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Circuiti di commutazione a transistor bipolari
Un transistor è un dispositivo a semiconduttore che può amplificare, convertire e generare segnali elettrici. Il primo transistor bipolare operativo fu inventato nel 1947. Il materiale per la sua fabbricazione era germanio. E già nel 1956, nacque un transistor al silicio.
Un transistor bipolare utilizza due tipi di portatori di carica: elettroni e lacune, motivo per cui tali transistor sono chiamati bipolari. Oltre al bipolare, ci sono transistor unipolari (di campo) in cui viene utilizzato un solo tipo di vettore: elettroni o lacune. Questo articolo tratterà transistor bipolari.
Molto tempo transistori erano principalmente germanio e avevano una struttura p-n-p, che era spiegata dalle capacità delle tecnologie di quel tempo. Ma i parametri dei transistor al germanio erano instabili, il loro più grande svantaggio è la bassa temperatura operativa - non più di 60..70 gradi Celsius. A temperature più elevate, i transistor sono diventati incontrollabili e quindi completamente falliti.
Nel tempo, i transistor al silicio hanno iniziato a sostituire le controparti in germanio. Attualmente sono principalmente silicio e vengono utilizzati e questo non sorprende. Dopotutto, i transistor e i diodi al silicio (quasi tutti i tipi) rimangono operativi fino a 150 ... 170 gradi. I transistor al silicio sono anche il "ripieno" di tutti i circuiti integrati.
I transistor sono giustamente considerati una delle grandi scoperte dell'umanità. Dopo aver sostituito le lampade elettroniche, non solo le hanno sostituite, ma hanno fatto una rivoluzione nell'elettronica, sorpreso e scioccato dal mondo. Se non ci fossero transistor, allora molti dispositivi e dispositivi moderni, così familiari e vicini, semplicemente non sarebbero nati: immagina, ad esempio, un telefono cellulare con lampade elettroniche! Per ulteriori informazioni sulla storia dei transistor, consultare qui.
La maggior parte dei transistor al silicio ha una struttura n-p-n, che è anche spiegata dalla tecnologia di produzione, sebbene esistano transistor al silicio del tipo p-n-p, ma sono leggermente più piccoli delle strutture n-p-n. Tali transistor sono utilizzati come parte di coppie complementari (transistor di conduttività diversa con gli stessi parametri elettrici). Ad esempio, KT315 e KT361, KT815 e KT814 e negli stadi di uscita del transistor UMZCH KT819 e KT818. Negli amplificatori importati, viene spesso utilizzata una potente coppia complementare di 2SA1943 e 2SC5200.
Spesso, i transistor di una struttura p-n-p sono chiamati transistor a conducibilità diretta e le strutture n-p-n sono transistor inversi. Per qualche ragione, un tale nome non è quasi mai trovato in letteratura, ma nella cerchia di ingegneri radio e appassionati di radio viene usato ovunque, tutti capiscono immediatamente ciò che è in gioco. La Figura 1 mostra una struttura schematica dei transistor e dei loro simboli grafici.
Figura 1
Oltre alle differenze nel tipo di conduttività e nel materiale, i transistor bipolari sono classificati in base alla potenza e alla frequenza operativa. Se la potenza di dissipazione sul transistor non supera 0,3 W, tale transistor è considerato a bassa potenza. Con una potenza di 0,3 ... 3 W, il transistor è chiamato transistor di media potenza e con una potenza superiore a 3 W, la potenza è considerata grande. I transistor moderni sono in grado di dissipare la potenza di diverse decine o addirittura centinaia di watt.
I transistor amplificano i segnali elettrici non altrettanto bene: all'aumentare della frequenza, il guadagno dello stadio del transistor diminuisce e si arresta a una certa frequenza. Pertanto, per operare in una vasta gamma di frequenze, sono disponibili transistor con proprietà di frequenza diverse.
Secondo la frequenza operativa, i transistor sono divisi in quelli a bassa frequenza, - la frequenza operativa non è superiore a 3 MHz, la frequenza media - 3 ... 30 MHz, alta frequenza - più di 30 MHz.Se la frequenza operativa supera i 300 MHz, questi sono transistor a microonde.
