencia, vysoká frekvencia a mikrovlnná rúra.

V bipolárnych tranzistoroch je prúd určený pohybom nosičov náboja dvoch typov: elektrónov a dier (alebo väčšiny a menšiny). Odtiaľ pochádza ich názov - bipolárne.

V súčasnosti sa vyrábajú a používajú iba tranzistory s planárnymi p-n prechodmi.

Štruktúra planárneho bipolárneho tranzistora je schematicky znázornená na obr. 4.1.

Je to platňa z germánia alebo kremíka, v ktorej sú vytvorené tri oblasti s rôznou elektrickou vodivosťou. V tranzistore n-p-n má stredná oblasť dieru a vonkajšie oblasti majú elektronickú vodivosť.

Tranzistory typu pnp majú strednú oblasť s elektronickou vodivosťou a vonkajšie oblasti s dierovou elektrickou vodivosťou.

Stredná oblasť tranzistora sa nazýva báza, jedna krajná oblasť je emitor a druhá je kolektor. Tranzistor má teda dva p-n prechody: emitor - medzi emitorom a základňou a kolektor - medzi základňou a kolektorom. Plocha prechodu emitora je menšia ako plocha prechodu kolektora.

Emitor je oblasť tranzistora, ktorej účelom je vstreknúť nosiče náboja do bázy. Kolektor je oblasť, ktorej účelom je extrahovať nosiče náboja zo základne. Základňa je oblasť, do ktorej žiarič vstrekuje nosiče náboja, ktoré nie sú pre túto oblasť väčšinové.

Koncentrácia hlavných nosičov náboja v žiariči je mnohonásobne väčšia ako koncentrácia hlavných nosičov náboja v báze a ich koncentrácia v kolektore je o niečo menšia ako koncentrácia v žiariči. Preto je vodivosť emitora o niekoľko rádov vyššia ako základná vodivosť a vodivosť kolektora je o niečo menšia ako vodivosť emitora.

Závery sú vyvodené zo základne, žiariča a kolektora. V závislosti od toho, ktorá zo svoriek je spoločná pre vstupné a výstupné obvody, existujú tri obvody na pripojenie tranzistora: so spoločnou bázou (CB), spoločným emitorom (CE) a spoločným kolektorom (CC).

Vstupný alebo riadiaci obvod slúži na riadenie činnosti tranzistora. Vo výstupnom alebo riadenom obvode sa získajú zosilnené oscilácie. Zdroj zosilnených kmitov je zahrnutý vo vstupnom obvode a záťaž je pripojená k výstupnému obvodu.

Uvažujme o princípe činnosti tranzistora na príklade tranzistora typu pnp zapojeného podľa obvodu so spoločnou bázou (obr. 4.2).

Obrázok 4.2 – Princíp činnosti bipolárneho tranzistora (typ pnp)

Vonkajšie napätia dvoch zdrojov energie EE a Ek sú pripojené k tranzistoru tak, že emitorový prechod P1 je predpätý v priepustnom smere (napätie vpred) a kolektorový prechod P2 je predpätý v opačnom smere (spätné napätie). .

Ak je na prechod kolektora privedené spätné napätie a obvod emitora je otvorený, potom v obvode kolektora preteká malý spätný prúd Iko (jednotky mikroampérov). Tento prúd vzniká vplyvom spätného napätia a vzniká smerovým pohybom menšinových nosičov náboja, základných otvorov a kolektorových elektrónov cez kolektorový prechod. Obvodom preteká spätný prúd: +Ek, základňa-kolektor, -Ek. Veľkosť spätného kolektorového prúdu nezávisí od kolektorového napätia, ale závisí od teploty polovodiča.

Keď je do emitorového obvodu v priepustnom smere pripojené konštantné napätie EE, potenciálna bariéra emitorového prechodu klesá. Začína sa vstrekovanie otvorov do základne.

Vonkajšie napätie aplikované na tranzistor sa ukazuje byť aplikované hlavne na prechody P1 a P2, pretože majú vysoký odpor v porovnaní s odporom oblasti bázy, emitora a kolektora. Preto sa otvory vstrekované do základne pohybujú cez ňu difúziou. V tomto prípade sa otvory rekombinujú s elektrónmi bázy. Keďže koncentrácia nosiča v základni je oveľa nižšia ako v žiariči, rekombinuje sa len veľmi málo otvorov. Pri malej hrúbke základne takmer všetky otvory dosiahnu spoj kolektora P2. Namiesto rekombinovaných elektrónov vstupujú do bázy elektróny zo zdroja energie Ek. Diery, ktoré sa rekombinujú s elektrónmi v základni, vytvárajú základný prúd IB.

