• Bipolární tranzistory s rozšířeným režimem se společným emitorem. Co je to bipolární tranzistor a jak jej testovat

    Tranzistory jsou aktivní součástky a používají se v elektronických obvodech jako zesilovače a spínací zařízení (tranzistorové spínače). Jako zesilovací zařízení se používají ve vysokofrekvenčních a nízkofrekvenčních zařízeních, generátorech signálu, modulátorech, detektorech a mnoha dalších obvodech. V digitálních obvodech, ve spínaných zdrojích a řízených elektrických pohonech slouží jako klíče.

    Bipolární tranzistory

    Toto je název nejběžnějšího typu tranzistoru. Dělí se na typy npn a pnp. Materiálem pro ně je nejčastěji křemík nebo germanium. Tranzistory se zpočátku vyráběly z germania, ale byly velmi citlivé na teplotu. Křemíková zařízení jsou mnohem odolnější vůči jejím výkyvům a levnější na výrobu.

    Různé bipolární tranzistory jsou zobrazeny na fotografii níže.

    Nízkopříkonová zařízení jsou umístěna v malých plastových obdélníkových nebo kovových válcových pouzdrech. Mají tři výstupy: pro bázi (B), emitor (E) a kolektor (K). Každá z nich je spojena s jednou ze tří vrstev křemíku buď s n-vodivostí (proud je tvořen volnými elektrony) nebo typu p (proud je tvořen tzv. kladně nabitými „dírami“), které do struktury tranzistoru.

    Jak je uspořádán bipolární tranzistor?

    Je třeba studovat principy činnosti tranzistoru, počínaje jeho zařízením. Zvažte strukturu tranzistoru npn, který je znázorněn na obrázku níže.

    Jak vidíte, obsahuje tři vrstvy: dvě s vodivostí typu n a jednu s typem p. Typ vodivosti vrstev je určen stupněm dotování speciálními nečistotami různých částí krystalu křemíku. Emitor typu n je velmi silně dopován, aby získal mnoho volných elektronů jako hlavních proudových nosičů. Velmi tenká základna typu p je lehce dopována nečistotami a má vysokou odolnost, zatímco kolektor typu n je velmi silně dopován, aby měl nízký odpor.

    Jak funguje tranzistor

    Nejlepší způsob, jak je poznat, je experimentovat. Níže je schéma jednoduchého obvodu.

    K ovládání žárovky využívá výkonový tranzistor. Dále budete potřebovat baterii, malou žárovku na baterku asi 4,5 V / 0,3 A, potenciometr s proměnným odporem (5K) a odpor 470 ohmů. Tyto komponenty musí být zapojeny tak, jak je znázorněno na obrázku vpravo od schématu.

    Otočte jezdec potenciometru do nejnižší polohy. Tím se sníží základní napětí (mezi základnou a zemí) na nulu voltů (U BE = 0). Lampa nesvítí, což znamená, že tranzistorem neprochází žádný proud.

    Pokud nyní otočíte rukojetí z její spodní polohy, U BE se postupně zvyšuje. Když dosáhne 0,6 V, proud začne téci do báze tranzistoru a lampa začne svítit. Při dalším posunutí rukojeti zůstane napětí U BE na hodnotě 0,6 V, ale základní proud se zvýší a tím se zvýší proud obvodem kolektor-emitor. Pokud se rukojeť posune do horní polohy, napětí na základně se mírně zvýší na 0,75 V, ale proud se výrazně zvýší a lampa bude jasně svítit.

    A když měříte proudy tranzistoru?

    Pokud zařadíme ampérmetr mezi kolektor (C) a lampu (pro měření I C), další ampérmetr mezi patici (B) a potenciometr (pro měření I B) a voltmetr mezi společný vodič a patici a opakujeme celý experiment, můžeme získat zajímavá data. Když je knoflík potenciometru v nejnižší poloze, U BE je 0 V, stejně jako proudy I C a I B . Při pohybu rukojetí se tyto hodnoty zvyšují, dokud světlo nezačne svítit, kdy jsou stejné: U BE = 0,6 V, I B = 0,8 mA a I C = 36 mA.

    V důsledku toho získáme z tohoto experimentu následující principy činnosti tranzistoru: při nepřítomnosti kladného (u typu npn) předpětí na bázi jsou proudy jeho svorkami nulové a za přítomnosti napětí báze resp. proudu, jejich změny ovlivňují proud v obvodu kolektor-emitor.

    Co se stane, když je tranzistor zapnutý

    Při normálním provozu je napětí přivedené na přechod báze-emitor rozloženo tak, že potenciál báze (typ p) je přibližně o 0,6 V vyšší než potenciál emitoru (typ n). Současně je na tento přechod přivedeno propustné napětí, je předepjatý a otevřený pro tok proudu z báze do emitoru.

    Přes přechod báze-kolektor je aplikováno mnohem vyšší napětí, přičemž potenciál kolektoru (typ n) je vyšší než potenciál báze (typ p). Takže na křižovatku je aplikováno zpětné napětí a je obráceně předpětí. To má za následek poměrně silnou vrstvu ochuzenou o elektrony v kolektoru poblíž báze, když je na tranzistor aplikováno napájecí napětí. Výsledkem je, že obvodem kolektor-emitor neprotéká žádný proud. Rozložení nábojů v přechodových zónách npn tranzistoru je znázorněno na obrázku níže.

