Jaký je aktivní režim tranzistoru. Co je to bipolární tranzistor a jak jej testovat

Bipolární tranzistory jsou polovodičová zařízení se třemi elektrodami zapojenými do tří vrstev v sérii, s různou vodivostí. Na rozdíl od jiných tranzistorů, které nesou jeden typ náboje, je schopen nést dva typy najednou.

Schémata zapojení pomocí bipolárních tranzistorů závisí na prováděné práci a typu vedení. Vodivost může být elektronická, dírová.

Druhy bipolárních tranzistorů

Bipolární tranzistory se dělí podle různých kritérií do typů podle:

• Výrobní materiál: křemík nebo arsenid galia.
• hodnota frekvence: do 3 MHz - nízké, do 30 MHz - střední, do 300 MHz - vysoké, více než 300 MHz - ultra vysoké.
• nejvyšší ztrátový výkon: 0-0,3W, 0,3-3W, přes 3W.
• Typ zařízení: 3 vrstvy polovodiče se sekvenčním pořadím typu vedení.

Zařízení a práce

Vrstvy tranzistoru, vnitřní i vnější, jsou kombinovány s vestavěnými elektrodami, které mají své vlastní názvy ve formě báze, emitoru a kolektoru.

Neexistují žádné zvláštní rozdíly v typech vodivosti pro kolektor a emitor, nicméně procento začlenění nečistot do kolektoru je mnohem nižší, což umožňuje zvýšit přípustné napětí na výstupu.

Střední vrstva polovodiče (základna) má vysokou hodnotu odporu, protože je vyrobena z lehce legovaného materiálu. Je v kontaktu s kolektorem na velké ploše. To umožňuje zvýšit chladič, což je nutné kvůli uvolňování tepla z posunutí přechodu v druhém směru. Dobrý kontakt báze-kolektor umožňuje snadný průchod minoritních elektronů.

Přechodové vrstvy jsou vyrobeny podle stejného principu. Bipolární tranzistory jsou však považovány za zařízení s jedním koncem. Při střídání extrémních vrstev v místech se stejnou vodivostí je nemožné vytvořit podobné parametry polovodiče.

Schémata zapojení tranzistoru jsou navržena tak, že jej mohou poskytnout v uzavřeném i otevřeném stavu. V aktivním provozu, když je polovodič otevřený, je emitor předpětí v propustném směru. Abyste tomuto návrhu plně porozuměli, je potřeba zapojit napájecí napětí podle zobrazeného schématu.

V tomto případě je hranice na 2. přechodu kolektoru uzavřena, neprotéká jí proud. V praxi dochází k opačnému jevu v důsledku sousedních přechodů, jejich vzájemného ovlivnění. Vzhledem k tomu, že záporný pól baterie je připojen k emitoru, umožňuje přechod otevřeného typu elektronům procházet do báze, ve které se rekombinují s otvory, které jsou hlavními nosiči. Objeví se základní proud Ib. Čím vyšší je základní proud, tím větší je výstupní proud. To je princip fungování zesilovačů.

Bází proudí pouze difúzní pohyb elektronů, protože zde nedochází k žádné práci elektrického pole. Vzhledem k malé tloušťce této vrstvy a výraznému gradientu částic se téměř všechny dostávají do kolektoru, přestože základna má vysoký odpor. Na křižovatce je elektrické pole, které podporuje transport a přitahuje je dovnitř. Proudy emitoru a kolektoru jsou stejné, s výjimkou malé ztráty náboje z redistribuce na základně: I e \u003d I b + I to.

Charakteristika

• proudový zesilovací faktor β = I až / I b.
• Zisk napětí U ekv / U být.
• Vstupní odpor.
• Kmitočtová charakteristika - schopnost tranzistoru pracovat do určité frekvence, za kterou jsou přechodové procesy pozdě na změnu signálu.

Provozní režimy a schémata

Typ obvodu ovlivňuje režim činnosti bipolárního tranzistoru. Signál lze odstranit a dát na dvě místa pro různé případy a jsou zde tři elektrody. Jedna libovolná elektroda tedy musí být současně výstupem i vstupem. Všechny bipolární tranzistory jsou zapojeny podle tohoto principu a mají tři typy obvodů, které budeme zvažovat níže.

Společný kolektorový okruh

Signál prochází odporem R L, který je rovněž součástí kolektorového okruhu.

Takové schéma připojení umožňuje vytvořit pouze proudový zesilovač. Výhodou takového emitorového sledovače je vytvoření značného odporu na vstupu. To umožňuje sladit stupně zisku.

Obvod společné báze

V obvodu lze najít nevýhodu v podobě malého vstupního odporu. Jako oscilátor se nejčastěji používá obvod se společnou bází.

Obvod společného emitoru

Nejčastěji se při použití bipolárních tranzistorů provádí obvod se společným emitorem. Napětí prochází zatěžovacím odporem R L, napájení je připojeno k emitoru se záporným pólem.

Signál s proměnnou hodnotou přichází na základnu a emitor. V kolektorovém okruhu má větší hodnotu. Hlavními prvky obvodu jsou rezistor, tranzistor a výstupní obvod zesilovače se zdrojem energie. Přídavné ocelové prvky: kapacita Od 1, který neumožňuje průchod proudu na vstup, odpor R1, díky kterému se tranzistor otevírá.