Pod vplyvom spätného napätia Ek sa potenciálna bariéra kolektorového prechodu zväčšuje a hrúbka prechodu P2 sa zväčšuje. Potenciálna bariéra kolektorovej križovatky však nebráni priechodu otvorov cez ňu. Otvory vstupujúce do oblasti kolektorového prechodu spadajú do silného urýchľovacieho poľa vytvoreného na prechode kolektorovým napätím a sú vyťahované (sťahované) kolektorom, čím vzniká kolektorový prúd Ik. Kolektorový prúd preteká obvodom: +Ek, základňa-kolektor, -Ek.

V tranzistore teda tečú tri prúdy: emitor, kolektor a prúd bázy.

V drôte, ktorý je základnou svorkou, prúdy emitoru a kolektora smerujú v opačných smeroch. Preto sa základný prúd rovná rozdielu medzi emitorovým a kolektorovým prúdom: IB = IE - IK.

Fyzikálne procesy v tranzistore n-p-n prebiehajú podobne ako procesy v tranzistore p-n-p.

Celkový prúd IE emitora je určený počtom hlavných nosičov náboja vstreknutých emitorom. Hlavná časť týchto nosičov náboja dosahujúca kolektor vytvára kolektorový prúd Ik. Malá časť nosičov náboja vstreknutých do základne sa v základni rekombinuje a vytvára základný prúd IB. Následne sa emitorový prúd rozdelí na bázový a kolektorový prúd, t.j. IE = IB + Ik.

Emitorový prúd je vstupný prúd, kolektorový prúd je výstupný prúd. Výstupný prúd je súčasťou vstupného prúdu, t.j.

(4.1)

kde a je koeficient prenosu prúdu pre obvod OB;

Pretože výstupný prúd je menší ako vstupný prúd, koeficient a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

V obvode so spoločným emitorom je výstupný prúd kolektorový prúd a vstupný prúd je základný prúd. Aktuálny zisk pre obvod OE:

(4.2) (4.3)

V dôsledku toho je prúdový zisk pre obvod OE desiatky jednotiek.

Výstupný prúd tranzistora závisí od vstupného prúdu. Preto je tranzistor prúdovo riadené zariadenie.

Zmeny prúdu emitora spôsobené zmenami napätia prechodu emitora sa úplne prenesú do kolektorového obvodu, čo spôsobí zmenu kolektorového prúdu. A preto Napätie kolektorového zdroja Ek je výrazne väčšie ako emitor Ee, potom výkon spotrebovaný v kolektorovom obvode Pk bude podstatne väčší ako výkon v emitorovom obvode Re. Tak je možné riadiť vysoký výkon v kolektorovom obvode tranzistora s nízkym výkonom vynaloženým v emitorovom obvode, t.j. dochádza k zvýšeniu výkonu.

4.2 Obvody na pripojenie bipolárnych tranzistorov

Tranzistor je zapojený do elektrického obvodu tak, že jedna z jeho svoriek (elektróda) ​​je vstupná, druhá je výstupná a tretia je spoločná pre vstupné a výstupné obvody. V závislosti od toho, ktorá elektróda je spoločná, existujú tri spínacie obvody tranzistorov: OB, OE a OK. Tieto obvody pre pnp tranzistor sú znázornené na obr. 4.3. Pre n-p-n tranzistor v spínacích obvodoch sa mení iba polarita napätí a smer prúdov. Pre každý tranzistorový spínací obvod (v aktívnom režime) musí byť polarita napájacích zdrojov zvolená tak, aby bol emitorový prechod zapnutý v smere dopredu a kolektorový prechod v opačnom smere.

Obrázok 4.3 – Zapojenie pre bipolárne tranzistory: a) OB; b) OE; c) OK

4.3 Statické charakteristiky bipolárnych tranzistorov

Statický režim činnosti tranzistora je režim, keď vo výstupnom obvode nie je žiadna záťaž.

Statické charakteristiky tranzistorov sú graficky vyjadrené závislosti napätia a prúdu vstupného obvodu (vstupné prúdovo-napäťové charakteristiky) a výstupného obvodu (výstupné prúdovo-napäťové charakteristiky). Typ charakteristík závisí od spôsobu zapínania tranzistora.

4.3.1 Charakteristika tranzistora zapojeného podľa obvodu OB

Vstupnou charakteristikou je závislosť:

IE = f(UEB) s UKB = const (obr. 4.4, a).

Výstupná charakteristika je závislosť:

IK = f(UKB) s IE = const (obr. 4.4, b).

Obrázok 4.4 – Statická charakteristika bipolárneho tranzistora zapojeného podľa obvodu OB

Výstupné prúdovo-napäťové charakteristiky majú tri charakteristické oblasti: 1 – silná závislosť Ik od UKB (nelineárna počiatočná oblasť); 2 – slabá závislosť Ik od UKB (lineárny región); 3 – rozpad kolektorovej križovatky.