In generale, nei libri di consultazione di grosso spessore ci sono oltre 100 diversi parametri di transistor, che indicano anche un numero enorme di modelli. E il numero di transistor moderni è tale che non possono più essere inseriti in nessuna directory. E la gamma è in costante crescita, permettendoci di risolvere quasi tutti i compiti impostati dagli sviluppatori.
Esistono molti circuiti a transistor (basta ricordare il numero di almeno apparecchiature domestiche) per l'amplificazione e la conversione di segnali elettrici, ma, con tutta la diversità, questi circuiti sono costituiti da stadi separati, la cui base sono transistor. Per ottenere l'amplificazione del segnale necessaria, è necessario utilizzare diversi stadi di amplificazione, collegati in serie. Per capire come funzionano gli stadi dell'amplificatore, è necessario acquisire maggiore familiarità con i circuiti di commutazione a transistor.
Il transistor da solo non può amplificare nulla. Le sue proprietà di amplificazione sono che piccoli cambiamenti nel segnale di ingresso (corrente o tensione) portano a cambiamenti significativi nella tensione o corrente all'uscita della cascata a causa del dispendio di energia da una fonte esterna. È questa proprietà che è ampiamente usata nei circuiti analogici - amplificatori, televisione, radio, comunicazione, ecc.
Per semplificare la presentazione, considereremo qui i circuiti sui transistor della struttura n-p-n. Tutto ciò che verrà detto su questi transistor si applica ugualmente ai transistor p-n-p. Basta cambiare la polarità delle fonti di energia, condensatori elettrolitici e diodise presente, per ottenere un circuito funzionante.
Circuiti di commutazione a transistor
Esistono in totale tre di questi schemi: un circuito con un emettitore comune (OE), un circuito con un collettore comune (OK) e un circuito con una base comune (OB). Tutti questi schemi sono mostrati in Figura 2.
Figura 2
Ma prima di passare a considerare questi circuiti, dovresti conoscere come funziona il transistor in modalità chiave. Questa conoscenza dovrebbe facilitare la comprensione. funzionamento a transistor in modalità guadagno. In un certo senso, uno schema chiave può essere considerato come una sorta di schema con MA.
Funzionamento a transistor in modalità chiave
Prima di studiare il funzionamento del transistor in modalità di amplificazione del segnale, vale la pena ricordare che i transistor sono spesso utilizzati in modalità chiave.
Questa modalità di funzionamento del transistor è stata considerata per molto tempo. Nel numero di agosto del 1959 della rivista Radio, fu pubblicato un articolo di G. Lavrov "Il triodo a semiconduttore in modalità chiave". L'autore dell'articolo ha suggerito regolare la velocità del motore del collettore modifica della durata degli impulsi nell'avvolgimento di controllo (OS). Ora, questo metodo di regolazione si chiama PWM e viene usato abbastanza spesso. Il diagramma del diario di quel tempo è mostrato nella Figura 3.
Figura 3
Ma la modalità chiave viene utilizzata non solo nei sistemi PWM. Spesso un transistor accende e spegne qualcosa.
In questo caso, è possibile utilizzare un relè come carico: hanno fornito un segnale di ingresso - il relè è acceso, no - il segnale del relè è spento. Invece dei relè in modalità chiave, vengono spesso utilizzate lampadine. Di solito questo viene fatto per indicare: la luce è accesa o spenta. Un diagramma di tale stadio chiave è mostrato nella Figura 4. Le fasi chiave sono usate anche per lavorare con LED o accoppiatori ottici.
Figura 4
Nella figura, la cascata è controllata da un contatto normale, sebbene possa esserci un chip digitale o microcontrollore. Lampada automobilistica, questa è utilizzata per illuminare il cruscotto nella "Lada". Va notato che 5V viene utilizzato per il controllo e la tensione del collettore commutato è di 12V.
Non c'è nulla di strano in questo, poiché le tensioni non svolgono alcun ruolo in questo circuito, solo le correnti sono importanti.Pertanto, la lampadina può essere almeno 220 V se il transistor è progettato per funzionare a tali tensioni. La tensione della sorgente del collettore deve anche corrispondere alla tensione operativa del carico. Con l'aiuto di tali cascate, il carico è collegato a microcircuiti digitali o microcontrollori.