V kolektorovém obvodu se napětí a odpor tranzistoru rovnají hodnotě EMF: E= IkRk+Vke.

Z toho vyplývá, že malý signál Ec určuje pravidlo pro změnu rozdílu potenciálu na proměnném výstupu tranzistorového měniče. Takový obvod umožňuje mnohonásobně zvýšit vstupní proud, stejně jako napětí a výkon.

Mezi nevýhody takového obvodu lze jmenovat nízký odpor na vstupu (až 1 kOhm). V důsledku toho vznikají problémy s tvorbou kaskád. Výstupní odpor je od 2 do 20 kOhm.

Uvažovaná schémata ukazují působení bipolárního tranzistoru. Jeho činnost je ovlivněna frekvencí signálu a přehříváním. K vyřešení tohoto problému se uplatňují další samostatná opatření. Uzemnění emitoru vytváří zkreslení na výstupu. Pro vytvoření spolehlivosti obvodu jsou připojeny filtry, zpětné vazby atd. Po takových opatřeních obvod funguje lépe, ale zisk klesá.

Provozní režimy

Rychlost tranzistoru je ovlivněna hodnotou připojeného napětí. Zvažte různé režimy provozu na příkladu obvodu, ve kterém jsou bipolární tranzistory spojeny se společným emitorem.

odříznout

Tento režim se vytvoří, když napětí VBE klesne na 0,7 voltu. V tomto případě se přechod emitoru uzavře a v kolektoru není žádný proud, protože v základně nejsou žádné elektrony a tranzistor zůstává uzavřen.

Aktivní režim

Když se na bázi přivede napětí dostatečné k otevření tranzistoru, objeví se malý vstupní proud a velký výstupní proud. Záleží na velikosti zisku. Tranzistor v tomto případě funguje jako zesilovač.

Režim saturace

Tato práce má své vlastní odlišnosti od aktivního režimu. Polovodič se otevře až do konce, kolektorový proud dosáhne maximální hodnoty. Jeho zvýšení lze dosáhnout pouze změnou zátěže, případně EMF výstupního obvodu. Úprava proudu báze nemění kolektorový proud. Režim saturace má vlastnosti v tom, že tranzistor je plně otevřený a funguje jako spínač. Pokud zkombinujete režimy saturace a cutoff bipolárních tranzistorů, můžete vytvořit klíče.

Výstupní charakteristické vlastnosti ovlivňují režimy. To je znázorněno na grafu.

Při vykreslování segmentů na souřadnicových osách odpovídajících nejvyššímu kolektorovému proudu a velikosti napětí a následném spojení konců mezi sebou se vytvoří červená zatěžovací čára. Graf ukazuje, že bod proudu a napětí se bude posouvat nahoru podél zatěžovací čáry se zvýšením základního proudu.

Oblast mezi šrafovanou výstupní charakteristikou a osou Vke je hraniční práce. V tomto případě je tranzistor uzavřen a převrácená hodnota proudu je malá. Charakteristika v bodě A nahoře se protíná se zátěží, načež se s následným zvýšením I V již kolektorový proud nemění. Na grafu je oblast nasycení stínovaná část mezi osou Ik a nejstrmějším grafem.

Bipolární tranzistory v různých režimech

Tranzistor interaguje s různými druhy signálů ve vstupním obvodu. Tranzistor se v zásadě používá v zesilovačích. Vstupní AC signál mění výstupní proud. V tomto případě se používají obvody se společným emitorem nebo kolektorem. Ve výstupním obvodu potřebuje signál zátěž.

Nejčastěji se to provádí pomocí odporu instalovaného ve výstupním obvodu kolektoru. Při jeho správné volbě bude hodnota napětí na výstupu mnohem větší než na vstupu.

Při převodu pulzního signálu zůstává režim stejný jako u sinusových signálů. Kvalita změny harmonických je dána frekvenčními charakteristikami polovodičů.

Přepnout režim

Tranzistorové klíče se používají pro bezkontaktní spínání v elektrických obvodech. Tato práce spočívá v přerušovaném nastavování hodnoty odporu polovodiče. Bipolární tranzistory jsou nejvíce použitelné ve spínacích zařízeních.

Polovodiče se používají v obvodech měnících signál. Jejich všestranný výkon a široká klasifikace umožňuje použití tranzistorů v různých obvodech, které určují jejich výkonnostní schopnosti. Hlavními použitými obvody jsou zesilovací a spínací obvody.

Dobré odpoledne přátelé!

Dnes budeme pokračovat v seznamování s elektronickými „cihlami“ počítačového hardwaru. Již jsme s vámi zvažovali, jak jsou uspořádány tranzistory s efektem pole, které jsou nutně přítomny na každé základní desce počítače.

Pohodlně se usaďte - nyní vynaložíme intelektuální úsilí a pokusíme se přijít na to, jak

bipolární tranzistor

Bipolární tranzistor je polovodičové zařízení, které je široce používáno v elektronických produktech, včetně počítačových napájecích zdrojů.

Slovo "tranzistor" (tranzistor) je vytvořeno ze dvou anglických slov - "translate" a "rezistor", což znamená "převodník odporu".