Názov tranzistora polovodičového zariadenia je tvorený dvoma slovami: transfer - transfer+ odolať - odpor. Pretože to môže byť skutočne reprezentované vo forme nejakého odporu, ktorý bude regulovaný napätím jednej elektródy. Tranzistor sa niekedy nazýva aj polovodičová trióda.

Prvý bipolárny tranzistor bol vytvorený v roku 1947 a v roku 1956 bola trom vedcom za jeho vynález udelená Nobelova cena za fyziku.

Bipolárny tranzistor je polovodičové zariadenie, ktoré pozostáva z troch polovodičov so striedajúcimi sa typmi vodivosti nečistôt. Elektróda je pripojená a vyvedená do každej vrstvy. Bipolárny tranzistor využíva súčasne náboje, ktorých nosičmi sú elektróny ( n - „negatívne“) a diery (p – „pozitívne “), to znamená nosiče dvoch typov, a preto sa vytvorila predpona názvu „bi“ - dva.

Tranzistory sa líšia typom striedania vrstiev:

P n p -tranzistor (priame vedenie);

Npn- tranzistor (reverzné vedenie).

Základňa (B) je elektróda, ktorá je pripojená k centrálnej vrstve bipolárneho tranzistora. Elektródy z vonkajších vrstiev sa nazývajú emitor (E) a kolektor (K).

Obrázok 1 – Návrh bipolárneho tranzistora

Diagramy označujú „ VT “, v starej ruskej dokumentácii nájdete označenia „T“, „PP“ a „PT“. Bipolárne tranzistory sú zobrazené na elektrických obvodoch v závislosti od striedania polovodičovej vodivosti takto:

Obrázok 2 – Označenie bipolárnych tranzistorov

Na obrázku 1 vyššie nie je vidieť rozdiel medzi kolektorom a žiaričom. Ak sa pozriete na zjednodušené znázornenie prierezu tranzistora, môžete vidieť, že oblasť p-n Prechod kolektora je väčší ako prechod emitora.

Obrázok 3 – Prierez tranzistorom

Základňa je vyrobená z polovodiča so slabou vodivosťou, to znamená, že odolnosť materiálu je vysoká. Predpokladom je tenká základná vrstva pre vznik tranzistorového efektu. Od oblasti kontaktu p-n Pretože sú spoje kolektora a emitora odlišné, polaritu pripojenia nie je možné zmeniť. Táto charakteristika klasifikuje tranzistor ako asymetrické zariadenie.

Bipolárny tranzistor má dve charakteristiky prúdového napätia (voltampérové ​​charakteristiky): vstup a výstup.

Charakteristika vstupného prúdu a napätia je závislosť základného prúdu ( ja B ) od napätia bázy-emitor ( U BE).

Obrázok 4 – Vstupná prúdovo-napäťová charakteristika bipolárneho tranzistora

Charakteristika výstupného prúdu a napätia je závislosť kolektorového prúdu ( ja K ) od napätia kolektor-emitor ( U KE).

Obrázok 5 – Výstupná prúdovo-napäťová charakteristika tranzistora

Pozrime sa na princíp fungovania bipolárneho tranzistora typ npn, pre pnp podobne, len sa neuvažujú o elektrónoch, ale o dierach.Tranzistor má dva p-n prechody. V aktívnom prevádzkovom režime je jeden z nich spojený s predpätím vpred a druhý so spätným predpätím. Keď je EB prechod otvorený, elektróny z žiariča sa ľahko presunú do bázy (dochádza k rekombinácii). Ale, ako už bolo spomenuté, základná vrstva je tenká a jej vodivosť je nízka, takže niektoré elektróny majú čas prejsť na spojenie základňa-kolektor. Elektrické pole pomáha prekonať (posilňuje) bariéru prechodu vrstiev, pretože elektróny sú tu menšinovými nosičmi. Keď sa prúd bázy zvýši, spojenie medzi emitorom a bázou sa bude otvárať viac a viac elektrónov bude môcť prúdiť z emitora do kolektora. Kolektorový prúd je úmerný základnému prúdu a pri jeho malej zmene (regulácia) sa kolektorový prúd výrazne mení. Takto dochádza k zosilneniu signálu v bipolárnom tranzistore.

Obrázok 6 – Aktívny režim činnosti tranzistora

Pri pohľade na obrázok môžete vysvetliť princíp činnosti tranzistora trochu jednoduchšie. Predstavte si, že KE je vodovodná fajka a B je kohútik, pomocou ktorého môžete ovládať prietok vody. To znamená, že čím väčší prúd aplikujete na základňu, tým viac dostanete na výstupe.

