Transistor bipolari: circuiti, modalità, modellazione

Il transistor è apparso nel 1948 (1947), grazie al lavoro di tre ingegneri e Shockley, Bradstein, Bardin. A quei tempi, il loro rapido sviluppo e divulgazione non erano ancora previsti. Nell'Unione Sovietica nel 1949, il prototipo del transistor fu presentato al mondo scientifico dal laboratorio Krasilov, era il triodo C1-C4 (germanio). Il termine transistor è apparso in seguito, negli anni '50 o '60.

Tuttavia, hanno trovato un uso diffuso tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70, quando arrivarono di moda le radio portatili. A proposito, sono stati a lungo chiamati "transistor". Questo nome rimase bloccato dal fatto che sostituirono i tubi elettronici con elementi a semiconduttore, causando una rivoluzione nell'ingegneria radio.

Che cos'è un semiconduttore?

I transistor sono realizzati con materiali semiconduttori, ad esempio il silicio, il germanio era precedentemente popolare, ma ora si trova raramente, a causa del suo costo elevato e dei parametri peggiori, in termini di temperatura e altre cose.

I semiconduttori sono materiali che occupano un posto tra conduttori e dielettrici nella conducibilità. La loro resistenza è un milione di volte maggiore dei conduttori e centinaia di milioni di volte inferiore ai dielettrici. Inoltre, affinché la corrente fluisca attraverso di essi, è necessario applicare una tensione che superi il gap di banda in modo che i portatori di carica passino dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

I conduttori della zona proibita non sono presenti come tali. Un vettore di carica (elettrone) può spostarsi nella banda di conduzione non solo sotto l'influenza della tensione esterna, ma anche dal calore - questo si chiama corrente termica. La corrente causata dall'irradiazione del flusso luminoso del semiconduttore è chiamata fotocorrente. Fotoresistori, fotodiodi e altri elementi fotosensibili lavorano su questo principio.

Per confronto, guarda quelli nei dielettrici e conduttori:

Abbastanza ovvio. I diagrammi mostrano che i dielettrici possono ancora condurre corrente, ma ciò accade dopo aver superato la zona proibita. In pratica, questo si chiama tensione di rottura dielettrica.

Quindi, la differenza tra le strutture di germanio e silicio è che per il germanio il gap di banda è dell'ordine di 0,3 eV (volt di elettroni) e quello del silicio è più di 0,6 eV. Da un lato, ciò provoca maggiori perdite, ma l'uso del silicio è dovuto a fattori tecnologici ed economici.

Come risultato del doping, un semiconduttore riceve ulteriori portatori di carica positivi (buchi) o negativi (elettroni), questo è chiamato un semiconduttore di tipo p o n. Potresti aver sentito la frase "pn junction". Quindi questo è il confine tra semiconduttori di diversi tipi. Come risultato del movimento delle cariche, la formazione di particelle ionizzate di ogni tipo di impurità al semiconduttore principale, si forma una potenziale barriera, non consente alla corrente di fluire in entrambe le direzioni, più questo è descritto nel libro "Il transistor è facile.".

L'introduzione di ulteriori portatori di carica (doping di semiconduttori) ha permesso di creare dispositivi a semiconduttore: diodi, transistor, tiristori, ecc. L'esempio più semplice è un diodo, il cui funzionamento abbiamo esaminato nell'articolo precedente.

Se si applica una tensione con polarizzazione diretta, ad es. Scorrerò positivamente nella regione p e la corrente negativa fluirà nella regione n e viceversa la corrente non scorrerà. Il fatto è che con la polarizzazione diretta, i principali portatori di carica della regione p (buca) sono positivi e si respingono dal potenziale positivo della fonte di alimentazione, tendono alla regione con un potenziale più negativo.

Allo stesso tempo, i vettori negativi della regione n si respingono dal polo negativo della fonte di alimentazione. Entrambi i gestori tendono all'interfaccia (giunzione pn).La transizione si restringe e i portatori superano la potenziale barriera, spostandosi in aree con cariche opposte, dove si ricombinano con loro ...

Se viene applicata una tensione di polarizzazione inversa, i portatori positivi della regione p si spostano verso l'elettrodo negativo della fonte di alimentazione e gli elettroni della regione n si spostano verso l'elettrodo positivo. La transizione si espande, la corrente non scorre.