Slovo "bipolární" označuje, že proud v zařízení je způsoben nabitými částicemi dvou polarit - negativní (elektrony) a pozitivní (tzv. "díry").

„Díra“ není žargon, ale docela vědecký termín. „Díra“ je nekompenzovaný kladný náboj, nebo jinými slovy nepřítomnost elektronu v krystalové mřížce polovodiče.

Bipolární tranzistor je třívrstvá struktura se střídajícími se typy polovodičů.

Protože existují dva typy polovodičů, pozitivní (pozitivní, p-typ) a negativní (negativní, n-typ), mohou existovat dva typy takové struktury - p-n-p a n-p-n.

Střední oblast takové struktury se nazývá báze a krajní oblasti se nazývají emitor a kolektor.

Na schématech jsou bipolární tranzistory označeny určitým způsobem (viz obrázek). Vidíme, že tranzistor je v podstatě p-n přechod zapojený do série.

Záložní otázka - proč nelze nahradit tranzistor dvěma diodami? Koneckonců, každý z nich má p-n přechod, ne? Zapnul jsem dvě diody v sérii - a je to v pytli!

Ne! Faktem je, že základna v tranzistoru je při výrobě vyrobena velmi tenká, čehož nelze dosáhnout připojením dvou samostatných diod.

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Poměr kolektorového proudu k proudu báze se nazývá proudový zisk a může se pohybovat od několika jednotek do několika stovek.

Zajímavé je, že u nízkovýkonových tranzistorů je často vyšší než u výkonných (a ne naopak, jak by si někdo mohl myslet).

Rozdíl je v tom, že na rozdíl od brány FET je při řízení vždy přítomen proud báze, tzn. určitá síla je vždy vynaložena na kontrolu.

Čím větší je napětí mezi emitorem a bází, tím větší je proud báze a tím větší je i kolektorový proud. Každý tranzistor má však maximální povolené napětí mezi emitorem a bází a mezi emitorem a kolektorem. Za překročení těchto parametrů budete muset zaplatit novým tranzistorem.

V provozním režimu je spojení báze-emitor obvykle otevřené a spojení báze-kolektor je uzavřeno.

Bipolární tranzistor, stejně jako relé, může také pracovat v režimu klíče. Pokud přivedete dostatečný proud do báze (zavřít tlačítko S1), bude tranzistor dobře otevřený. Lampa se rozsvítí.

V tomto případě bude odpor mezi emitorem a kolektorem malý.

Pokles napětí v sekci emitor-kolektor bude několik desetin voltu.

Pokud pak přestanete dodávat proud do báze (otevřete S1), tranzistor se uzavře, tzn. odpor mezi emitorem a kolektorem bude velmi vysoký.

Lampa zhasne.

Jak otestovat bipolární tranzistor?

Vzhledem k tomu, že bipolární tranzistor se skládá ze dvou p-n přechodů, je docela snadné jej zkontrolovat digitálním testerem.

Přepínač provozu testeru je nutné nastavit do polohy připojením jedné sondy k základně a druhé postupně k emitoru a kolektoru.

Ve skutečnosti jednoduše postupně kontrolujeme stav p-n přechodů.

Takový přechod může být otevřený nebo uzavřený.

Poté musíte změnit polaritu sond a opakovat měření.

V jednom případě tester vykáže úbytek napětí na přechodech emitor-báze a kolektor-báze 0,6 - 0,7 V (oba přechody jsou otevřené).

V druhém případě se oba přechody uzavřou a tester to zaznamená.

Je třeba poznamenat, že v provozním režimu je nejčastěji jeden z tranzistorových přechodů otevřený a druhý je uzavřen.

Měření koeficientu přenosu proudu bipolárního tranzistoru

Pokud má tester schopnost měřit koeficient přenosu proudu, můžete zkontrolovat funkčnost tranzistoru instalací tranzistorových výstupů do příslušných zásuvek.

Proudový přenosový poměr je poměr kolektorového proudu k proudu báze.

Čím větší je koeficient přenosu, tím větší může být kolektorový proud řízen základním proudem, přičemž všechny ostatní věci jsou stejné.

Pinout (název pinů) a další údaje lze převzít z datových listů (referenční údaje) pro příslušný tranzistor. Datové listy lze najít online prostřednictvím vyhledávačů.

Tester zobrazí na displeji aktuální přenosový (zesilovací) poměr, který je nutné porovnat s referenčními údaji.

Součinitel přenosu proudu tranzistorů s nízkým výkonem může dosáhnout několika stovek.

U výkonných tranzistorů je to výrazně méně – pár jednotek či desítek.

Existují však výkonné tranzistory s přenosovým poměrem několika stovek nebo tisíců. Jedná se o tzv. Darlingtonovy páry.

Darlingtonův pár jsou dva tranzistory. Výstupní proud prvního tranzistoru je vstupním proudem pro druhý.

Celkový koeficient přenosu proudu je součinem koeficientů prvního a druhého tranzistoru.

Darlingtonův pár je vyroben ve společném pouzdru, ale může být vyroben i ze dvou samostatných tranzistorů.

Integrovaná diodová ochrana

Některé tranzistory (výkonové a vysokonapěťové) mohou být chráněny před zpětným napětím vestavěnou diodou.