Hodnota kolektorového prúdu sa takmer rovná prúdu emitora, s výnimkou rekombinačných strát v báze, ktorá tvorí základný prúd, takže platí vzorec:

I E = I B + I K.

Základné parametre tranzistora:

Prúdové zosilnenie je pomer efektívnej hodnoty kolektorového prúdu k základnému prúdu.

Vstupný odpor - podľa Ohmovho zákona sa bude rovnať pomeru napätia emitor-základňa U EB na ovládanie prúdu I B.

Zosilnenie napätia – parameter je určený pomerom výstupného napätia U EC na vstup U BE.

Frekvenčná charakteristika popisuje schopnosť tranzistora pracovať až do určitej limitnej frekvencie vstupného signálu. Po prekročení maximálnej frekvencie sa fyzikálne procesy v tranzistore nestihnú prejaviť a jeho zosilňovacie schopnosti sa zredukujú na nič.

Spínacie obvody pre bipolárne tranzistory

Na pripojenie tranzistora sú nám k dispozícii iba jeho tri vývody (elektródy). Preto sú pre jeho normálnu prevádzku potrebné dva zdroje energie. Jedna elektróda tranzistora sa pripojí k dvom zdrojom súčasne. V dôsledku toho existujú 3 schémy zapojenia pre bipolárny tranzistor: OE - so spoločným emitorom, OB - spoločná báza, OK - spoločný kolektor. Každý má výhody aj nevýhody v závislosti od aplikácie a požadovaných charakteristík, výber spojenia sa vykonáva.

Spojovací obvod so spoločným emitorom (CE) sa vyznačuje najväčším zosilnením prúdu, respektíve napätia a výkonu. Pri tomto zapojení sa výstupné striedavé napätie posunie o 180 elektrických stupňov vzhľadom na vstup. Hlavnou nevýhodou je nízka frekvenčná odozva, teda nízka hodnota medznej frekvencie, ktorá neumožňuje použitie s vysokofrekvenčným vstupným signálom.

(OB) poskytuje vynikajúcu frekvenčnú odozvu. Neposkytuje ale také veľké zosilnenie napätia signálu ako pri OE. Ale zosilnenie prúdu sa vôbec nevyskytuje, takže tento obvod sa často nazýva sledovač prúdu, pretože má vlastnosť stabilizácie prúdu.

Obvod so spoločným kolektorom (CC) má takmer rovnaké prúdové zosilnenie ako pri OE, ale napäťové zosilnenie je takmer rovné 1 (o niečo menšie). Posun napätia nie je typický pre túto schému zapojenia. Nazývam to aj sledovač emitora, pretože výstupné napätie ( U EB ) zodpovedajú vstupnému napätiu.

Aplikácia tranzistorov:

Zosilňovacie obvody;

Generátory signálu;

Elektronické kľúče.

TÉMA 4. BIPOLÁRNE TRANSISTORY

4.1 Konštrukcia a princíp činnosti

Bipolárny tranzistor je polovodičové zariadenie pozostávajúce z troch oblastí so striedajúcimi sa typmi elektrickej vodivosti a je vhodné na zosilnenie výkonu.

V súčasnosti vyrábané bipolárne tranzistory možno klasifikovať podľa nasledujúcich kritérií:

Podľa materiálu: germánium a kremík;

Podľa typu vodivosti oblastí: typy p-n-p a n-p-n;

Podľa výkonu: nízky (Pmax £ 0,3 W), stredný (Pmax £ 1,5 W) a vysoký výkon (Pmax > 1,5 W);

Podľa frekvencie: nízka frekvencia, stredná frekvencia, vysoká frekvencia a mikrovlnná rúra.

V bipolárnych tranzistoroch je prúd určený pohybom nosičov náboja dvoch typov: elektrónov a dier (alebo väčšiny a menšiny). Odtiaľ pochádza ich názov - bipolárne.

V súčasnosti sa vyrábajú a používajú iba tranzistory s planárnymi p-n prechodmi.

Štruktúra planárneho bipolárneho tranzistora je schematicky znázornená na obr. 4.1.

Je to platňa z germánia alebo kremíka, v ktorej sú vytvorené tri oblasti s rôznou elektrickou vodivosťou. V tranzistore n-p-n má stredná oblasť dieru a vonkajšie oblasti majú elektronickú vodivosť.

Tranzistory typu pnp majú strednú oblasť s elektronickou vodivosťou a vonkajšie oblasti s dierovou elektrickou vodivosťou.

Stredná oblasť tranzistora sa nazýva báza, jedna krajná oblasť je emitor a druhá je kolektor. Tranzistor má teda dva p-n prechody: emitor - medzi emitorom a základňou a kolektor - medzi základňou a kolektorom. Plocha prechodu emitora je menšia ako plocha prechodu kolektora.