In questo schema, la corrente di base controlla la corrente del collettore, che, a causa dell'energia dell'alimentatore, è diverse decine o addirittura centinaia di volte (a seconda del carico del collettore) rispetto alla corrente di base. È facile vedere che si verifica l'attuale amplificazione. Quando il transistor funziona in modalità chiave, il valore utilizzato nel calcolo della cascata viene generalmente indicato come "guadagno corrente in modalità segnale grande" nei libri di riferimento, indicato dalla lettera β nei libri di riferimento. Questo è il rapporto tra la corrente del collettore, determinata dal carico, e la corrente di base minima possibile. Sotto forma di una formula matematica, si presenta così: β = Iк / Iб.
Per i transistor più moderni, il coefficiente β è abbastanza grande, di regola, da 50 e superiore, quindi, quando si calcola lo stadio chiave, può essere preso come solo 10. Anche se la corrente di base risulta essere superiore alla corrente calcolata, il transistor non si aprirà più da questo, quindi è anche una modalità chiave.
Per illuminare la lampadina mostrata nella Figura 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, questo è almeno. Con una tensione di controllo di 5 V sulla resistenza di base Rb, meno la caduta di tensione nella sezione BE, 5 V rimarrà - 0,6 V = 4,4 V. La resistenza del resistore di base è: 4,4 V / 10 mA = 440 Ohm. Un resistore con una resistenza di 430 ohm è selezionato dalla serie standard. Una tensione di 0,6 V è la tensione sulla giunzione B - E e non deve essere dimenticata durante il calcolo!
Al fine di evitare che la base del transistor si "appenda in aria" quando si apre il contatto di controllo, la transizione B - E viene solitamente deviata dal resistore Rbe, che chiude in modo affidabile il transistor. Questo resistore non deve essere dimenticato, anche se per qualche motivo non lo è per qualche motivo, il che può portare a una falsa operazione della cascata da interferenze. In realtà, tutti sapevano di questo resistore, ma per qualche motivo si sono dimenticati e ancora una volta hanno calpestato il "rastrello".
Il valore di questo resistore deve essere tale che quando il contatto si apre, la tensione alla base non risulta inferiore a 0,6 V, altrimenti la cascata sarà incontrollabile, come se la sezione B - E fosse semplicemente in cortocircuito. In pratica, il resistore RBe è impostato su un valore circa dieci volte superiore a RB. Ma anche se il valore di Rb è 10K, il circuito funzionerà in modo abbastanza affidabile: i potenziali di base ed emettitore saranno uguali, il che porterà alla chiusura del transistor.
Una tale cascata di chiavi, se funziona, può accendere la lampadina a pieno calore o spegnerla completamente. In questo caso, il transistor può essere completamente aperto (stato di saturazione) o completamente chiuso (stato di interruzione). Immediatamente, naturalmente, la conclusione suggerisce se stessa che tra questi stati "al contorno" c'è una cosa simile quando il bulbo brilla completamente. In questo caso, il transistor è mezzo aperto o mezzo chiuso? È come nel problema del riempimento del bicchiere: l'ottimista vede il bicchiere mezzo pieno, mentre il pessimista lo considera mezzo vuoto. Questa modalità di funzionamento del transistor si chiama amplificazione o lineare.
Funzionamento a transistor in modalità di amplificazione del segnale
Quasi tutte le moderne apparecchiature elettroniche sono costituite da microcircuiti in cui i transistor sono "nascosti". Basta selezionare la modalità operativa dell'amplificatore operazionale per ottenere il guadagno o la larghezza di banda desiderati. Ma, nonostante ciò, le cascate vengono spesso utilizzate su transistor discreti ("sciolti") e, pertanto, è semplicemente necessaria una comprensione del funzionamento dello stadio amplificatore.
L'inclusione più comune di un transistor rispetto a OK e OB è un circuito emettitore comune (OE). Il motivo di questa prevalenza è, innanzitutto, un elevato guadagno in tensione e corrente.Il massimo guadagno della cascata OE è garantito quando metà della tensione dell'alimentatore Epit / 2 scende al carico del collettore. Di conseguenza, la seconda metà cade sulla sezione K-E del transistor. Ciò si ottiene impostando la cascata, che verrà descritta di seguito. Questa modalità di guadagno si chiama Classe A.