Pokud tedy připojíte sondy testeru k emitoru a kolektoru v režimu testu diody, pak bude ukazovat stejné 0,6 - 0,7 V (pokud je dioda předpjatá v propustném směru) nebo "uzamčená dioda" (pokud je dioda zaujatý v opačném směru).

Pokud tester ukazuje nějaké mírné napětí, a to dokonce v obou směrech, pak tranzistor je definitivně rozbitý a je třeba jej vyměnit. Zkrat lze určit i v režimu měření odporu - tester ukáže nízký odpor.

Tam je (naštěstí, docela zřídka) "střední" porucha tranzistorů. To je, když zpočátku funguje a po nějaké době (nebo po zahřátí) změní své parametry nebo úplně selže.

Pokud takový tranzistor odpájíte a zkontrolujete testerem, pak stihne vychladnout, než se připojí sondy, a tester ukáže, že je to normální. Nejlepší je to ověřit výměnou „podezřelého“ tranzistoru v zařízení.

Na závěr říkáme, že bipolární tranzistor je jedním z hlavních „kusů železa“ v elektronice. Bylo by hezké naučit se zjistit, zda jsou tyto „kusy železa“ „živé“ nebo ne. Samozřejmě jsem vám, milí čtenáři, poskytl velmi zjednodušený obrázek.

Ve skutečnosti je činnost bipolárního tranzistoru popsána mnoha vzorci, existuje mnoho druhů, ale je to složitá věda. Pro ty, kteří se chtějí ponořit hlouběji, mohu doporučit úžasnou knihu Horowitze a Hilla, The Art of Circuitry.

Tranzistory pro vaše experimenty lze zakoupit

Uvidíme se na blogu!

Tranzistor

Tranzistor je polovodičové zařízení, které umožňuje slabšímu signálu ovládat silnější signál. Kvůli této vlastnosti se často mluví o schopnosti tranzistoru zesílit signál. I když ve skutečnosti nic nezesiluje, ale jednoduše umožňuje zapnout a vypnout velký proud s mnohem slabšími proudy. Tranzistory jsou v elektronice velmi rozšířené, protože výstup jakéhokoli regulátoru může zřídka produkovat proud větší než 40 mA, proto již nelze napájet přímo z mikrokontroléru ani 2-3 nízkopříkonové LED. Zde přicházejí na pomoc tranzistory. Článek pojednává o hlavních typech tranzistorů, rozdílech mezi bipolárními tranzistory P-N-P a N-P-N, P-kanálu od N-kanálových tranzistorů s efektem pole, pojednává o hlavních jemnostech připojení tranzistorů a odhaluje oblasti jejich použití.

Nezaměňujte tranzistor s relé. Relé je jednoduchý spínač. Podstata jeho práce v uzavírání a otevírání kovových kontaktů. Tranzistor je složitější a jeho činnost je založena na přechodu elektron-díra. Pokud máte zájem dozvědět se o tom více, můžete se podívat na vynikající video, které vás provede provozem tranzistoru od jednoduchého po složité. Nenechte se zmást rokem výroby videa – fyzikální zákony se od té doby nezměnily a novější video, ve kterém je materiál prezentován v tak vysoké kvalitě, se nepodařilo najít:

Typy tranzistorů

bipolární tranzistor

Bipolární tranzistor je navržen pro pohon lehkých zátěží (jako jsou motory s nízkým výkonem a serva). Má vždy tři výstupy:

Kolektor (anglicky kolektor) - je přivedeno vysoké napětí, které řídí tranzistor

• Báze (anglicky base) - proud je dodáván nebo vypnut pro otevření nebo zavření tranzistoru

Emitter (anglicky emitter) - "konečný" výstup tranzistoru. Protéká jím proud z kolektoru a základny.

Bipolární tranzistor je řízen proudem. Čím více proudu je aplikováno na bázi, tím více proudu poteče z kolektoru do emitoru. Poměr proudu procházejícího z emitoru do kolektoru k proudu bází tranzistoru se nazývá zesílení. Označeno jako hfe (v anglické literatuře se nazývá zisk).

Například pokud hfe= 150, a bází projde 0,2 mA, pak přes sebe tranzistor projde maximálně 30 mA. Pokud je připojena součástka, která odebírá 25 mA (například LED), bude mít 25 mA. Pokud je připojena součástka, která odebírá 150 mA, bude jí poskytnuto maximálně 30 mA. V dokumentaci ke kontaktu jsou uvedeny maximální přípustné hodnoty proudů a napětí základna-> emitor A kolektor -> emitor . Překročení těchto hodnot vede k přehřátí a selhání tranzistoru.

Vtipné obrázky:

Bipolární tranzistory NPN a PNP

Existují 2 typy polárních tranzistorů: NPN A PNP. Liší se střídáním vrstev. N (z negativní - negativní) je vrstva s přebytkem negativních nosičů náboje (elektronů), P (z pozitivní - pozitivní) je vrstva s přebytkem kladných nosičů náboje (otvorů). Více o elektronech a dírách se dozvíte ve videu výše.

Chování tranzistorů závisí na střídání vrstev. Výše uvedená animace ukazuje NPN tranzistor. V PNPřízení tranzistoru je obrácené - proud protéká tranzistorem při uzemnění báze a blokuje se při průchodu proudu bází. V diagramu PNP A NPN se liší ve směru šipky. Šipka vždy ukazuje na přechod z N Na P:

Označení tranzistorů NPN (vlevo) a PNP (vpravo) na schématu

NPN tranzistory jsou běžnější v elektronice, protože jsou účinnější.