Se non si entra nei dettagli, questo è sufficiente per comprendere i processi che si svolgono in un semiconduttore.

Designazione grafica condizionale del transistor

Nella Federazione Russa, una tale designazione di transistor è adottata come vedi nella foto qui sotto. Il collettore è senza una freccia, l'emettitore è con una freccia e la base è perpendicolare alla linea tra l'emettitore e il collettore. La freccia sull'emettitore indica la direzione del flusso corrente (da più a meno). Per la struttura NPN, la freccia dell'emettitore è diretta dalla base e per il PNP è diretta alla base.

Inoltre, la stessa designazione si trova spesso negli schemi, ma senza un cerchio. La designazione di lettera standard è "VT" e il numero in ordine sul diagramma, a volte semplicemente scrivono "T".

 

Immagine di transistor senza cerchio

Che cos'è un transistor?

Un transistor è un dispositivo a semiconduttore attivo progettato per amplificare un segnale e generare oscillazioni. Ha sostituito i tubi del vuoto - triodi. I transistor di solito hanno tre gambe: un collettore, un emettitore e una base. La base è l'elettrodo di controllo, che fornisce corrente ad esso, controlliamo la corrente del collettore. Pertanto, con l'aiuto di una piccola corrente di base, regoliamo grandi correnti nel circuito di potenza e il segnale viene amplificato.

I transistor bipolari sono diretti in avanti (PNP) e conduttività inversa (NPN). La loro struttura è rappresentata di seguito. Tipicamente, la base occupa un volume più piccolo del cristallo semiconduttore.

caratteristiche

Le principali caratteristiche dei transistor bipolari:

• Ic - corrente massima del collettore (non può essere superiore - brucerà);

• Ucemax - massima tensione che può essere applicata tra il collettore e l'emettitore (è impossibile sopra - si romperà);

• Ucesat è la tensione di saturazione del transistor. Caduta di tensione in modalità saturazione (minore è, minori sono le perdite nello stato aperto e nel riscaldamento);

• Β o H21E - guadagno del transistor, uguale a Ik / Ib. Dipende dal modello di transistor. Ad esempio, con un guadagno di 100, a una corrente attraverso la base di 1 mA, una corrente di 100 mA scorrerà attraverso il collettore, ecc.

Vale la pena dire delle correnti a transistor, ce ne sono tre:

1. La corrente di base.

2. Corrente del collettore.

3. Corrente dell'emettitore: contiene la corrente di base e la corrente dell'emettitore.

Molto spesso, la corrente dell'emettitore diminuisce perché quasi non differisce dalla corrente del collettore in grandezza. L'unica differenza è che la corrente del collettore è inferiore alla corrente dell'emettitore per il valore della corrente di base e da allora i transistor hanno un alto guadagno (diciamo 100), quindi a una corrente di 1A attraverso l'emettitore, 10mA scorreranno attraverso la base e 990mA attraverso il collettore. D'accordo, questa è una differenza abbastanza piccola da dedicare del tempo allo studio dell'elettronica. Pertanto, nelle caratteristiche e indicato Icmax.

Modalità operative

Il transistor può funzionare in diverse modalità:

1. Modalità di saturazione. In parole semplici, questa è la modalità in cui il transistor è nello stato di massima apertura (entrambe le transizioni sono polarizzate in avanti).

2. La modalità di taglio è quando la corrente non scorre e il transistor è chiuso (entrambe le transizioni sono polarizzate nella direzione opposta).

3. Modalità attiva (la base del collettore è polarizzata nella direzione opposta e la base dell'emettitore è polarizzata nella direzione in avanti).

4. Modalità attiva inversa (la base del collettore è polarizzata nella direzione in avanti e la base dell'emettitore è polarizzata nella direzione opposta), ma viene utilizzata raramente.

Tipici circuiti di commutazione a transistor

Esistono tre circuiti di commutazione a transistor tipici:

1. La base generale.

2. Emettitore generale.

3. Il collezionista comune.

Il circuito di ingresso è considerato la base dell'emettitore e il circuito di uscita è l'emettitore-collettore. Considerando che la corrente di ingresso è la corrente di base e l'uscita è la corrente del collettore, rispettivamente.