Quando si accende il transistor con OE, il segnale di uscita sul collettore è in antifase con l'ingresso. Come svantaggi, si può notare che l'impedenza di ingresso dell'OE è piccola (non più di diverse centinaia di ohm) e l'impedenza di uscita è nell'intervallo di decine di KOhm.
Se nella modalità chiave il transistor è caratterizzato da un guadagno di corrente in modalità segnale di grandi dimensioni β, quindi nella modalità guadagno, viene utilizzato il "guadagno corrente nella modalità segnale piccolo", indicato nei libri di riferimento di h21e. Questa designazione deriva dalla rappresentazione di un transistor sotto forma di un dispositivo a quattro terminali. La lettera "e" indica che le misurazioni sono state effettuate quando è stato acceso il transistor con un emettitore comune.
Il coefficiente h21e, di regola, è leggermente più grande di β, sebbene nei calcoli, come prima approssimazione, sia possibile usarlo. Comunque, la dispersione dei parametri β e h21e è così grande anche per un tipo di transistor che i calcoli sono solo approssimativi. Dopo tali calcoli, di norma, è richiesta la configurazione del circuito.
Il guadagno del transistor dipende dallo spessore della base, quindi non è possibile cambiarlo. Da qui l'ampia diffusione del guadagno dei transistor prelevati anche da una scatola (leggi un lotto). Per i transistor a bassa potenza, questo coefficiente varia tra 100 ... 1000 e per potenti 5 ... 200. Più sottile è la base, maggiore è il rapporto.
Il circuito di accensione più semplice per un transistor OE è mostrato nella Figura 5. Questo è solo un piccolo pezzo della Figura 2, mostrato nella seconda parte dell'articolo. Questo circuito è chiamato circuito di corrente a base fissa.
Figura 5
Lo schema è estremamente semplice. Il segnale di ingresso viene fornito alla base del transistor attraverso un condensatore di isolamento C1 e, essendo amplificato, viene rimosso dal collettore del transistor attraverso un condensatore C2. Lo scopo dei condensatori è proteggere i circuiti di ingresso dal componente costante del segnale di ingresso (basta ricordare il microfono a carbone o ad elettrete) e fornire la larghezza di banda necessaria della cascata.
Il resistore R2 è il carico del collettore della cascata e R1 fornisce una polarizzazione costante alla base. Usando questo resistore, provano a rendere la tensione del collettore Epit / 2. Questa condizione è chiamata punto operativo del transistor, in questo caso il guadagno della cascata è massimo.
Approssimativamente la resistenza del resistore R1 può essere determinata dalla semplice formula R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1.8. Il coefficiente 1.5 ... 1.8 viene sostituito a seconda della tensione di alimentazione: a bassa tensione (non più di 9 V), il valore del coefficiente non è superiore a 1,5 e, a partire da 50 V, si avvicina a 1,8 ... 2,0. Ma, in effetti, la formula è così approssimativa che il resistore R1 deve essere selezionato più spesso, altrimenti il valore richiesto di Epit / 2 sul collettore non verrà ottenuto.
Il resistore del collettore R2 è impostato come condizione del problema, poiché la corrente del collettore e l'amplificazione della cascata nel suo complesso dipendono dalla sua grandezza: maggiore è la resistenza del resistore R2, maggiore è il guadagno. Ma devi stare attento con questo resistore, la corrente del collettore deve essere inferiore al massimo consentito per questo tipo di transistor.
Lo schema è molto semplice, ma questa semplicità gli dà proprietà negative e devi pagare per questa semplicità. In primo luogo, l'amplificazione della cascata dipende dall'istanza specifica del transistor: ha sostituito il transistor durante la riparazione, - selezionare nuovamente l'offset, inviarlo al punto operativo.