FET

Tranzistory s efektem pole se od bipolárních liší svou vnitřní strukturou. MOS tranzistory jsou nejběžnější v amatérské elektronice. MOS je zkratka pro metal-oxide-conductor. Totéž v angličtině: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor se zkráceně označuje jako MOSFET. MOS tranzistory umožňují řídit velké výkony s relativně malou velikostí samotného tranzistoru. Tranzistor je buzen napětím, nikoli proudem. Protože tranzistor je řízen el pole, tranzistor dostal své jméno - pole výt.

Tranzistory s efektem pole mají alespoň 3 výstupy:

Drain - je na něj přivedeno vysoké napětí, které chcete ovládat

Gate (anglicky gate) - je na něj přivedeno napětí pro ovládání tranzistoru

Source (anglicky source) - teče jím proud ze svodu, když je tranzistor "otevřený"

Měla by tam být animace s tranzistorem s efektem pole, ale od bipolárního se nebude nijak lišit kromě schematického zobrazení samotných tranzistorů, takže žádná animace nebude.

FET kanálu N a P kanálu

Tranzistory s efektem pole se také dělí na 2 typy v závislosti na zařízení a chování. N kanál(kanál N) se otevře, když je brána pod napětím a zavírá. když není napětí. P kanál(kanál P) funguje obráceně: dokud na hradle není napětí, tranzistorem protéká proud. Když je na bránu přivedeno napětí, proud se zastaví. V diagramu jsou tranzistory s efektem pole znázorněny trochu jinak:

Analogicky s bipolárními tranzistory se tranzistory s efektem pole liší polaritou. N-kanálový tranzistor byl popsán výše. Jsou nejběžnější.

P-Kanál se liší ve směru šipky, když je označen, a opět má "obrácené" chování.

Existuje mylná představa, že tranzistor s efektem pole může řídit střídavý proud. To je špatně. K ovládání střídavého proudu použijte relé.

Darlingtonův tranzistor

Darlingtonův tranzistor není zcela správné odkazovat na samostatný typ tranzistoru. Nelze je však v tomto článku nezmínit. Darlingtonův tranzistor se nejčastěji vyskytuje ve formě mikroobvodu, který obsahuje několik tranzistorů. Například ULN2003. Darlington tranzistor se vyznačuje schopností rychle se otevírat a zavírat (což znamená, že s ním můžete pracovat) a zároveň odolávat vysokým proudům. Jedná se o druh kompozitního tranzistoru a jedná se o kaskádové zapojení dvou nebo výjimečně více tranzistorů, zapojených tak, že zátěž v emitoru předchozího stupně je přechod báze-emitor tranzistoru dalšího stupně, to znamená, že tranzistory jsou spojeny kolektory a emitor vstupního tranzistoru je připojen k základnímu víkendu. Odporovou zátěž emitoru předchozího tranzistoru lze navíc využít jako součást obvodu pro urychlení sepnutí. Takové zapojení jako celek je považováno za jeden tranzistor, jehož proudové zesílení je při aktivním režimu tranzistorů přibližně stejné jako součin zesílení všech tranzistorů.

Tranzistorové připojení

Není žádným tajemstvím, že deska Arduino je schopna dodat na výstup napětí 5 V s maximálním proudem až 40 mA. Tento proud nestačí k připojení výkonné zátěže. Pokud se například pokusíte připojit LED pásek nebo motor přímo na výstup, zaručeně poškodíte výstup Arduina. Je možné, že selže celá deska. Navíc některé zásuvné komponenty mohou vyžadovat více než 5V pro provoz. Oba tyto problémy řeší tranzistor. Pomůže, pomocí malého proudu z výstupu Arduina, řídit silný proud ze samostatného zdroje nebo použít napětí 5 V pro ovládání většího napětí (i ty nejslabší tranzistory mají zřídka napěťový limit pod 50 V). Jako příklad zvažte připojení motoru:

Ve výše uvedeném schématu je motor připojen k samostatnému zdroji energie. Mezi pin motoru a zdroj pro motor jsme umístili tranzistor, který bude řízen pomocí libovolného digitálního pinu Arduino. Když je na výstup regulátoru přiveden signál HIGH z výstupu regulátoru, odebereme velmi malý proud k otevření tranzistoru a velký proud proteče tranzistorem a nepoškodí regulátor. Věnujte pozornost odporu instalovanému mezi výstupem Arduino a bází tranzistoru. Je potřeba omezit proud tekoucí po trase mikrokontrolér - tranzistor - zem a zabránit zkratu. Jak již bylo zmíněno dříve, maximální proud, který lze odebírat z pinu Arduino, je 40 mA. Proto potřebujeme rezistor alespoň 125 ohmů (5V / 0,04A = 125 ohmů). Můžete klidně použít odpor 220 ohmů. Ve skutečnosti by měl být rezistor vybrán s ohledem na proud, který musí být aplikován na základnu, aby se získal požadovaný proud přes tranzistor. Pro správný výběr rezistoru je nutné vzít v úvahu zesílení ( hfe).