    Jakou roli hraje základní proud?

    Jak zajistit, aby naše elektronické zařízení fungovalo? Princip činnosti tranzistoru spočívá v ovlivnění proudu báze na stavu uzavřeného přechodu báze-kolektor. Když je spojení mezi základnou a emitorem předpjaté, do základny poteče malý proud. Zde jsou jeho nosiči kladně nabité díry. Slučují se s elektrony přicházejícími z emitoru a poskytují proud I BE . Vzhledem k tomu, že je emitor velmi silně dopován, proudí z něj do báze mnohem více elektronů, než je schopno se s dírami spojit. To znamená, že v bázi je vysoká koncentrace elektronů a většina z nich ji překročí a dostane se do kolektorové vrstvy ochuzené o elektrony. Zde spadají pod vlivem silného elektrického pole aplikovaného na přechod báze-kolektor, procházejí vrstvou ochuzenou o elektrony a hlavním objemem kolektoru na jeho výstup.

    Změny proudu tekoucího do báze ovlivňují počet elektronů přitahovaných z emitoru. Principy činnosti tranzistorů lze tedy doplnit následujícím tvrzením: velmi malé změny proudu báze způsobují velmi velké změny proudu tekoucího z emitoru do kolektoru, tzn. dochází k zesílení proudu.

    Typy FET

    V angličtině se označují FET – Field Effect Transistors, což lze přeložit jako „tranzistory s efektem pole“. Ačkoli existuje mnoho nejasností ohledně jejich názvů, v zásadě existují dva hlavní typy:

    1. S ovládacím pn-přechodem. V anglické literatuře jsou označovány jako JFET nebo Junction FET, což lze přeložit jako „tranzistor s efektem přechodového pole“. Jinak se nazývají JUGFET nebo Junction Unipolar Gate FET.

    2. S izolovaným hradlem (jinak tranzistory MOS nebo MIS). V angličtině se označují jako IGFET nebo Insulated Gate FET.

    Navenek jsou velmi podobné bipolárním, což potvrzuje fotografie níže.

    FET zařízení

    Všechny tranzistory s efektem pole lze nazvat zařízeními UNIPOLE, protože nosiče náboje, které jimi tvoří proud, jsou pro daný tranzistor jediného typu - buď elektrony, nebo "díry", ale ne obojí současně. To odlišuje princip činnosti tranzistoru s efektem pole od bipolárního, ve kterém je proud generován současně oběma těmito typy nosičů.

    Nosiče proudu tečou v FET s řídicím pn přechodem podél vrstvy křemíku bez pn přechodů, nazývané kanál, s vedením buď n- nebo p-typu mezi dvěma terminály, nazývané „zdroj“ a „odvod“ - analogy emitoru a kolektor nebo přesněji katoda a anoda vakuové triody. Třetí výstup - hradlo (analogické s triodovou mřížkou) - je připojeno k křemíkové vrstvě s jiným typem vodivosti než má kanál zdroje-odvod. Struktura takového zařízení je znázorněna na obrázku níže.

    Jak funguje tranzistor s efektem pole? Jeho principem činnosti je řídit průřez kanálu přivedením napětí na přechod hradlo-kanál. Je vždy reverzní, takže tranzistor neodebírá téměř žádný proud přes obvod hradla, zatímco bipolární zařízení potřebuje k provozu určité množství proudu báze. Když se změní vstupní napětí, oblast hradla se může rozšířit a zablokovat kanál zdroje-odvod, dokud není zcela uzavřen, čímž se řídí odtokový proud.

    Elektronika nás obklopuje všude. Téměř nikdo se ale nezamýšlí nad tím, jak to celé funguje. Ve skutečnosti je vše docela jednoduché. To se dnes pokusíme ukázat. A začněme s tak důležitým prvkem, jako je tranzistor. Řekneme vám, co to je, co dělá a jak funguje tranzistor.

    Co je to tranzistor?

    Tranzistor- polovodičové zařízení určené k řízení elektrického proudu.

    Kde se používají tranzistory? Ano, všude! Téměř žádný moderní elektrický obvod se neobejde bez tranzistorů. Jsou široce používány při výrobě výpočetní techniky, audio a video zařízení.

    Časy, kdy Sovětské mikroobvody byly největší na světě, prošly a velikost moderních tranzistorů je velmi malá. Takže nejmenší z přístrojů má velikost řádově nanometr!

    Řídicí panel nano označuje velikost řádově deset až mínus devátá mocnina.

    Existují však obří exempláře, které se používají především v oblastech energetiky a průmyslu.

    Existují různé typy tranzistorů: bipolární a polární, přímé a reverzní vedení. Provoz těchto zařízení je však založen na stejném principu. Tranzistor je polovodičová součástka. Jak je známo, nosiče náboje v polovodiči jsou elektrony nebo díry.

    Oblast s přebytkem elektronů je označena písmenem n(negativní) a oblast s vodivostí otvoru p(pozitivní).

    Jak funguje tranzistor?

    Aby bylo vše velmi jasné, zvažte práci bipolární tranzistor (nejoblíbenější typ).