Emitor je oblasť tranzistora, ktorej účelom je vstreknúť nosiče náboja do bázy. Kolektor je oblasť, ktorej účelom je extrahovať nosiče náboja zo základne. Základňa je oblasť, do ktorej žiarič vstrekuje nosiče náboja, ktoré nie sú pre túto oblasť väčšinové.

Koncentrácia hlavných nosičov náboja v žiariči je mnohonásobne väčšia ako koncentrácia hlavných nosičov náboja v báze a ich koncentrácia v kolektore je o niečo menšia ako koncentrácia v žiariči. Preto je vodivosť emitora o niekoľko rádov vyššia ako základná vodivosť a vodivosť kolektora je o niečo menšia ako vodivosť emitora.

Závery sú vyvodené zo základne, žiariča a kolektora. V závislosti od toho, ktorá zo svoriek je spoločná pre vstupné a výstupné obvody, existujú tri obvody na pripojenie tranzistora: so spoločnou bázou (CB), spoločným emitorom (CE) a spoločným kolektorom (CC).

Vstupný alebo riadiaci obvod slúži na riadenie činnosti tranzistora. Vo výstupnom alebo riadenom obvode sa získajú zosilnené oscilácie. Zdroj zosilnených kmitov je zahrnutý vo vstupnom obvode a záťaž je pripojená k výstupnému obvodu.

Uvažujme o princípe činnosti tranzistora na príklade tranzistora typu pnp zapojeného podľa obvodu so spoločnou bázou (obr. 4.2).

Obrázok 4.2 – Princíp činnosti bipolárneho tranzistora (typ pnp)

Vonkajšie napätia dvoch zdrojov energie EE a Ek sú pripojené k tranzistoru tak, že emitorový prechod P1 je predpätý v priepustnom smere (napätie vpred) a kolektorový prechod P2 je predpätý v opačnom smere (spätné napätie). .

Ak je na prechod kolektora privedené spätné napätie a obvod emitora je otvorený, potom v obvode kolektora preteká malý spätný prúd Iko (jednotky mikroampérov). Tento prúd vzniká vplyvom spätného napätia a vzniká smerovým pohybom menšinových nosičov náboja, základných otvorov a kolektorových elektrónov cez kolektorový prechod. Obvodom preteká spätný prúd: +Ek, základňa-kolektor, -Ek. Veľkosť spätného kolektorového prúdu nezávisí od kolektorového napätia, ale závisí od teploty polovodiča.

Keď je do emitorového obvodu v priepustnom smere pripojené konštantné napätie EE, potenciálna bariéra emitorového prechodu klesá. Začína sa vstrekovanie otvorov do základne.

Vonkajšie napätie aplikované na tranzistor sa ukazuje byť aplikované hlavne na prechody P1 a P2, pretože majú vysoký odpor v porovnaní s odporom oblasti bázy, emitora a kolektora. Preto sa otvory vstrekované do základne pohybujú cez ňu difúziou. V tomto prípade sa otvory rekombinujú s elektrónmi bázy. Keďže koncentrácia nosiča v základni je oveľa nižšia ako v žiariči, rekombinuje sa len veľmi málo otvorov. Pri malej hrúbke základne takmer všetky otvory dosiahnu spoj kolektora P2. Namiesto rekombinovaných elektrónov vstupujú do bázy elektróny zo zdroja energie Ek. Diery, ktoré sa rekombinujú s elektrónmi v základni, vytvárajú základný prúd IB.

Pod vplyvom spätného napätia Ek sa potenciálna bariéra kolektorového prechodu zväčšuje a hrúbka prechodu P2 sa zväčšuje. Potenciálna bariéra kolektorovej križovatky však nebráni priechodu otvorov cez ňu. Otvory vstupujúce do oblasti kolektorového prechodu spadajú do silného urýchľovacieho poľa vytvoreného na prechode kolektorovým napätím a sú vyťahované (sťahované) kolektorom, čím vzniká kolektorový prúd Ik. Kolektorový prúd preteká obvodom: +Ek, základňa-kolektor, -Ek.

V tranzistore teda tečú tri prúdy: emitor, kolektor a prúd bázy.

V drôte, ktorý je základnou svorkou, prúdy emitoru a kolektora smerujú v opačných smeroch. Preto sa základný prúd rovná rozdielu medzi emitorovým a kolektorovým prúdom: IB = IE - IK.

Fyzikálne procesy v tranzistore n-p-n prebiehajú podobne ako procesy v tranzistore p-n-p.

Celkový prúd IE emitora je určený počtom hlavných nosičov náboja vstreknutých emitorom. Hlavná časť týchto nosičov náboja dosahujúca kolektor vytvára kolektorový prúd Ik. Malá časť nosičov náboja vstreknutých do základne sa v základni rekombinuje a vytvára základný prúd IB. Následne sa emitorový prúd rozdelí na bázový a kolektorový prúd, t.j. IE = IB + Ik.