DŮLEŽITÉ!! Pokud připojíte výkonnou zátěž ze samostatného napájecího zdroje, musíte fyzicky propojit zem („mínus“) napájecího zdroje zátěže a zem („GND“ pin) Arduina. Jinak nebudete moci tranzistor ovládat.

Při použití FET není potřeba odpor omezující proud na hradle. Tranzistor je buzen výhradně napětím a hradlem neprotéká žádný proud.

Bipolární tranzistor je jedním z nejstarších, ale nejznámějších typů tranzistorů a stále se používá v moderní elektronice. Tranzistor je nepostradatelný, když je potřeba pohánět dostatečně výkonnou zátěž, pro kterou nemůže řídicí zařízení zajistit dostatečný proud. Přicházejí v různých typech a kapacitách v závislosti na prováděných úkolech. Základní znalosti a vzorce o tranzistorech najdete v tomto článku.

Úvod

Před zahájením lekce se dohodneme, že diskutujeme pouze o jednom způsobu zapnutí tranzistoru. Tranzistor lze použít v zesilovači nebo přijímači a obvykle je každý model tranzistoru vyroben se specifickými specifikacemi, aby byl více specializovaný pro lepší výkon v konkrétní aplikaci.

Tranzistor má 3 vývody: báze, kolektor a emitor. Nelze jednoznačně říci, který z nich je vstupem a který výstupem, neboť všechny spolu souvisí a tak či onak se navzájem ovlivňují. Když je tranzistor zapnutý ve spínacím režimu (řízení zátěže), chová se takto: proud báze řídí proud z kolektoru do emitoru nebo naopak, v závislosti na typu tranzistoru.

Existují dva hlavní typy tranzistorů: NPN a PNP. Abychom to pochopili, můžeme říci, že hlavním rozdílem mezi těmito dvěma typy je směr elektrického proudu. To je vidět na obrázku 1.A, kde je vyznačen směr proudu. U NPN tranzistoru teče jeden proud z báze do tranzistoru a další proud teče z kolektoru do emitoru, u PNP tranzistoru je to naopak. Z funkčního hlediska je rozdílem mezi těmito dvěma typy tranzistorů zátěžové napětí. Jak můžete vidět na obrázku, tranzistor NPN poskytuje 0V, když je zapnutý, zatímco PNP poskytuje 12V. Později uvidíte, proč to ovlivňuje výběr tranzistoru.

Pro jednoduchost budeme studovat pouze NPN tranzistory, ale to vše platí pro PNP s přihlédnutím k tomu, že všechny proudy jsou obrácené.

Obrázek níže ukazuje analogii mezi spínačem (S1) a tranzistorovým spínačem, kde můžete vidět, že proud báze uzavírá nebo otevírá cestu pro proud z kolektoru do emitoru:

Znáte-li přesně vlastnosti tranzistoru, můžete z něj vytěžit maximum. Hlavním parametrem je stejnosměrné zesílení tranzistoru, které se obvykle označuje H fe nebo β. Důležité je také znát maximální proud, výkon a napětí tranzistoru. Tyto parametry naleznete v dokumentaci k tranzistoru a pomohou nám určit hodnotu odporu na bázi, která je popsána dále.

Použití tranzistoru NPN jako spínače

Obrázek ukazuje zařazení tranzistoru NPN jako spínače. Toto zařazení uvidíte velmi často při analýze různých elektronických obvodů. Nastudujeme si, jak spustit tranzistor ve zvoleném režimu, vypočítat bázový rezistor, proudové zesílení tranzistoru a odpor zátěže. Navrhuji nejjednodušší a nejpřesnější způsob, jak to udělat.

1. Předpokládejme, že tranzistor je v saturačním režimu: V tomto případě se matematický model tranzistoru stává velmi jednoduchým a známe napětí v bodě V c . Najdeme hodnotu základního odporu, při které bude vše správně.

2. Stanovení saturačního proudu kolektoru: Napětí mezi kolektorem a emitorem (V ce) je převzato z dokumentace tranzistoru. Emitor je připojen k GND, respektive Vce = V c - 0 = V c . Jakmile tuto hodnotu známe, můžeme vypočítat saturační proud kolektoru pomocí vzorce:

Někdy je odpor zátěže RL neznámý nebo nemůže být přesný, jako je odpor vinutí relé; V tomto případě stačí znát proud potřebný ke spuštění relé.
Ujistěte se, že zatěžovací proud nepřekračuje maximální kolektorový proud tranzistoru.

3. Výpočet požadovaného základního proudu: Při znalosti kolektorového proudu lze vypočítat minimální požadovaný základní proud pro dosažení tohoto kolektorového proudu pomocí následujícího vzorce:

Z toho vyplývá, že:

4. Překročení povolených hodnot: Poté, co jste vypočítali základní proud a pokud se ukázalo, že je nižší, než je uvedeno v dokumentaci, můžete tranzistor přetížit vynásobením vypočteného proudu báze, například 10krát. Tranzistorový spínač tak bude mnohem stabilnější. Jinými slovy, výkon tranzistoru se sníží, pokud se zátěž zvýší. Buďte opatrní, snažte se nepřekročit maximální základní proud uvedený v dokumentaci.