    (dále jen tranzistor) je polovodičový krystal (nejčastěji používaný křemík nebo germanium), rozdělené do tří zón s různou elektrickou vodivostí. Podle toho jsou zóny pojmenovány kolektor, základna A emitor. Tranzistorové zařízení a jeho schematické znázornění je znázorněno na obrázku níže.

    Samostatné tranzistory s přímou a zpětnou vodivostí. Tranzistory P-n-p se nazývají propustné tranzistory a tranzistory n-p-n se nazývají reverzní.

    Nyní o tom, jaké jsou dva režimy provozu tranzistorů. Samotná činnost tranzistoru je podobná činnosti vodovodního kohoutku nebo ventilu. Pouze místo vody - elektrický proud. Jsou možné dva stavy tranzistoru - pracovní (tranzistor otevřen) a klidový stav (tranzistor uzavřen).

    Co to znamená? Když je tranzistor zavřený, neprotéká jím žádný proud. V otevřeném stavu, kdy je do báze přiveden malý řídicí proud, se tranzistor otevře a emitorem-kolektorem začne protékat velký proud.

    Fyzikální procesy v tranzistoru

    A nyní více o tom, proč se vše děje tímto způsobem, tedy proč se tranzistor otevírá a zavírá. Vezměme si bipolární tranzistor. Nech to být n-p-n tranzistor.

    Pokud připojíte napájecí zdroj mezi kolektor a emitor, elektrony kolektoru se začnou přitahovat ke kladnému pólu, ale mezi kolektorem a emitorem nebude proud. Tomu brání základní vrstva a samotná vrstva emitoru.

    Pokud je však mezi bázi a emitor zapojen další zdroj, začnou elektrony z oblasti n emitoru pronikat do oblasti bází. V důsledku toho bude oblast báze obohacena o volné elektrony, z nichž některé budou rekombinovat s dírami, některé budou proudit do plusu báze a některé (většina) půjde do kolektoru.

    Tranzistor se tedy otevře a protéká v něm proud emitor-kolektor. Pokud se základní napětí zvýší, zvýší se také proud kolektor-emitor. Navíc při malé změně řídicího napětí je pozorováno výrazné zvýšení proudu kolektorem-emitorem. Právě na tomto efektu je založen provoz tranzistorů v zesilovačích.

    To je celý smysl toho, jak tranzistory v kostce fungují. Potřebujete přes noc navrhnout výkonový zesilovač s bipolárním tranzistorem nebo provést nějakou laboratorní práci pro studium činnosti tranzistoru? To není problém ani pro začátečníka, pokud využijete pomoci našich specialistů studentského servisu.

    Neváhejte a vyhledejte odbornou pomoc s důležitými záležitostmi, jako je studium! A teď, když už máte představu o tranzistorech, zveme vás k odpočinku a sledování videa skupiny Korn „Twisted transistor“! Například se rozhodnete, obraťte se na Korespondenci.

    Bipolární tranzistory jsou vyrobeny z dopovaných materiálů a mohou být dvou typů - NPN a PNP. Tranzistor má tři vývody, známé jako emitor (E), báze (B) a kolektor (C). Obrázek níže ukazuje NPN tranzistor, kde v hlavních provozních režimech (aktivní, saturace, cutoff) má kolektor kladný potenciál, emitor je záporný a báze se používá k řízení stavu tranzistoru.

    Fyzika polovodičů se v tomto článku zabývat nebudeme, nicméně stojí za zmínku, že bipolární tranzistor se skládá ze tří samostatných částí, oddělených dvěma p-n přechody. Tranzistor PNP má jednu oblast N oddělenou dvěma oblastmi P:

    Tranzistor NPN má jednu oblast P vloženou mezi dvě oblasti N:

    Křižovatky mezi oblastmi N a P jsou podobné přechodům v , a mohou být také dopředně a zpětně zaujaté p-n přechody. Tato zařízení mohou pracovat v různých režimech v závislosti na typu zkreslení:

    • Cutoff: Tento režim funguje také při přepínání. Mezi emitorem a kolektorem neprotéká žádný proud, prakticky „otevřený okruh“, tedy „kontakt je otevřený“.
    • Aktivní režim: tranzistor pracuje v obvodech zesilovače. V tomto režimu je jeho charakteristika téměř lineární. Mezi emitorem a kolektorem protéká proud, jehož hodnota závisí na hodnotě předpětí (řídícího) napětí mezi emitorem a bází.
    • Sytost: funguje při přepnutí. Mezi emitorem a kolektorem je prakticky „zkrat“, tedy „kontakt je sepnutý“.
    • Inverzní aktivní režim: Stejně jako v aktivním režimu je proud tranzistoru úměrný proudu báze, ale teče v opačném směru. Používaný velmi zřídka.

    V NPN tranzistoru je kladné napětí aplikováno na kolektor, aby se vytvořil proud z kolektoru do emitoru. V PNP tranzistoru se kladné napětí přivádí na emitor, aby se vytvořil proud z emitoru do kolektoru. V NPN proud teče z kolektoru (K) do emitoru (E):

    A v PNP proud teče z emitoru do kolektoru:

    Je zřejmé, že směry polarity proudu a napětí v PNP a NPN jsou vždy opačné. Tranzistory NPN vyžadují kladný výkon vůči zemi, zatímco tranzistory PNP vyžadují záporný výkon.