In secondo luogo, dalla temperatura ambiente, - con l'aumentare della temperatura, la corrente inversa Ico del collettore aumenta, il che porta ad un aumento della corrente del collettore. E allora, dove è metà della tensione di alimentazione sul collettore Epit / 2, lo stesso punto operativo? Di conseguenza, il transistor si riscalda ancora di più, dopodiché si guasta.Per sbarazzarsi di questa dipendenza, o almeno minimizzarla, vengono introdotti elementi aggiuntivi di feedback negativo - OOS - nella cascata del transistor.
La Figura 6 mostra un circuito con una tensione di polarizzazione fissa.
Figura 6
Sembrerebbe che il partitore di tensione Rb-k, Rb-e fornirà lo spostamento iniziale richiesto della cascata, ma in effetti tale cascata presenta tutti gli svantaggi di un circuito a corrente fissa. Pertanto, il circuito mostrato è solo una variazione del circuito a corrente fissa mostrato in Figura 5.
Schemi con stabilizzazione termica
La situazione è leggermente migliore nel caso dell'applicazione degli schemi mostrati nella Figura 7.
Figura 7
In un circuito stabilizzato al collettore, il resistore di polarizzazione R1 non è collegato alla fonte di alimentazione, ma al collettore del transistor. In questo caso, se la temperatura aumenta, la corrente inversa aumenta, il transistor si apre più forte, la tensione del collettore diminuisce. Questa riduzione porta ad una diminuzione della tensione di polarizzazione fornita alla base attraverso R1. Il transistor inizia a chiudersi, la corrente del collettore diminuisce a un valore accettabile, la posizione del punto operativo viene ripristinata.
È ovvio che una tale misura di stabilizzazione porta ad una certa diminuzione dell'amplificazione della cascata, ma questo non ha importanza. Il guadagno mancante viene solitamente aggiunto aumentando il numero di stadi di amplificazione. Ma un tale sistema di protezione ambientale può ampliare in modo significativo l'intervallo di temperature operative della cascata.
Il circuito della cascata con stabilizzazione dell'emettitore è un po 'più complicato. Le proprietà di amplificazione di tali cascate rimangono invariate in un intervallo di temperatura ancora più ampio rispetto al circuito stabilizzato dal collettore. E un altro vantaggio indiscutibile: quando si sostituisce un transistor, non è necessario selezionare nuovamente le modalità operative in cascata.
Il resistore emettitore R4, che fornisce la stabilizzazione della temperatura, riduce anche il guadagno della cascata. Questo è per corrente continua. Al fine di escludere l'influenza della resistenza R4 sull'amplificazione della corrente alternata, la resistenza R4 è collegata a ponte dal condensatore Ce, che è una resistenza insignificante per la corrente alternata. Il suo valore è determinato dalla gamma di frequenza dell'amplificatore. Se queste frequenze si trovano nella gamma del suono, allora la capacità del condensatore può essere da unità a decine o addirittura centinaia di microfarad. Per le frequenze radio, questo è già centesimi o millesimi, ma in alcuni casi il circuito funziona bene anche senza questo condensatore.
Per capire meglio come funziona la stabilizzazione dell'emettitore, è necessario considerare il circuito per l'accensione di un transistor con un comune collettore OK.
Il circuito del collettore comune (OK) è mostrato nella Figura 8. Questo circuito è una sezione della Figura 2, dalla seconda parte dell'articolo, in cui sono mostrati tutti e tre i circuiti di commutazione a transistor.
Figura 8
Il carico in cascata è il resistore emettitore R2, il segnale di ingresso viene fornito attraverso il condensatore C1 e il segnale di uscita viene rimosso attraverso il condensatore C2. Qui puoi chiedere, perché questo schema si chiama OK? Infatti, se ricordiamo il circuito OE, è chiaramente lì visibile che l'emettitore è collegato a un filo di circuito comune, rispetto al quale viene fornito il segnale di ingresso e viene preso il segnale di uscita.
Nel circuito OK, il collettore è semplicemente collegato a una fonte di alimentazione e a prima vista sembra che non abbia nulla a che fare con il segnale di ingresso e uscita. Ma in effetti, la sorgente EMF (batteria di alimentazione) ha una resistenza interna molto piccola, per un segnale è quasi un punto, uno stesso contatto.
Più in dettaglio, il funzionamento del circuito OK può essere visto nella Figura 9.