5. Výpočet požadované hodnoty R b: Při 10násobném přetížení lze odpor Rb vypočítat pomocí následujícího vzorce:

kde V 1 je řídicí napětí tranzistoru (viz obr. 2.a)

Pokud je však emitor připojen k zemi a je známo napětí báze-emitor (asi 0,7 V pro většinu tranzistorů) a za předpokladu, že V 1 = 5 V, lze vzorec zjednodušit na následující:

Je vidět, že základní proud je násoben 10, s přihlédnutím k přetížení.
Když je známa hodnota Rb, je tranzistor „nastaven“ tak, aby fungoval jako spínač, nazývaný také „režim saturace a přerušení“, kde „saturace“ je, když je tranzistor plně otevřený a vede proud, a „odříznutý“ je, když je zavřený a nevede žádný proud.

Poznámka: Když říkáme , neříkáme, že kolektorový proud by měl být . Jednoduše to znamená, že kolektorový proud tranzistoru může stoupnout na tuto úroveň. Proud se bude řídit Ohmovými zákony, stejně jako jakýkoli elektrický proud.

Výpočet zatížení

Když jsme uvažovali, že tranzistor je v saturačním režimu, předpokládali jsme, že se některé jeho parametry nezměnily. Není to tak úplně pravda. Ve skutečnosti byly tyto parametry změněny především zvýšením kolektorového proudu, a proto je bezpečnější pro přetížení. Dokumentace uvádí změnu parametrů tranzistoru při přetížení. Například tabulka na obrázku 2.B ukazuje dva parametry, které se výrazně mění:

H FE (β) se mění s kolektorovým proudem a napětím V CEsat . Ale samotný VCEsat se liší podle kolektorového a základního proudu, jak je uvedeno v tabulce níže.

Výpočet může být velmi komplikovaný, protože všechny parametry jsou úzce a složitě propojeny, takže je lepší brát nejhorší hodnoty. Tito. nejmenší je H FE , největší je V CEsat a V CEsat .

Typická aplikace tranzistorových spínačů

V moderní elektronice se tranzistorový spínač používá k ovládání elektromagnetických relé, která spotřebovávají až 200 mA. Pokud chcete ovládat relé s logickým čipem nebo mikrokontrolérem, pak je tranzistor nepostradatelný. Na obrázku 3.A je odpor základního odporu vypočten v závislosti na proudu požadovaném pro relé. Dioda D1 chrání tranzistor před impulsy, které cívka generuje při vypnutí.

2. Zapojení tranzistoru s otevřeným kolektorem:

Mnoho zařízení, jako je řada mikrokontrolérů 8051, má porty s otevřeným kolektorem. Odpor základního rezistoru externího tranzistoru se vypočítá podle popisu v tomto článku. Všimněte si, že porty mohou být složitější a často používají FET místo bipolárních a nazývají se výstupy s otevřeným odtokem, ale vše zůstává úplně stejné jako na obrázku 3.B

3. Vytvoření logického prvku OR-NOT (NOR):

Někdy obvod potřebuje používat jediné hradlo a vy nechcete používat 14pinový integrovaný obvod se 4 hradly, ať už kvůli ceně nebo prostoru na desce. Může být nahrazen dvojicí tranzistorů. Všimněte si, že frekvenční odezva takových prvků závisí na vlastnostech a typu tranzistorů, ale obvykle pod 100 kHz. Snížení výstupního odporu (Ro) zvýší spotřebu energie, ale zvýší výstupní proud.
Mezi těmito parametry je třeba najít kompromis.

Obrázek výše ukazuje hradlo NOR postavené pomocí 2x tranzistorů 2N2222. To lze provést pomocí tranzistorů PNP 2N2907 s drobnými úpravami. Jen musíte vzít v úvahu, že všechny elektrické proudy pak tečou opačným směrem.

Hledání chyb v tranzistorových obvodech

Když se vyskytne problém v obvodech obsahujících mnoho tranzistorů, může být docela obtížné zjistit, který z nich je špatný, zvláště když jsou všechny připájeny. Dám vám několik tipů, které vám pomohou najít problém v takovém obvodu poměrně rychle:

1. Teplota: Pokud se tranzistor velmi zahřeje, je pravděpodobně někde problém. Ne nutně, že problém je v horkém tranzistoru. Většinou se vadný tranzistor ani nezahřeje. Tento nárůst teploty může být způsoben jiným tranzistorem, který je k němu připojen.

2. Měření V CE tranzistorů: Pokud jsou všechny stejného typu a všechny fungují, pak by měly mít přibližně stejné VCE. Nalezení tranzistorů s různými V CE je rychlý způsob, jak najít vadné tranzistory.

3. Měření napětí na základním rezistoru: Napětí na základním rezistoru je docela důležité (pokud je tranzistor zapnutý). Pro budič tranzistoru 5V NPN by měl být úbytek napětí na rezistoru větší než 3V. Pokud na rezistoru nedochází k poklesu napětí, je vadný buď tranzistor, nebo budič tranzistoru. V obou případech je základní proud 0.

Svého času přišly tranzistory nahradit elektronky. Bylo to dáno tím, že mají menší rozměry, vysokou spolehlivost a nižší výrobní náklady. Nyní bipolární tranzistoryjsou základními prvky ve všech zesilovacích obvodech.