Emitorový prúd je vstupný prúd, kolektorový prúd je výstupný prúd. Výstupný prúd je súčasťou vstupného prúdu, t.j.

kde a je koeficient prenosu prúdu pre obvod OB;

Pretože výstupný prúd je menší ako vstupný prúd, koeficient a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

V obvode so spoločným emitorom je výstupný prúd kolektorový prúd a vstupný prúd je základný prúd. Aktuálny zisk pre obvod OE:

(4.3)

V dôsledku toho je prúdový zisk pre obvod OE desiatky jednotiek.

Výstupný prúd tranzistora závisí od vstupného prúdu. Preto je tranzistor prúdovo riadené zariadenie.

Zmeny prúdu emitora spôsobené zmenami napätia prechodu emitora sa úplne prenesú do kolektorového obvodu, čo spôsobí zmenu kolektorového prúdu. A preto Napätie kolektorového zdroja Ek je výrazne väčšie ako emitor Ee, potom výkon spotrebovaný v kolektorovom obvode Pk bude podstatne väčší ako výkon v emitorovom obvode Re. Tak je možné riadiť vysoký výkon v kolektorovom obvode tranzistora s nízkym výkonom vynaloženým v emitorovom obvode, t.j. dochádza k zvýšeniu výkonu.

4.2 Obvody na pripojenie bipolárnych tranzistorov

Tranzistor je zapojený do elektrického obvodu tak, že jedna z jeho svoriek (elektróda) ​​je vstupná, druhá je výstupná a tretia je spoločná pre vstupné a výstupné obvody. V závislosti od toho, ktorá elektróda je spoločná, existujú tri spínacie obvody tranzistorov: OB, OE a OK. Tieto obvody pre pnp tranzistor sú znázornené na obr. 4.3. Pre n-p-n tranzistor v spínacích obvodoch sa mení iba polarita napätí a smer prúdov. Pre každý tranzistorový spínací obvod (v aktívnom režime) musí byť polarita napájacích zdrojov zvolená tak, aby bol emitorový prechod zapnutý v smere dopredu a kolektorový prechod v opačnom smere.

Obrázok 4.3 – Zapojenie pre bipolárne tranzistory: a) OB; b) OE; c) OK

4.3 Statické charakteristiky bipolárnych tranzistorov

Statický režim činnosti tranzistora je režim, keď vo výstupnom obvode nie je žiadna záťaž.

Statické charakteristiky tranzistorov sú graficky vyjadrené závislosti napätia a prúdu vstupného obvodu (vstupné prúdovo-napäťové charakteristiky) a výstupného obvodu (výstupné prúdovo-napäťové charakteristiky). Typ charakteristík závisí od spôsobu zapínania tranzistora.

4.3.1 Charakteristika tranzistora zapojeného podľa obvodu OB

IE = f(UEB) s UKB = const (obr. 4.4, a).

IK = f(UKB) s IE = const (obr. 4.4, b).

Obrázok 4.4 – Statická charakteristika bipolárneho tranzistora zapojeného podľa obvodu OB

Výstupné prúdovo-napäťové charakteristiky majú tri charakteristické oblasti: 1 – silná závislosť Ik od UKB (nelineárna počiatočná oblasť); 2 – slabá závislosť Ik od UKB (lineárny región); 3 – rozpad kolektorovej križovatky.

Charakteristickým znakom charakteristík v oblasti 2 je ich mierny nárast so zvyšujúcim sa napätím UKB.

4.3.2 Charakteristika tranzistora zapojeného podľa OE obvodu:

Vstupnou charakteristikou je závislosť:

IB = f(UBE) s UKE = const (obr. 4.5, b).

Výstupná charakteristika je závislosť:

IK = f(UKE) s IB = const (obr. 4.5, a).

Obrázok 4.5 – Statická charakteristika bipolárneho tranzistora zapojeného podľa OE obvodu

Tranzistor v OE obvode zabezpečuje zosilnenie prúdu. Prúdové zosilnenie v obvode OE: Ak je koeficient a pre tranzistory a = 0,9¸0,99, potom koeficient b = 9¸99. Toto je najdôležitejšia výhoda spínania tranzistora podľa obvodu OE, ktorá najmä predurčuje širšie praktické uplatnenie tohto spínacieho obvodu v porovnaní s obvodom OB.