    PNP a NPN fungují téměř stejně, ale jejich režimy se liší kvůli polaritě. Například pro uvedení NPN do režimu saturace musí být U B vyšší než U K a U E. Níže je uveden stručný popis provozních režimů v závislosti na jejich napětí:

    Základním principem každého bipolárního tranzistoru je řízení proudu báze pro regulaci toku proudu mezi emitorem a kolektorem. Princip činnosti tranzistorů NPN a PNP je stejný. Jediný rozdíl je v polaritě napětí aplikovaných na jejich N-P-N a P-N-P přechody, tedy na emitor-báze-kolektor.

    TÉMA 4. BIPOLÁRNÍ TRANSISTORY

    4.1 Konstrukce a princip činnosti

    Bipolární tranzistor je polovodičová součástka sestávající ze tří oblastí se střídavými typy elektrické vodivosti a je vhodná pro zesílení výkonu.

    V současnosti vyráběné bipolární tranzistory lze klasifikovat podle následujících kritérií:

    Podle materiálu: germanium a křemík;

    Podle typu vodivosti oblastí: typ p-n-p a n-p-n;

    Podle výkonu: nízký (Pmax £ 0,3W), střední (Pmax £ 1,5W) a vysoký výkon (Pmax > 1,5W);

    Podle frekvence: nízkofrekvenční, středofrekvenční, vysokofrekvenční a mikrovlnná.

    U bipolárních tranzistorů je proud určen pohybem dvou typů nosičů náboje: elektronů a děr (nebo základních a vedlejších). Odtud jejich název – bipolární.

    V současnosti se vyrábějí a používají pouze tranzistory s planárními p-n přechody.

    Zařízení planárního bipolárního tranzistoru je schematicky znázorněno na Obr. 4.1.

    Je to deska z germania nebo křemíku, ve které jsou vytvořeny tři oblasti s různou elektrickou vodivostí. V n-p-n tranzistoru má střední oblast díru a krajní oblasti mají elektronickou elektrickou vodivost.

    Tranzistory typu p-n-p mají střední oblast s elektronickou a krajní oblasti s děrovou elektrickou vodivostí.

    Střední oblast tranzistoru se nazývá báze, jedna krajní oblast je emitor, druhá je kolektor. Tranzistor má tedy dva p-n-přechody: emitor - mezi emitorem a bází a kolektor - mezi bází a kolektorem. Oblast přechodu emitoru je menší než oblast přechodu kolektoru.

    Emitor je oblast tranzistoru, jejímž účelem je injektovat nosiče náboje do báze. Kolektor je oblast, jejímž účelem je extrahovat nosiče náboje ze základny. Báze je oblast, do které jsou emitorem injektovány nosiče náboje, které jsou pro tuto oblast vedlejší.

    Koncentrace majoritních nosičů náboje v zářiči je mnohonásobně větší než koncentrace majoritních nosičů náboje v bázi a jejich koncentrace v kolektoru je o něco menší než koncentrace v zářiči. Proto je vodivost emitoru o několik řádů vyšší než základní vodivost a vodivost kolektoru je o něco menší než vodivost emitoru.

    Závěry jsou vyvozeny ze základny, emitoru a kolektoru. Podle toho, který ze závěrů je společný pro vstupní a výstupní obvody, existují tři tranzistorové spínací obvody: se společnou bází (OB), společným emitorem (OE), společným kolektorem (OK).

    Vstupní neboli řídicí obvod se používá k řízení činnosti tranzistoru. Ve výstupním nebo řízeném obvodu jsou získány zesílené oscilace. Zdroj zesílených kmitů je připojen ke vstupnímu obvodu a zátěž je připojena k výstupnímu obvodu.

    Uvažujme princip činnosti tranzistoru na příkladu tranzistoru typu p-n-p zapojeného podle obvodu společné báze (obr. 4.2).

    Obrázek 4.2 - Princip činnosti bipolárního tranzistoru (typ p-n-p)

    Externí napětí dvou napájecích zdrojů EE a Ek jsou připojena k tranzistoru tak, že přechod P1 emitoru je předpjatý v propustném směru (propustné napětí) a přechod kolektoru P2 je předpětí v opačném směru (reverzní napětí ).

    Pokud je na přechod kolektoru přivedeno zpětné napětí a obvod emitoru je otevřený, pak v obvodu kolektoru protéká malý zpětný proud Iko (jednotky mikroampérů). Tento proud vzniká působením zpětného napětí a vzniká směrovým pohybem menšinových nosičů náboje základních otvorů a kolektorových elektronů přes kolektorový přechod. Obvodem protéká zpětný proud: +Ek, základna-kolektor, −Ek. Velikost zpětného proudu kolektoru nezávisí na kolektorovém napětí, ale závisí na teplotě polovodiče.

    Při připojení konstantního napětí EE k obvodu emitoru v propustném směru se potenciálová bariéra přechodu emitoru zmenšuje. Začíná injektáž (injektáž) otvorů do základny.