Jedná se o polovodičový prvek s třívrstvou strukturou, který tvoří dva přechody elektron-díra. Proto lze tranzistor reprezentovat jako dvě diody zády k sobě. V závislosti na tom, jaké budou hlavní nosiče náboje, existují p-n-p A n-p-n tranzistory.

Základna- polovodičová vrstva, která je základem konstrukce tranzistoru.

emitor tzv. polovodičová vrstva, jejíž funkcí je vstřikování nosičů náboje do základní vrstvy.

Kolektor nazývaná polovodičová vrstva, jejíž funkcí je shromažďovat nosiče náboje, které prošly základní vrstvou.

Zářič obsahuje zpravidla mnohem větší počet základních nábojů než základna. Toto je hlavní podmínka pro provoz tranzistoru, protože v tomto případě s dopředným předpětím přechodu emitoru bude proud určován hlavními nosiči emitoru. Emitor bude moci plnit svou hlavní funkci – vstřikování nosičů do základní vrstvy. Proud zpětného emitoru se obvykle snaží být co nejmenší. Zvýšení většiny nosičů zářiče je dosaženo použitím vysoké koncentrace nečistot.

Základna je vyrobena co nejtenčí. To souvisí s životností nábojů. Nosiče náboje musí překročit základnu a co nejméně se rekombinovat s hlavními nosiči základny, aby dosáhly kolektoru.

Aby kolektor mohl plněji sbírat nosiče, které prošly základnou, snaží se ji rozšířit.

Princip činnosti tranzistoru

Zvažte příklad p-n-p tranzistoru.

Při nepřítomnosti vnějších napětí se mezi vrstvami vytvoří potenciální rozdíl. Na přechodech jsou zřízeny potenciální závory. Navíc, pokud je počet otvorů v emitoru a kolektoru stejný, pak budou potenciální bariéry stejně široké.

Aby tranzistor správně fungoval, musí být přechod emitoru předpjatý dopředu a přechod kolektoru obrácený.. To bude odpovídat aktivnímu režimu tranzistoru. K vytvoření takového spojení jsou potřeba dva zdroje. Zdroj s napětím Ue je připojen kladným pólem k emitoru a záporným pólem k bázi. Zdroj s napětím Uk je připojen záporným pólem ke kolektoru a kladným k bázi. A Ue< Uк.

Působením napětí Ue se přechod emitoru posune v propustném směru. Jak je známo, když je přechod elektron-díra dopředně vychýlen, je vnější pole nasměrováno opačně k přechodovému poli, a proto je redukuje. Přechodem začnou procházet hlavní nosiče, v emitoru jsou to díry 1-5 a v bázi elektrony 7-8. A protože počet děr v emitoru je větší než počet elektronů v bázi, je proud emitoru způsoben hlavně jimi.

Proud emitoru je součtem děrové složky proudu emitoru a elektronické složky báze.

Vzhledem k tomu, že užitečná je pouze součást s otvorem, snaží se, aby byla elektronická součástka co nejmenší. Kvalitativní charakteristikou přechodu emitoru je vstřikovací poměr.

Snaží se přiblížit koeficient vstřiku 1.

Otvory 1-5, které prošly do základny, se hromadí na hranici přechodu emitoru. Vzniká tak vysoká koncentrace děr v blízkosti emitoru a nízká koncentrace v blízkosti kolektorového přechodu, v důsledku čehož začíná difúzní pohyb děr z emitoru do kolektorového přechodu. Ale v blízkosti přechodu kolektoru koncentrace otvorů zůstává nulová, protože jakmile otvory dosáhnou přechodu, jsou urychleny jeho vnitřním polem a jsou extrahovány (vtaženy) do kolektoru. Elektrony jsou tímto polem odpuzovány.

Zatímco díry protínají základní vrstvu, rekombinují se s elektrony tam umístěnými, například jako díra 5 a elektron 6. A protože díry neustále přicházejí, vytvářejí přebytečný kladný náboj, takže elektrony musí také vstupovat dovnitř, které jsou vedeny přes svorku báze a tvoří základní proud Ibr. To je důležitá podmínka pro činnost tranzistoru – koncentrace děr v základně by měla být přibližně stejná jako koncentrace elektronů. Jinými slovy musí být zajištěna elektrická neutralita základny.

Počet děr, které dosáhly kolektoru, je menší než počet děr, které opustily emitor, o počet rekombinovaných děr v základně. to znamená, Kolektorový proud se liší od proudu emitoru o proud báze.

Odtud pochází převodní koeficient dopravců, které se také snaží přiblížit 1.

Kolektorový proud tranzistoru se skládá z děrové složky Icr a kolektorového zpětného proudu.

Zpětný kolektorový proud vzniká v důsledku zpětného předpětí kolektorového přechodu, proto se skládá z menšinových nosičů díry 9 a elektronu 10. Právě proto, že zpětný proud je tvořen menšinovými nosiči, závisí pouze na proces tepelného generování, to znamená na teplotě. Proto se často nazývá tepelný proud.

Kvalita tranzistoru závisí na velikosti tepelného proudu, čím je menší, tím je tranzistor lepší.

Kolektorový proud je připojen k emitoru aktuální převodový poměr.

Proudy v tranzistoru mohou být reprezentovány následovně