Біполярні транзистори: схеми, режими, моделювання

Транзистор з’явився в 1948 (1947) році, завдяки працям трьох інженерів і Шокклі, Брадтейна, Бардіна. У ті часи ще не припускали їх настільки швидкий розвиток і популяризацію. У радянському союзі в 1949 році був представлений науковому світу прототип транзистора лабораторією Красилова, це був триод С1-С4 (германієвого). Термін транзистор з’явився пізніше, в 50-х або 60-х роках.

Однак широке застосування вони знайшли в кінці 60-х, початку 70-х років, коли в моду увійшли портативні радіоприймачі. До речі їх довгий час так і назвали «транзистор». Таку назву прилипло завдяки тому, що вони замінили електронні лампи напівпровідниковими елементами, що викликало революцію в радіотехніці.

Що таке напівпровідник?

Транзистори роблять з напівпровідникових матеріалів, наприклад, з кремнію, раніше був популярний германій, але зараз він рідко зустрічається, з огляду на його дорожнечу і гірших параметрах, в плані температур і іншого.

Напівпровідники це такі матеріали, які займають по провідності місце між провідниками і діелектриками. Їх опір в мільйон разів більше провідників, і в сотні мільйонів разів менше діелектриків. До того ж, щоб через них почав протікати струм потрібно прикласти напругу перевищує ширину забороненої зони, щоб носії заряду перейшли з валентної зони в зону провідності.

У провідників забороненої зони немає як такої. Переміститися в зону провідності носій заряду (електрон) може не тільки під дією зовнішньої напруги, але і від тепла – це називається тепловий струм. Струм викликаний опроміненням світловим потоком напівпровідника називається фототок. Фоторезистори, фотодіоди і інші світлочутливі елементи працюють саме на цьому принципі.

Для порівняння погляньте на такі в діелектриках і провідниках:

Досить наочно. З діаграм видно, що діелектрики все ж можуть проводити струм, але це відбувається після подолання забороненої зони. На практиці це називається напругою пробою діелектрика.

Так ось відміну германієвих від кремнієвих структур в тому, що для германію ширина забороненої зони, порядку 0.3 еВ (електронвольт), а у кремнію більше 0.6 еВ. З одного боку це викликає більше втрат, але використання кремнію обумовлено технологічними і економічними факторами.

Напівпровідник в результаті легування одержують додаткові носії заряду позитивні (дірки) або негативні (електрони), це називається напівпровідник p- або n-типу. Можливо, ви чули фразу «pn-перехід». Так це і є межа між напівпровідниками різних типів. В результаті руху зарядів, освіти іонізованих частинок кожного з типу домішок до основного напівпровідника утворюється потенційний бар’єр, він не дає струму протікати в обох напрямках, докладніше про це розписано в книзі “Транзистор – це просто”.

Внесення додаткових носіїв зарядів (легування напівпровідників) дозволило створити напівпровідникові прилади: діоди, транзистори, тиристори та ін. Найпростіший приклад – це діод, роботу якого ми розглянули в попередній статті.

Якщо прикласти напругу в прямому зміщенні, тобто до p-області позитивний полюсь, а до n-області негативний почне протікати струм, а якщо навпаки – струм протікати не буде. Справа в тому, що при прямому зміщенні основні носії заряду p-області (дірки) позитивні, і відштовхуються від позитивного потенціалу джерела живлення, прагнуть в область з більш негативним потенціалом.

У той же час негативні носії n-області відштовхуються від негативного полюса джерела живлення. І ті й інші носії прагнуть до кордону розділу (pn-переходу). Перехід ставати вже, і носії долають потенційний бар’єр, переміщаючись в області з протилежними зарядами, де рекомбінуються з ними …

Якщо прикладена напруга зворотного зсуву, то позитивні носії p-області рухаються в бік негативного електрода джерела живлення, а електрони з n-області – в сторону позитивного електрода. Перехід розширюється, струм не протікає.