Figura 9
È noto che per i transistor al silicio la tensione della transizione bi-e è nell'intervallo 0,5 ... 0,7 V, quindi è possibile prenderlo in media 0,6 V, se non si imposta l'obiettivo di eseguire calcoli con una precisione di decimi di percentuale. Pertanto, come si può vedere nella Figura 9, la tensione di uscita sarà sempre inferiore alla tensione di ingresso del valore di Ub-e, vale a dire quelli stessi 0,6 V.A differenza del circuito OE, questo circuito non inverte il segnale di ingresso, ma semplicemente lo ripete e lo riduce persino di 0,6 V. Questo circuito è anche chiamato seguace dell'emettitore. Perché è necessario un tale schema, a che serve?
Il circuito OK amplifica il segnale di corrente h21e volte, il che indica che la resistenza di ingresso del circuito è h21e volte maggiore della resistenza nel circuito dell'emettitore. In altre parole, senza timore di bruciare il transistor, è possibile applicare la tensione direttamente alla base (senza un resistore limitante). Basta prendere il pin di base e collegarlo al bus di alimentazione + U.
Un'alta impedenza di ingresso consente di collegare una sorgente di ingresso ad alta impedenza (impedenza complessa), come un pickup piezoelettrico. Se un tale pickup è collegato alla cascata secondo lo schema OE, la bassa impedenza di ingresso di questa cascata semplicemente "atterra" il segnale di pickup - "la radio non suonerà".
Una caratteristica distintiva del circuito OK è che la sua corrente di collettore Ik dipende solo dalla resistenza di carico e dalla tensione della sorgente del segnale di ingresso. Allo stesso tempo, i parametri del transistor non svolgono alcun ruolo. Dicono di tali circuiti che sono coperti da un feedback di tensione al cento per cento.
Come mostrato nella Figura 9, la corrente nel carico dell'emettitore (è la corrente dell'emettitore) In = Ik + Ib. Tenendo conto del fatto che la corrente di base Ib è trascurabile rispetto alla corrente di collettore Ik, possiamo supporre che la corrente di carico sia uguale alla corrente di collettore Iн = Iк. La corrente nel carico sarà (Uin - Ube) / Rн. In questo caso, supponiamo che Ube sia noto ed è sempre uguale a 0,6 V.
Ne consegue che la corrente del collettore Ik = (Uin - Ube) / Rn dipende solo dalla tensione di ingresso e dalla resistenza di carico. La resistenza di carico può essere modificata entro ampi limiti, tuttavia non è necessario essere particolarmente zelanti. In effetti, se invece di Rн mettiamo un chiodo - un centesimo, allora nessun transistor lo sopporta!
Il circuito OK semplifica la misurazione del coefficiente di trasferimento della corrente statica h21e. Come fare ciò è mostrato in Figura 10.
Figura 10
Innanzitutto, misurare la corrente di carico come mostrato nella Figura 10a. In questo caso, la base del transistor non deve essere collegata da nessuna parte, come mostrato nella figura. Successivamente, la corrente di base viene misurata secondo la Figura 10b. In entrambi i casi le misure devono essere eseguite nelle stesse quantità: in ampere o in milliampere. La tensione di alimentazione e il carico devono rimanere invariati in entrambe le misurazioni. Per scoprire il coefficiente statico del trasferimento di corrente, è sufficiente dividere la corrente di carico per la corrente di base: h21e ≈ In / IB.
Va notato che con un aumento della corrente di carico, h21e diminuisce leggermente e con un aumento della tensione di alimentazione aumenta. I ripetitori di emettitori sono spesso costruiti su un circuito push-pull utilizzando coppie complementari di transistor, che consente di aumentare la potenza di uscita del dispositivo. Un tale seguace di emettitore è mostrato nella Figura 11.
Figura 11
Figura 12
Attivazione dei transistor secondo uno schema con una base OB comune
Tale circuito fornisce solo un guadagno di tensione, ma ha proprietà di frequenza migliori rispetto al circuito OE: gli stessi transistor possono funzionare a frequenze più elevate. L'applicazione principale del circuito OB è l'amplificatore di antenna UHF. Uno schema dell'amplificatore dell'antenna è mostrato nella Figura 12.
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