A seconda del circuito di commutazione, amplificiamo la corrente o la tensione.Nei libri di testo è consuetudine considerare tali schemi di inclusione, ma in pratica non sembrano così evidenti.

Vale la pena notare che quando collegati a un circuito con un collettore comune, amplificiamo la corrente e otteniamo la tensione in fase (uguale all'input nella polarità) all'ingresso e all'uscita e nel circuito con un emettitore comune, otteniamo la tensione e il guadagno di tensione inversa (l'uscita è invertita rispetto a ingresso). Alla fine dell'articolo, simuleremo tali circuiti e vedremo chiaramente questo.

Modellazione di chiavi a transistor

Il primo modello che vedremo è transistor modalità chiave. Per fare ciò, è necessario costruire un circuito come nella figura seguente. Supponiamo che includeremo un carico con una corrente di 0,1 A, il suo ruolo sarà svolto dalla resistenza R3 installata nel circuito del collettore.

Come risultato di esperimenti, ho scoperto che l'h21E del modello di transistor selezionato è circa 20, a proposito, nel foglio dati su MJE13007 dice da 8 a 40.

La corrente di base dovrebbe essere di circa 5 mA. Il divisore viene calcolato in modo che la corrente di base abbia un effetto minimo sulla corrente del divisore. In modo che la tensione specificata non galleggi quando il transistor è acceso. Pertanto, il divisore corrente impostato 100mA.

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

Questo è un valore calcolato, le correnti a seguito di ciò sono emerse come segue:

Con una corrente di base di 5 mA, la corrente nel carico era di circa 100 mA, la tensione scende a 0,27 V. sul transistor. I calcoli sono corretti.

Che cosa abbiamo ottenuto?

Siamo in grado di controllare un carico la cui corrente è 20 volte la corrente di controllo. Per amplificare ulteriormente, è possibile duplicare la cascata, riducendo la corrente di controllo. Oppure usa un altro transistor.

La corrente del collettore era limitata dalla resistenza di carico, per l'esperimento ho deciso di rendere la resistenza di carico 0 Ohm, quindi la corrente attraverso il transistor è impostata dalla corrente di base e dal guadagno. Di conseguenza, le correnti praticamente non differiscono, come puoi vedere.

Per tracciare l'effetto del tipo di transistor e il suo guadagno sulle correnti, lo sostituiamo senza modificare i parametri del circuito.

Dopo aver sostituito il transistor da MJE13007 a MJE18006, il circuito ha continuato a funzionare, ma 0,14 V scende sul transistor, il che significa che alla stessa corrente questo transistor si riscalda meno, perché si distinguerà in calore

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

E nel caso precedente:

Potenziale precedente: 0,27 V * 0,1 A = 0,027 W.

La differenza è quasi duplice, se non è così significativa ai decimi di watt, immagina cosa accadrà a correnti di decine di ampere, quindi il potere delle perdite aumenterà 100 volte. Questo porta al fatto che i tasti si surriscaldano e falliscono.

Il calore che viene rilasciato durante il riscaldamento si diffonde attraverso il dispositivo e può causare problemi nel funzionamento dei componenti vicini. Per questo, tutti gli elementi di potenza sono installati sui radiatori e talvolta vengono utilizzati sistemi di raffreddamento attivi (refrigeratore, liquido, ecc.).

Inoltre, con l'aumentare della temperatura, la conducibilità del semiconduttore aumenta, così come la corrente che scorre attraverso di loro, che provoca nuovamente un aumento della temperatura. Il processo simile a valanghe per aumentare la corrente e la temperatura alla fine ucciderà la chiave.

La conclusione è questa: minore è la caduta di tensione sul transistor nello stato aperto, minore è il suo riscaldamento e maggiore è l'efficienza dell'intero circuito.

La caduta di tensione sulla chiave è diminuita a causa del fatto che abbiamo messo una chiave più potente, con un guadagno più elevato, per essere sicuri di ciò, rimuoviamo il carico dal circuito. Per fare ciò, ho nuovamente impostato R3 = 0 Ohm. La corrente del collettore è diventata 219mA, sull'MJE13003 nello stesso circuito era di circa 130mA, il che significa che l'H21E nel modello di questo transistor è due volte più grande.