    Ukázalo se, že vnější napětí aplikované na tranzistor je aplikováno hlavně na přechody P1 a P2, protože mají vysoký odpor ve srovnání s odporem oblastí báze, emitoru a kolektoru. Proto se v ní otvory vstřikované do základny pohybují pomocí difúze. V tomto případě se díry rekombinují se základními elektrony. Vzhledem k tomu, že koncentrace nosičů v základně je mnohem menší než v emitoru, dochází k rekombinaci velmi málo děr. Při malé tloušťce základny dosáhnou téměř všechny otvory ke spoji kolektoru P2. Rekombinované elektrony jsou nahrazeny elektrony ze zdroje Ek. Díry, které se rekombinují s elektrony v bázi, vytvářejí základní proud IB.

    Působením zpětného napětí Ek se potenciálová bariéra kolektorového přechodu zvětšuje a tloušťka přechodu P2 se zvětšuje. Potenciální bariéra kolektorového přechodu však nebrání průchodu otvorů skrz něj. Otvory, které vstupují do oblasti kolektorového přechodu, spadají do silného urychlovacího pole vytvořeného na přechodu kolektorovým napětím a jsou kolektorem extrahovány (vtahovány), čímž vzniká kolektorový proud Ik. Obvodem protéká kolektorový proud: + Ek, základna-kolektor, -Ek.

    V tranzistoru tedy tečou tři proudy: proud emitoru, kolektoru a báze.

    Ve vodiči, který je výstupem báze, jsou emitorové a kolektorové proudy směrovány opačně. Proto se základní proud rovná rozdílu mezi proudem emitoru a kolektoru: IB \u003d IE - IK.

    Fyzikální procesy v tranzistoru typu n-p-n probíhají podobně jako procesy v tranzistoru typu p-n-p.

    Celkový proud emitoru IE je určen počtem hlavních nosičů náboje injektovaných emitorem. Hlavní část těchto nosičů náboje, dosahující kolektoru, vytváří kolektorový proud Ik. Nepodstatná část nosičů náboje vstřikovaných do báze se v bázi rekombinuje a vytváří základní proud IB. Proto bude proud emitoru rozdělen na proud bázový a kolektorový, tzn. IE \u003d IB + Ik.

    Proud emitoru je vstupní proud, kolektorový proud je výstupní. Výstupní proud je součástí vstupu, tzn.

    kde a je koeficient přenosu proudu pro obvod OB;

    Protože výstupní proud je menší než vstupní proud, koeficient a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

    V obvodu se společným emitorem je výstupní proud kolektorový proud a vstupní proud je základní proud. Proudové zesílení pro obvod OE:

    (4.3)

    V důsledku toho je proudový zisk pro obvod OE desítky jednotek.

    Výstupní proud tranzistoru závisí na vstupním proudu. Tranzistor je tedy proudově řízené zařízení.

    Změny proudu emitoru způsobené změnou přechodového napětí emitoru se plně přenesou do obvodu kolektoru, což způsobí změnu proudu kolektoru. A od té doby napětí kolektorového zdroje Ek je mnohem větší než napětí emitoru Ee, pak bude výkon spotřebovaný v kolektorovém obvodu Pk mnohem větší než výkon v emitorovém obvodu Re. Tak je možné řídit velký výkon v kolektorovém obvodu tranzistoru s malým výkonem vynaloženým v obvodu emitoru, tzn. dochází k nárůstu výkonu.

    4.2 Schémata zapínání bipolárních tranzistorů

    Tranzistor je zapojen do elektrického obvodu tak, že jedna z jeho svorek (elektroda) je vstupní, druhá je výstupní a třetí je společná pro vstupní a výstupní obvody. Podle toho, která elektroda je společná, existují tři tranzistorové spínací obvody: OB, OE a OK. Tyto obvody pro p-n-p tranzistor jsou znázorněny na Obr. 4.3. U tranzistoru n-p-n se ve spínacích obvodech mění pouze polarita napětí a směr proudů. Pro jakýkoli tranzistorový spínací obvod (v aktivním režimu) je třeba zvolit polaritu zapínání napájecích zdrojů tak, aby přechod emitoru byl zapnut v propustném směru a přechod kolektoru byl zapnut v opačném směru.

    Obrázek 4.3 - Schémata zapínání bipolárních tranzistorů: a) O; b) OE; c) Dobře

    4.3 Statické charakteristiky bipolárních tranzistorů

    Statický režim činnosti tranzistoru je režim, kdy ve výstupním obvodu není žádná zátěž.

    Statické charakteristiky tranzistorů se nazývají graficky vyjádřené závislosti napětí a proudu vstupního obvodu (input VAC) a výstupního obvodu (output VAC). Typ charakteristiky závisí na způsobu zapnutí tranzistoru.

    4.3.1 Charakteristika tranzistoru zapojeného podle obvodu OB

    IE \u003d f (UEB) s UKB \u003d const (obr. 4.4, a).

    IK \u003d f (UKB) s IE \u003d const (obr. 4.4, b).

    Obrázek 4.4 - Statická charakteristika bipolárního tranzistoru zapojeného podle obvodu OB

    Výstupní I–V charakteristiky mají tři charakteristické oblasti: 1 – silná závislost Ik na UKB (nelineární počáteční oblast); 2 – slabá závislost Ik na UKB (lineární region); 3 - porucha sběrné křižovatky.

    Charakteristickým rysem charakteristik v oblasti 2 je jejich mírný nárůst s rostoucím napětím UKB.