Z princípu činnosti tranzistora je známe, že cez svorku bázy tečú dve zložky prúdu v opačnom smere (obr. 4.6): spätný prúd kolektorového prechodu IKO a časť prúdu emitora (1 - a). IE. V tomto smere je nulová hodnota základného prúdu (IB = 0) určená rovnosťou špecifikovaných zložiek prúdu, t.j. (1 − a)IE = IKO. Nulový vstupný prúd zodpovedá prúdu emitora IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO a prúdu kolektora. Inými slovami, pri nulovom základnom prúde (IB = 0) preteká tranzistorom v obvode OE prúd, nazývaný počiatočný alebo priechodný prúd IKO(E) a rovný (1+ b) IKO.

Obrázok 4.6 – Zapojenie pre tranzistor so spoločným emitorom (OE obvod)

4.4 Základné parametre

Na analýzu a výpočet obvodov s bipolárnymi tranzistormi sa používajú tzv. h - parametre tranzistora zapojeného podľa OE obvodu.

Elektrický stav tranzistora zapojeného podľa obvodu OE je charakterizovaný hodnotami IB, IBE, IK, UKE.

Systém h − parametrov zahŕňa tieto veličiny:

1. Vstupná impedancia

h11 = DU1/DI1 pri U2 = konšt. (4.4)

predstavuje odpor tranzistora voči striedavému vstupnému prúdu, pri ktorom dôjde ku skratu na výstupe, t.j. pri absencii výstupného striedavého napätia.

2. Koeficient spätnej väzby napätia:

h12 = DU1/DU2at I1= konšt. (4,5)

ukazuje, aký podiel vstupného striedavého napätia sa prenesie na vstup tranzistora v dôsledku spätnej väzby v ňom.

3. Súčiniteľ súčasnej sily (súčiniteľ prenosu prúdu):

h21 = DI2/DI1at U2= konšt. (4.6)

ukazuje zosilnenie striedavého prúdu tranzistorom v režime naprázdno.

4. Výstupná vodivosť:

h22 = DI2/DU2 pri I1 = konšt. (4.7)

predstavuje vodivosť pre striedavý prúd medzi výstupnými svorkami tranzistora.

Výstupný odpor Rout = 1/h22.

Pre obvod so spoločným emitorom platia nasledujúce rovnice:

(4.8)

Aby sa zabránilo prehriatiu kolektorovej križovatky, je potrebné, aby sila uvoľnená v nej pri prechode kolektorového prúdu neprekročila určitú maximálnu hodnotu:

(4.9)

Okrem toho existujú obmedzenia kolektorového napätia:

a kolektorový prúd:

4.5 Prevádzkové režimy bipolárnych tranzistorov

Tranzistor môže pracovať v troch režimoch v závislosti od napätia na jeho prechodoch. Pri prevádzke v aktívnom režime je napätie na prechode emitora priame a na prechode kolektora je opačné.

Režim odpojenia alebo blokovania sa dosiahne privedením spätného napätia na oba prechody (oba p-n prechody sú uzavreté).

Ak je napätie na oboch prechodoch priame (oba p-n prechody sú otvorené), potom tranzistor pracuje v režime saturácie.

V režime cutoff a režime saturácie neexistuje takmer žiadna kontrola tranzistora. V aktívnom režime sa takéto riadenie vykonáva najefektívnejšie a tranzistor môže vykonávať funkcie aktívneho prvku elektrického obvodu (zosilnenie, generovanie atď.).

4.6 Rozsah pôsobnosti

Bipolárne tranzistory sú polovodičové zariadenia na univerzálne účely a sú široko používané v rôznych zosilňovačoch, generátoroch, impulzných a spínacích zariadeniach.

4.7 Najjednoduchší zosilňovací stupeň využívajúci bipolárny tranzistor

Najpoužívanejším obvodom je spínanie tranzistora podľa obvodu so spoločným emitorom (obr. 4.7)

Hlavnými prvkami obvodu sú napájací zdroj Ek, riadený prvok - tranzistor VT a odpor Rk. Tieto prvky tvoria hlavný (výstupný) obvod zosilňovacieho stupňa, v ktorom v dôsledku toku riadeného prúdu vzniká na výstupe obvodu zosilnené striedavé napätie.

Zvyšné prvky zohrávajú podpornú úlohu. Kondenzátor Cp je separačný kondenzátor. Pri absencii tohto kondenzátora v obvode zdroja vstupného signálu by sa vytvoril jednosmerný prúd zo zdroja Ek.

Obrázok 4.7 – Schéma najjednoduchšieho zosilňovacieho stupňa na bipolárnom tranzistore podľa obvodu so spoločným emitorom

Rezistor RB, zapojený do základného obvodu, zabezpečuje činnosť tranzistora v pokojovom režime, t.j. pri absencii vstupného signálu. Pokojový režim je zabezpečený kľudovým základným prúdom IB » Ek/RB.

Pomocou rezistora Rk sa vytvorí výstupné napätie, t.j. Rk vykonáva funkciu vytvárania meniaceho sa napätia vo výstupnom obvode v dôsledku toku prúdu v ňom, riadeného cez základný obvod.