Vale la pena notare che il guadagno di un modello, a seconda di una particolare istanza, può variare di decine o centinaia di volte. Ciò richiede l'accordatura e la regolazione dei circuiti analogici. In questo programma, nei modelli a transistor vengono utilizzati coefficienti fissi, conosco la logica che preferiscono. Sull'MJE18006 nel foglio dati, il rapporto H21E massimo è 36.

Simulazione dell'amplificatore CA.

Il modello dato mostra il comportamento della chiave se un segnale alternato e un semplice circuito per la sua inclusione nel circuito sono applicati ad esso. Assomiglia a un circuito di amplificazione di potenza musicale.

Di solito usano diverse cascate collegate in serie. Il numero e gli schemi delle cascate, i loro circuiti di potenza dipendono dalla classe in cui opera l'amplificatore (A, B, ecc.). Simulerò l'amplificatore di classe A più semplice, che funziona in modalità lineare, oltre a prendere le forme d'onda della tensione di ingresso e di uscita.

Il resistore R1 imposta il punto operativo del transistor. Nei libri di testo scrivono che è necessario trovare un punto simile su un segmento dritto del CVC del transistor. Se la tensione di polarizzazione è troppo bassa, la semionda inferiore del segnale sarà distorta.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

I condensatori sono necessari per separare il componente variabile dalla costante. Resistors R2 è installato per impostare la modalità operativa della chiave e impostare le correnti operative. Diamo un'occhiata alle forme d'onda. Diamo un segnale con un'ampiezza di 10mV e una frequenza di 10.000 Hz. L'ampiezza dell'uscita è quasi 2V.

Il magenta indica la forma d'onda in uscita, il rosso indica la forma d'onda in ingresso.

Si noti che il segnale è invertito, ad es. il segnale di uscita viene invertito rispetto all'ingresso. Questa è una caratteristica di un circuito emettitore comune. Secondo lo schema, il segnale viene rimosso dal collettore. Pertanto, quando si apre il transistor (quando aumenta il segnale di ingresso), la tensione che lo attraversa diminuisce. Quando il segnale di ingresso diminuisce, il transistor inizia a chiudersi e la tensione inizia a salire.

Questo schema è considerato la più alta qualità in termini di qualità di trasmissione del segnale, ma devi pagare per questo con il potere delle perdite. Il fatto è che in uno stato in cui non viene immesso alcun segnale, il transistor è sempre aperto e conduce corrente. Quindi viene rilasciato il calore:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE è una caduta su un transistor in assenza di un segnale di ingresso.

Questo è il circuito amplificatore più semplice, mentre qualsiasi altro circuito funziona in modo simile, solo la connessione degli elementi e la loro combinazione è diversa. Ad esempio, un amplificatore a transistor di classe B è costituito da due transistor, ciascuno dei quali funziona per la propria semionda.

Qui vengono utilizzati transistor di diverse conduttività:

• VT1 è NPN;

• VT2 - PNP.

La parte positiva del segnale di ingresso variabile apre il transistor superiore e il negativo - quello inferiore.

Questo schema offre una maggiore efficienza grazie al fatto che i transistor si aprono e si chiudono completamente. A causa del fatto che quando il segnale è assente - entrambi i transistor sono chiusi, il circuito non consuma corrente, quindi non ci sono perdite.

conclusione

Comprendere il funzionamento del transistor è molto importante se si intende eseguire l'elettronica. In questo settore, è importante non solo imparare come assemblare schemi, ma anche analizzarli. Per uno studio sistematico e la comprensione dei dispositivi, è necessario capire dove e come fluiranno le correnti. Ciò aiuterà sia nell'assemblaggio che nella regolazione e riparazione dei circuiti.

Vale la pena notare che ho omesso intenzionalmente molte delle sfumature e dei fattori per non sovraccaricare l'articolo. Allo stesso tempo, dopo i calcoli, è ancora raccogliere resistori. Nella modellazione, questo è facile da fare. Ma in pratica misurare correnti e tensioni con un multimetroe idealmente bisogno oscilloscopioper verificare se le forme d'onda di input e output corrispondono, altrimenti si avrà distorsione.