    4.3.2 Charakteristika tranzistoru zapojeného podle schématu OE:

    Vstupní charakteristikou je závislost:

    IB \u003d f (UBE) s UKE \u003d const (obr. 4.5, b).

    Výstupní charakteristika je závislost:

    IK \u003d f (UKE) s IB \u003d const (obr. 4.5, a).

    Obrázek 4.5 - Statická charakteristika bipolárního tranzistoru zapojeného podle OE obvodu

    Tranzistor v OE obvodu poskytuje proudový zisk. Proudové zesílení v OE obvodu: Jestliže koeficient a pro tranzistory a = 0,9¸0,99, pak koeficient b = 9¸99. To je nejdůležitější výhoda sepnutí tranzistoru podle obvodu OE, která zejména předurčuje širší praktické uplatnění tohoto spínacího obvodu oproti obvodu OB.

    Z principu činnosti tranzistoru je známo, že přes svorku báze tečou v opačném směru dvě složky proudu (obr. 4.6): zpětný proud kolektorového přechodu IKO a část proudu emitoru (1 - a). TJ. V tomto ohledu je nulová hodnota základního proudu (IB = 0) určena rovností indikovaných složek proudů, tzn. (1 − a)IE = IKO. Nulový vstupní proud odpovídá proudu emitoru IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO a proudu kolektoru. Jinými slovy, při nulovém základním proudu (IB \u003d 0) protéká tranzistorem v obvodu OE proud, nazývaný počáteční nebo průchozí proud IKO (E) a rovný (1 + b) IKO.

    Obrázek 4.6 - Spínací obvod pro tranzistor se společným emitorem (obvod OE)

    4.4 Základní parametry

    Pro rozbor a výpočet obvodů s bipolárními tranzistory se používají tzv. h - parametry tranzistoru zapojeného podle OE obvodu.

    Elektrický stav tranzistoru zapojeného podle obvodu OE je charakterizován hodnotami IB, IBE, IK, UKE.

    Systém h - parametrů zahrnuje následující veličiny:

    1. Vstupní impedance

    h11 = DU1/DI1 s U2 = konst. (4.4)

    představuje odpor tranzistoru vůči střídavému vstupnímu proudu, při kterém dojde ke zkratu na výstupu, tzn. při absenci výstupního střídavého napětí.

    2. Poměr zpětné vazby napětí:

    h12 = DU1/DU2 s I1= konst. (4.5)

    ukazuje, jaký podíl vstupního střídavého napětí je přenášen na vstup tranzistoru díky zpětné vazbě v něm.

    3. Součinitel aktuální síly (součinitel přenosu proudu):

    h21 = DI2/DI1 s U2= konst. (4.6)

    ukazuje AC zesílení tranzistoru v režimu bez zátěže.

    4. Výstupní vodivost:

    h22 = DI2/DU2 s I1 = konst. (4.7)

    představuje střídavou vodivost mezi výstupními svorkami tranzistoru.

    Výstupní odpor Rout = 1/h22.

    Pro obvod se společným emitorem platí následující rovnice:

    (4.8)

    Aby se zabránilo přehřátí kolektorového přechodu, je nutné, aby výkon v něm uvolněný při průchodu kolektorového proudu nepřekročil určitou maximální hodnotu:

    (4.9)

    Kromě toho existují omezení pro napětí kolektoru:

    a kolektorový proud:

    4.5 Pracovní režimy bipolárních tranzistorů

    Tranzistor může pracovat ve třech režimech v závislosti na napětí na jeho přechodech. Při provozu v aktivním režimu je napětí přímé na přechodu emitoru a obrácené na přechodu kolektoru.

    Režim cut-off neboli blokování je dosaženo přivedením zpětného napětí na oba přechody (oba p-n-přechody jsou uzavřeny).

    Pokud je napětí na obou přechodech přímé (oba p-n-přechody jsou otevřené), pak tranzistor pracuje v saturačním režimu.

    V režimech cutoff a saturation není téměř žádné tranzistorové řízení. V aktivním režimu se takové řízení provádí nejúčinněji a tranzistor může vykonávat funkce aktivního prvku elektrického obvodu (zesílení, generování atd.).

    4.6 Rozsah

    Bipolární tranzistory jsou polovodičová zařízení pro univerzální použití a jsou široce používány v různých zesilovačích, generátorech, pulzních a klíčových zařízeních.

    4.7 Nejjednodušší zesilovací stupeň na bipolárním tranzistoru

    Největší uplatnění nachází tranzistorový spínací obvod podle obvodu se společným emitorem (obr. 4.7)

    Hlavními prvky obvodu jsou napájecí zdroj Ek, řízeným prvkem je tranzistor VT a rezistor Rk. Tyto prvky tvoří hlavní (výstupní) obvod zesilovacího stupně, ve kterém vlivem toku řízeného proudu vzniká na výstupu obvodu zesílené střídavé napětí.

    Zbývající prvky hrají podpůrnou roli. Kondenzátor Cp se odděluje. Při absenci tohoto kondenzátoru by se v obvodu zdroje vstupního signálu vytvořil stejnosměrný proud ze zdroje Ek.

    Obrázek 4.7 - Schéma nejjednoduššího zesilovacího stupně na bipolárním tranzistoru podle obvodu se společným emitorem

    Rezistor RB, zařazený v obvodu báze, zajišťuje činnost tranzistoru v klidovém režimu, tzn. při absenci vstupního signálu. Klidový režim zajišťuje klidový proud IB » Ek/RB.