Якщо не вдаватися в подробиці цього достатньо для розуміння процесів, що протікають в напівпровіднику.

Умовне графічне позначення транзистора

У РФ прийнято таке позначення транзистора як ви бачите на зображенні нижче. Колектор без стрілки, емітер зі стрілкою, а база підведена перпендикулярно до межі між емітером і колектором. Стрілка на емітер вказує напрямок протікання струму (від плюса до мінуса). Для NPN-структури стрілка емітера спрямована від бази, а для PNP – до бази.

При цьому в схемах часто зустрічається таке ж позначення, але без окружності. Стандартне буквене позначення – «VT» і номер по порядку на схемі, іноді пишуть просто «T».

Зображення транзисторів без кола

Що таке транзистор?

Транзистор це активний напівпровідниковий прилад, призначений для посилення сигналу і генерації коливань. Він прийшов на зміну вакуумним лампам – тріод. У транзисторів зазвичай три ніжки – колектор, емітер і база. База – це керуючий електрод, подаючи струм на нього, ми управляємо колекторним струмом. Таким чином, за допомогою малого струму бази ми регулюємо великі струми в силовому ланцюзі, так і відбувається посилення сигналу.

Біполярні транзистори бувають прямої (PNP) і зворотної провідності (NPN). Їх структура зображена нижче. Що характерно, база займає менший обсяг напівпровідникового кристала.

Характеристики

Основні характеристики біполярних транзисторів:

  • Ic – максимальний струм колектора (вище не можна – згорить);

  • Ucemax – максимальна напруга, яке можна прикласти між колектором і емітером (вище не можна – проб’є);

  • Ucesat – напруга насичення транзистора. Падіння напруги в режимі насичення (чим менше, тим менше втрат у відкритому стані і нагрів);

  • Β або H21Е – коефіцієнт посилення транзистора, дорівнює Ік / Іб. Залежить від моделі транзистора. Наприклад, при к.усіленія 100, при струмі через базу 1мА, через колектор буде протікати струм 100мА і т.д.

Варто сказати про токах транзистора, їх три:

1. Базовий струм.

2. Колекторний струм.

3. Струм емітера – містить струм бази і струм емітера.

Найчастіше струм емітера опускається, тому що він майже не відрізняється від струму колектора по величині. Різниця лише в тому, що струм колектора менше ніж струм емітера на величину струму бази, а тому у транзисторів високий коефіцієнт посилення (припустимо 100) то при струмі в 1А через емітер, через базу буде протікати 10мА, а через колектор 990мА. Погодьтеся, адже це досить мала різниця, щоб витрачати на неї час при вивченні електроніки. Тому в характеристиках і вказано Icmax.

Режими роботи

Транзистор може працювати в різних режимах:

1. Режим насичення. Простими словами – це той режим, в якому транзистор знаходиться в максимально відкритому стані (обидва переходу зміщені в прямому напрямку).

2. Режим відсічення – це коли струм не протікає і транзистор закритий (обидва переходу зміщені у зворотному напрямку).

3. Активний режим (колектор-база зміщений у зворотному напрямку, а емітер-база зміщений в прямому).

4. Інверсний активний режим (колектор-база зміщений в прямому напрямку, а емітер-база зміщений в назад) але він рідко використовується.

Типові схеми включення транзистора

Виділяють три типові схеми включення транзистора:

1. Загальна база.

2. Загальний емітер.

3. Загальний колектор.

Вхідний ланцюгом вважають емітер-базу, а вихідний – колектор-емітер. Тоді як вхідний струм – це струм бази, а вихідний – колекторний струм відповідно.

Залежно від схеми включення ми підсилюємо струм або напруга. У підручниках прийнято розглядати саме такі схеми включення, але на практиці вони виглядають не настільки очевидно.