Pre kolektorový obvod zosilňovacieho stupňa môžeme napísať nasledujúcu rovnicu elektrického stavu:

Ek = Uke + IkRk, (4,10)

to znamená, že súčet poklesu napätia na rezistore Rk a napätia kolektor-emitor Uke tranzistora sa vždy rovná konštantnej hodnote - emf zdroja Ek.

Proces zosilnenia je založený na premene energie zdroja konštantného napätia Ek na energiu striedavého napätia vo výstupnom obvode zmenou odporu riadeného prvku (tranzistora) podľa zákona určeného vstupným signálom.

Keď sa na vstup zosilňovacieho stupňa privedie striedavé napätie uin, v základnom obvode tranzistora sa vytvorí striedavá zložka prúdu IB~, čo znamená, že sa zmení základný prúd. Zmena základného prúdu vedie k zmene hodnoty kolektorového prúdu (IK = bIB), a tým k zmene hodnôt napätia na odpore Rk a Uke. Zosilňovacie schopnosti sú spôsobené tým, že zmena hodnôt kolektorového prúdu je b-krát väčšia ako základný prúd.

4.8 Výpočet elektrických obvodov s bipolárnymi tranzistormi

Pre kolektorový obvod zosilňovacieho stupňa (obr. 4.7) v súlade s druhým Kirchhoffovým zákonom platí rovnica (4.10).

Voltampérová charakteristika kolektorového odporu RK je lineárna a voltampérová charakteristika tranzistora sú nelineárne kolektorové charakteristiky tranzistora (obr. 4.5, a) zapojeného podľa obvodu OE.

Výpočet takéhoto nelineárneho obvodu, to znamená určenie IK, URK a UKE pre rôzne hodnoty základných prúdov IB a odporu odporu RK, je možné vykonať graficky. Na tento účel je potrebné na skupine charakteristík kolektora (obr. 4.5, a) nakresliť z bodu EK na vodorovnej osi voltampérovú charakteristiku odporu RK, ktorá spĺňa rovnicu:

Uke = Ek − RkIk. (4.11)

Táto charakteristika je postavená na dvoch bodoch:

Uke = Ek s Ik = 0 na osi x a Ik = Ek/Rk s Uke = 0 na zvislej osi. I-V charakteristika takto skonštruovaného kolektorového odporu Rk sa nazýva záťažová čiara. Body, kde sa pretína s charakteristikou kolektora, poskytujú grafické riešenie rovnice (4.11) pre daný odpor Rk a rôzne hodnoty základného prúdu IB. Z týchto bodov môžete určiť kolektorový prúd Ik, ktorý je rovnaký pre tranzistor a rezistor Rk, ako aj napätie UKE a URK.

Priesečník záťažovej čiary s jednou zo statických charakteristík prúd-napätie sa nazýva pracovný bod tranzistora. Zmenou IB ho môžete posúvať pozdĺž čiary zaťaženia. Počiatočná poloha tohto bodu pri absencii vstupného striedavého signálu sa nazýva pokojový bod - T0.

a) b)

Obrázok 4.8 – Graficko-analytický výpočet pracovného režimu tranzistora pomocou výstupných a vstupných charakteristík.

Pokojový bod (pracovný bod) T0 určuje aktuálny ICP a napätie UCP v pokojovom režime. Pomocou týchto hodnôt môžete nájsť výkon RKP uvoľnený v tranzistore v pokojovom režime, ktorý by nemal prekročiť maximálny výkon RK max, čo je jeden z parametrov tranzistora:

RKP = IKP ×UKEP € RK max. (4.12)

Referenčné knihy zvyčajne neposkytujú skupinu vstupných charakteristík, ale iba charakteristiky pre UKE = 0 a pre niektoré UKE > 0.

Vstupné charakteristiky pre rôzne UCE presahujúce 1V sú umiestnené veľmi blízko seba. Preto je možné výpočet vstupných prúdov a napätí približne vykonať pomocou vstupnej charakteristiky pre UCE > 0, prevzatej z referenčnej knihy.

Do tejto krivky sa prenesú body A, To a B výstupnej prevádzkovej charakteristiky a získajú sa body A1, T1 a B1 (obr. 4.8, b). Pracovný bod T1 určuje konštantné základné napätie UBES a konštantný základný prúd IUPS.

Odpor odporu RB (zabezpečuje činnosť tranzistora v pokojovom režime), cez ktorý bude zo zdroja EK do základne privádzané konštantné napätie:

(4.13)

V aktívnom (zosilňovacom) režime sa pokojový bod tranzistora To nachádza približne v strede úseku siločiaru AB a pracovný bod nepresahuje úsek AB.