    Pomocí rezistoru Rk se vytvoří výstupní napětí, tzn. Rk plní funkci vytváření měnícího se napětí ve výstupním obvodu v důsledku toku proudu v něm, řízeného základním obvodem.

    Pro kolektorový obvod zesilovacího stupně lze napsat následující rovnici elektrického stavu:

    Ek \u003d Uke + IkRk, (4.10)

    tj. součet úbytku napětí na rezistoru Rk a napětí kolektor-emitor Uke tranzistoru je vždy roven konstantní hodnotě - EMF zdroje Ek.

    Proces zesílení je založen na přeměně energie zdroje konstantního napětí Ek na energii střídavého napětí ve výstupním obvodu v důsledku změny odporu řízeného prvku (tranzistoru) podle zákona určeného vstupem. signál.

    Při přivedení střídavého napětí uin na vstup zesilovacího stupně vzniká v obvodu báze tranzistoru složka střídavého proudu IB ~, což znamená, že se proud báze bude měnit. Změna proudu báze vede ke změně hodnoty kolektorového proudu (IK = bIB), a tím i ke změně hodnot napětí na odporu Rk a Uke. Zesilovací schopnosti jsou způsobeny tím, že změna hodnot kolektorového proudu je bkrát větší než základní proud.

    4.8 Výpočet elektrických obvodů s bipolárními tranzistory

    Pro kolektorový obvod zesilovacího stupně (obr. 4.7) platí v souladu s druhým Kirchhoffovým zákonem rovnice (4.10).

    Voltampérová charakteristika kolektorového rezistoru RK je lineární a voltampérová charakteristika tranzistoru jsou nelineární kolektorové charakteristiky tranzistoru (obr. 4.5, a) zapojeného podle OE obvodu.

    Výpočet takového nelineárního obvodu, tedy určení IK, URK a UKE pro různé hodnoty základních proudů IB a odporu rezistoru RK, lze provést graficky. K tomu je na řadě kolektorových charakteristik (obr. 4.5, a) nutné nakreslit z bodu EK na ose vodorovné volty - proudovou charakteristiku odporu RK, která splňuje rovnici:

    Uke \u003d Ek - RkIk. (4.11)

    Tato vlastnost je postavena na dvou bodech:

    Uke =Ek v Ik = 0 na ose x a Ik = Ek/Rk v Uke = 0 na ose y. CVC takto zkonstruovaného kolektorového rezistoru Rk se nazývá zatěžovací čára. Jeho průsečíky s charakteristikou kolektoru dávají grafické řešení rovnice (4.11) pro daný odpor Rk a různé hodnoty proudu báze IB. Těmito body lze určit kolektorový proud Ik, který je stejný pro tranzistor i rezistor Rk, a také napětí UKE a URK.

    Průsečík zatěžovací čáry s jednou ze statických IV charakteristik se nazývá pracovní bod tranzistoru. Změnou IB jej můžete posouvat podél čáry zatížení. Počáteční poloha tohoto bodu v nepřítomnosti vstupního proměnného signálu se nazývá klidový bod − Т0.

    a) b)

    Obrázek 4.8 - Grafoanalytický výpočet pracovního režimu tranzistoru pomocí výstupní a vstupní charakteristiky.

    Bod klidu (pracovní bod) T0 určuje aktuální IKP a napětí UKEP v klidovém režimu. Z těchto hodnot lze zjistit výkon RCP, uvolněného v tranzistoru v klidovém režimu, který by neměl překročit maximální výkon PK max, což je jeden z parametrů tranzistoru:

    RKP = IKP ×UKEP Kč RK max. (4.12)

    Referenční knihy obvykle neposkytují skupinu vstupních charakteristik, ale pouze charakteristiky pro UKE = 0 a pro některé UKE > 0.

    Vstupní charakteristiky pro různé UKE přesahující 1V jsou velmi blízko sebe. Proto lze výpočet vstupních proudů a napětí přibližně provést podle vstupní charakteristiky pro UKE > 0, převzaté z referenční knihy.

    Do této křivky se přenesou body A, To a B výstupní provozní charakteristiky a získají se body A1, T1 a B1 (obr. 4.8, b). Pracovní bod T1 určuje konstantní napětí báze UBEP a konstantní proud báze IBP.

    Odpor rezistoru RB (zajišťuje činnost tranzistoru v klidovém režimu), přes který bude ze zdroje EK přiváděno konstantní napětí do báze:

    (4.13)

    V aktivním (zesilovacím) režimu se klidový bod tranzistoru To nachází přibližně uprostřed úseku zátěže AB a pracovní bod nepřesahuje úsek AB.

    Mezi jednoduchým spínacím obvodem a lineárním tranzistorovým zesilovačem je zřejmý rozdíl. V normálně pracujícím lineárním zesilovači je kolektorový proud vždy přímo úměrný proudu báze. Ve spínacím obvodu, jako je na Obr. 1. je kolektorový proud určen především napájecím napětím V CC a zatěžovacím odporem R L . Režim saturace tranzistoru je poměrně důležitý a zaslouží si podrobnou diskusi.