Варто відзначити, що при включенні в схему із загальним колектором ми підсилюємо ток і отримуємо синфазное (таке ж, як на вході по полярності) напруга на вході і виході, а в схемі з загальним емітером – отримуємо посилення напруження і інверсне напруга (вихідна перевернуто щодо вхідного). В кінці статті ми проведемо моделювання таких ланцюгів і наочно переконаємося в цьому.

Моделювання транзисторного ключа

Перша модель, яку ми розглянемо, це транзистор в режимі ключа. Для цього потрібно побудувати схему як на малюнку нижче. Припустимо, що ми будемо включати навантаження зі струмом в 0.1А, її роль буде виконувати резистор R3, встановлений в ланцюзі колектора.

В результаті експериментів, я встановив, що h21Е у обраної моделі транзистора близько 20, до речі, в datasheet на MJE13007 сказано від 8 до 40.

Струм бази повинен бути близько 5мА. Дільник розраховується таким чином, щоб струм бази мав мінімальний вплив на струм подільника. Щоб заданий напругу не плавало при включенні транзистора. Значить, струм дільника задамо 100мА.

Rбрасч = (12в – 0.6в) /0.005= 2280 Ом

Це розрахункова величина, струми в результаті цього вийшли такими:

При струмі бази в 5мА, струм у навантаженні був близько 100мА, на транзисторі у нас падає напруга в 0.27 В. Розрахунки вірні.

Що ми отримали?

Ми можемо управляти навантаженням, ток якої в 20 разів більше струму управління. Щоб ще більше підсилити, можна продублювати каскад, знизивши струм управління. Або використовувати інший транзистор.

Струм колектора у нас був обмежений опором навантаження, для експерименту я вирішив зробити опір навантаження в 0 Ом, тоді струм через транзистор задається струмом бази і коефіцієнтом посилення. В результаті струми практично не відрізняються, в чому ви і можете переконатися.

Щоб простежити вплив типу транзистора і його коефіцієнта посилення на струми, замінимо його, не змінюючи параметрів ланцюга.

Після заміни транзистора з MJE13007 на MJE18006 ланцюг продовжила працювати, але на транзисторі падає вже 0.14 В, це означає, що при тому ж струмі цей транзистор буде менше грітися, тому що в тепло виділиться

Pпот = 0.14В * 0.1А = 0.014Вт,

А в попередньому випадку:

Pпотпредидущее = 0.27В * 0.1А = 0.027Вт

Різниця майже в два рази, якщо на десятих вата це не настільки суттєво, уявіть, що буде при токах в десятки ампер, тоді потужність втрат зросте в 100 разів. Це призводить до того, що ключі перегріваються і виходять з ладу.

Тепло, яке виділяється при нагріванні, поширюється в корпусі пристрою і може викликати проблеми в роботі сусідніх компонентів. Для цього всі силові елементи встановлюють на радіатори, а іноді застосовують активні системи охолодження (кулер, рідинні та ін.).

До того ж при підвищенні температури провідність напівпровідника збільшується, як і струм який через них протікає, що викликає, знову ж таки, підвищення температури. Лавиноподібний процес підвищення струму і температури в кінцевому підсумку вб’є ключ.

Висновок такий: Чим менше падіння напруги на транзисторі у відкритому стані – тим менше його нагрівання і вище ККД всієї схеми.

Падіння напруги на ключі стало меншим через те, що ми поставили більш потужний ключ, з великим коефіцієнтом посилення, щоб переконається в цьому, приберемо з ланцюга навантаження. Для цього я знову поставив R3 = 0 Ом. Струм колектора став 219мА, на MJE13003 в такий же ланцюга був близько 130мА, це означає, що H21Е в моделі цього транзистора більше в два рази.

Варто відзначити, що коефіцієнт посилення однієї моделі в залежності від конкретного екземпляра може відрізнятися в десятки і сотні разів. Це викликає необхідність відбудови і налагодження аналогових схем. У цій програмі в моделях транзисторів використані фіксовані коефіцієнти, логіка їх вибору мені відома. На MJE18006 в даташіте максимальний коефіцієнт H21Е вказано 36.

Моделювання підсилювача змінного сигналу

Наведена модель відображає поведінку ключа, якщо на нього подати знакозмінний сигнал і найпростіша схема включення його в ланцюг. Вона нагадує схему музичного підсилювача потужності.

Зазвичай в них використовуються кілька таких послідовно з’єднаних каскадів. Кількість і схеми каскадів, їх ланцюгів харчування залежать від класу, в якому працює підсилювач (A, B і т.д.). Я змоделюють найпростіший підсилювач класу А, який працює в лінійному режимі, а також зніму осцилограми вхідного і вихідного напруги.

Резистор R1 задає робочу точку транзистора. У підручниках пишуть, що потрібно знайти таку точку на прямому відрізку ВАХ транзистора. Якщо напруга зсуву буде занадто низьким – у вас буде спотворюватися нижня полуволна сигналу.

Rпіт = (Uпит-Uб) / Іб

Uб≈0.7В

Іб = IК / H21Е

Конденсатори потрібні, щоб відокремити змінну складову від постійної. Резистори R2 встановлений для того, щоб задати режим роботи ключу і виставити робочі струми. Давайте розглянемо осцилограми. Ми подаємо сигнал амплітудою в 10мВ і частотою 10000 Гц. Амплітуда на виході у нас майже 2В.

Пурпуровим кольором позначена вихідна осциллограмма, червоним – вхідний сигнал.

Зверніть увагу, що сигнал інвертований, тобто вихідний сигнал перевернуть щодо вхідного. Це особливість схеми із загальним емітером. За схемою сигнал знімається з колектора. Тому при відкритті транзистора (коли сигнал на вході підвищується) напруга на ньому буде падати. Коли вхідний сигнал знижується, транзистор починає закриватися і напруга почне рости.

Ця схема вважається найбільш якісною в плані якості передачі сигналу, однак за це доводиться платити потужністю втрат. Справа в тому, що в стані, коли на вхід не подається сигнал, транзистор завжди відкритий і проводить струм. Тоді в тепло виділяється:

Pпот = (UКЕ) / Ік

UКЕ – це падіння на транзисторі при відсутності вхідного сигналу.

Це найпростіша схема підсилювача, при цьому будь-яка інша схема працює так само, відрізняється лише з’єднання елементів і їх комбінація. Наприклад, транзисторний підсилювач класу В складається з двох транзисторів, кожен з яких працює для своєї напівхвилі.

Тут використовуються транзистори різних проводимостей:

  • VT1 – NPN;

  • VT2 – PNP.

Позитивна частина змінного вхідного сигналу відкриває верхній транзистор, а негативна – нижній.

Така схема дає більший ККД за рахунок того, що транзистори відкриваються і закриваються повністю. За рахунок того, що коли сигнал відсутній – обидва транзистора закриті, схема не споживає струм, відповідно втрат немає.

висновок

Розуміння роботи транзистора дуже важливо, якщо ви збираєтеся займатися електронікою. У цій сфері важливо не тільки навчиться збирати схеми, а й аналізувати їх. Для систематичного вивчення і розуміння механізмів потрібно розуміти, куди і як будуть протікати струми. Це допоможе як в збірці, так і налагодження та ремонту схем.

Варто відзначити, що я має намір опустив багато нюансів і фактори щоб не перевантажувати статтю. При цьому після розрахунків все ж варто підбирати резистори. У моделюванні це зробити просто. А на практиці доведеться вимірювати струми і напруги мультиметром, а в ідеальному випадку потрібен осцилограф, щоб перевірити відповідність форм вхідного і вихідного сигналу, в іншому випадку у вас будуть спотворення.

Олексій Бартош

Ссылка на основную публикацию