    Rýže. 1. Ilustrace režimu sytosti. Tranzistor funguje jako klíč k rozsvícení lampy.

    Zvažte, co se stane s kolektorovým proudem v obvodu na obr. 1, pokud se základní proud postupně zvyšuje od nuly. Když je spínač S 1 rozpojen, neteče proud báze a kolektorový proud je zanedbatelný. Uzavření S 1 vede ke vzniku základního proudu I B \u003d V CC / R B, kde jsme zanedbali potenciálový rozdíl na přechodu báze-emitor. Kolektorový proud protékající zátěží R L je I C =h FE V CC /R B . Pro konkrétní obvod znázorněný na obrázku s h FE = 100 a maximální hodnotou R B (50 kOhm) dostaneme:

    I C \u003d 100x10 / 5000 A \u003d 20 mA

    Úbytek napětí na R L je určen součinem R L I C a v našem případě je 50 x 0,02 = 1 V. Tranzistor je v lineárním režimu; snížení R B vede ke zvýšení základního proudu, zvýšení kolektorového proudu a následně ke zvýšení úbytku napětí na R L . Za těchto podmínek by obvod mohl být použit jako zesilovač napětí.

    Nyní zvažte případ, kdy

    a základní proud je

    I B \u003d V CC / R B \u003d V CC / (h FE R L)

    Proto je kolektorový proud

    I C \u003d (h FE V CC) / (h FE R L) \u003d V CC /R L

    Z hlediska zátěže se tranzistor chová jako dvojice spínacích kontaktů. Z Ohmova zákona vyplývá, že zatěžovací proud v této situaci nemůže překročit V CC /R L . Proto další zvýšení proudu báze nemůže zvýšit kolektorový proud, který je nyní určen pouze odporem zátěže a napájecím napětím. Tranzistor je v saturaci. V praxi, když se tranzistor nasytí, mezi kolektorem a emitorem vždy zůstane malé napětí, obvykle označované V CE(sat) . Zpravidla je to méně než 1 V a může dosáhnout až 0,1 V u tranzistorů speciálně navržených pro práci jako spínače. Typicky se V CE(sat) snižuje, jak stále více proudu protéká přechodem báze-emitor, to znamená v případě, kdy poměr kolektorového proudu I C k proudu báze I B je výrazně menší než proudové zesílení tranzistoru h FE .

    Zhruba řečeno, k hlubokému nasycení (malá hodnota V CE(sat)) dochází, když

    I C/I B< h FE /5

    Pro obvod, jako je ten, který je znázorněn na obr. 1, kdy základní proud je dán jednoduše připojením odporu ke zdroji, zvolíme

    R B / R L< h FE /5

    Proto pro obvod na Obr. 1, za předpokladu typické hodnoty pro tranzistor 2N3053 (obdoba KT630B - viz analogy tuzemských a zahraničních tranzistorů) hodnotu aktuálního zesilovacího činitele h FE = 150, máme

    R B / R L< 150/5 = 30.

    Proto při R L = 50 Ohm volíme

    R B< 30 х 50 Ом = 1,5 кОм.

    Pokud je tedy jako zátěž použita lampa s odporem 50 ohmů, pak pro její efektivní rozsvícení bychom měli zvolit odpor základního odporu menší než 1,5 kOhm. Pokud to není možné, když je například jako R B použit fotorezistor s minimálním odporem 10 kΩ, pak by měl být pro zvýšení proudového zesílení použit Darlingtonův obvod.

    Pokud bipolární tranzistor pracuje s kolektorovým proudem blízkým maximu a je nutné udržovat napětí V CE (sat) na úrovni zlomků voltu, pak v důsledku poklesu h FE bude proud báze větší než Může být potřeba I s / 10.

    Může být překvapením, že VCE(sat) může být mnohem menší než VBE, což je u křemíkového tranzistoru asi 0,6 V. Je to proto, že přechod kolektor-základ je v saturačním režimu dopředu zaujatý. Máme tedy dva p-n přechody, dopředně zatížené, vzájemně propojené tak, že poklesy napětí na nich se navzájem ruší. Tato schopnost bipolárního tranzistoru mít velmi malý úbytek napětí mezi kolektorem a emitorem v saturačním režimu z něj činí velmi užitečné spínací zařízení. Mnoho z nejdůležitějších aplikací elektroniky, včetně rozsáhlé oblasti digitální elektroniky, používá spínací obvody.

    Ve spínacím režimu tranzistor pracuje buď s prakticky nulovým kolektorovým proudem (tranzistor vypnutý) nebo s prakticky nulovým kolektorovým napětím (tranzistor zapnut). V obou případech je výkon rozptýlený v tranzistoru velmi malý. Významný výkon se ztratí pouze v době, kdy dojde k přepnutí: v tomto okamžiku jsou jak napětí kolektor-emitor, tak proud kolektoru konečné.

    Nízkovýkonový tranzistor, jako je 2N3053, s maximálním ztrátovým výkonem menším než jeden watt, může přepnout několik wattů energie do zátěže. Je třeba věnovat pozornost skutečnosti, že maximální hodnoty napětí a proudu kolektoru by neměly překročit povolené limity; kromě toho je žádoucí provádět přepínání co nejrychleji, aby se zabránilo nadměrnému ztrátovému výkonu.

    Přečtěte si více: