• Tranzistorový a bipolární tranzistor, výpočet tranzistorové kaskády. Bipolární tranzistory: spínací obvody. Schéma pro sepnutí bipolárního tranzistoru se společným emitorem

    bipolární tranzistor.

    bipolární tranzistor- elektronické polovodičové zařízení, jeden z typů tranzistorů, určené k zesilování, generování a převádění elektrických signálů. Tranzistor se nazývá bipolární, protože dva typy nosičů náboje se současně účastní provozu zařízení - elektrony A díry. V tomto se liší od jednopolární(field-effect) tranzistor, na kterém se podílí pouze jeden typ nosičů náboje.

    Princip činnosti obou typů tranzistorů je podobný činnosti vodního ventilu, který reguluje průtok vody, tranzistorem prochází pouze tok elektronů. U bipolárních tranzistorů procházejí zařízením dva proudy - hlavní "velký" proud a řídící "malý" proud. Výkon hlavního proudu závisí na výkonu ovládání. U tranzistorů s efektem pole prochází zařízením pouze jeden proud, jehož výkon závisí na elektromagnetickém poli. V tomto článku se budeme podrobněji zabývat fungováním bipolárního tranzistoru.

    Bipolární tranzistorové zařízení.

    Bipolární tranzistor se skládá ze tří polovodičových vrstev a dvou PN přechodů. Rozlišujte PNP a NPN tranzistory podle typu prokládání dírová a elektronová vodivost. Jsou jako dva dioda spojeny tváří v tvář nebo naopak.

    Bipolární tranzistor má tři kontakty (elektrody). Kontakt vycházející z centrální vrstvy se nazývá základna (základna). Koncové elektrody jsou pojmenovány kolektor A emitor (kolektor A emitor). Základní vrstva je vzhledem ke kolektoru a emitoru velmi tenká. Kromě toho nejsou oblasti polovodičů na okrajích tranzistoru symetrické. Polovodičová vrstva na straně kolektoru je o něco silnější než na straně emitoru. To je nezbytné pro správnou funkci tranzistoru.

    Činnost bipolárního tranzistoru.

    Zvažte fyzikální procesy, které se vyskytují během provozu bipolárního tranzistoru. Vezměme si jako příklad model NPN. Princip činnosti tranzistoru PNP je podobný, pouze polarita napětí mezi kolektorem a emitorem bude opačná.

    Jak již bylo uvedeno v článek o typech vedení v polovodičích, v látce typu P jsou kladně nabité ionty - díry. Látka typu N je nasycena záporně nabitými elektrony. V tranzistoru je koncentrace elektronů v oblasti N mnohem vyšší než koncentrace děr v oblasti P.

    Připojte zdroj napětí mezi kolektor a emitor V CE (V CE). Jeho působením se elektrony z horní části N začnou přitahovat k plusu a shromažďovat se v blízkosti kolektoru. Proud však nemůže téci, protože elektrické pole zdroje napětí nedosáhne emitoru. Tomu brání silná vrstva kolektorového polovodiče plus vrstva základního polovodiče.

    Nyní připojte napětí mezi bázi a emitor V BE , ale mnohem nižší než V CE (pro křemíkové tranzistory je minimální požadované V BE 0,6 V). Vzhledem k tomu, že vrstva P je velmi tenká, plus zdroj napětí připojený k základně bude schopen "dosáhnout" svým elektrickým polem do oblasti N emitoru. Při jeho působení půjdou elektrony do základny. Některé z nich začnou vyplňovat otvory, které se tam nacházejí (rekombinovat). Druhá část pro sebe nenajde volný otvor, protože koncentrace děr v základně je mnohem nižší než koncentrace elektronů v emitoru.

    V důsledku toho je centrální vrstva báze obohacena o volné elektrony. Většina z nich půjde směrem ke kolektoru, protože tam je napětí mnohem vyšší. To je také usnadněno velmi malou tloušťkou středové vrstvy. Nějaká část elektronů, i když mnohem menší, bude stále proudit směrem k plusu báze.

    Výsledkem jsou dva proudy: malý - ze základny do emitoru I BE a velký - z kolektoru do emitoru I CE.

    Pokud se napětí báze zvýší, pak se ve vrstvě P nahromadí ještě více elektronů. V důsledku toho se základní proud mírně zvýší a kolektorový proud se výrazně zvýší. Tím pádem, s malou změnou základního proudu I B , kolektorový proud I se silně mění S. Tak to chodí zesílení signálu v bipolárním tranzistoru. Poměr kolektorového proudu I C k proudu báze I B se nazývá proudový zisk. Označeno β , hfe nebo h21e v závislosti na specifikách výpočtů prováděných s tranzistorem.

    Nejjednodušší bipolární tranzistorový zesilovač

    Podívejme se podrobněji na princip zesílení signálu v elektrické rovině pomocí obvodu jako příkladu. Předem udělám výhradu, že takové schéma není úplně správné. Nikdo nepřipojuje zdroj stejnosměrného napětí přímo ke zdroji střídavého napětí. Ale v tomto případě bude snazší a jasnější pochopit samotný mechanismus zesílení pomocí bipolárního tranzistoru. Také samotná výpočetní technika v příkladu níže je poněkud zjednodušena.

    1. Popis hlavních prvků řetězce

    Řekněme tedy, že máme tranzistor se ziskem 200 (β = 200). Ze strany kolektoru připojíme poměrně výkonný zdroj 20V, díky jehož energii dojde k zesílení. Ze strany báze tranzistoru připojíme slabý napájecí zdroj 2V. K němu připojíme sériově zdroj střídavého napětí ve tvaru sinusu, s amplitudou kmitání 0,1V. Toto bude signál, který má být zesílen. Rezistor Rb v blízkosti základny je potřebný k omezení proudu přicházejícího ze zdroje signálu, který má obvykle nízký výkon.

    2. Výpočet vstupního základního proudu I b

    Nyní spočítáme základní proud Ib. Protože se zabýváme střídavým napětím, musíme vypočítat dvě hodnoty proudu - při maximálním napětí (V max) a minimálním (V min). Nazvěme tyto aktuální hodnoty, respektive - I bmax a I bmin.

    Abyste mohli vypočítat proud báze, musíte znát napětí báze-emitor V BE. Mezi bází a emitorem je jeden PN přechod. Ukazuje se, že základní proud se na své cestě "setká" s polovodičovou diodou. Napětí, při kterém se polovodičová dioda začne vodit, je asi 0,6V. Nebudeme zacházet do detailů proudově-napěťová charakteristika diody, a pro jednoduchost výpočtů vezmeme přibližný model, podle kterého je napětí na proudově vodivé diodě vždy 0,6V. To znamená, že napětí mezi bází a emitorem je V BE = 0,6V. A jelikož je emitor spojen se zemí (V E = 0), je napětí ze základny k zemi také 0,6V (V B = 0,6V).

    Vypočítejme I bmax a I bmin pomocí Ohmova zákona:

    2. Výpočet výstupního proudu kolektoru I S

    Nyní, když známe zisk (β = 200), můžeme snadno vypočítat maximální a minimální hodnoty kolektorového proudu (I cmax a I cmin).

    3. Výpočet výstupního napětí V ven

    Přes rezistor Rc protéká kolektorový proud, který jsme již vypočítali. Zbývá dosadit hodnoty:

    4. Analýza výsledků

    Jak je vidět z výsledků, VCmax se ukázalo být menší než VCmin. Je to proto, že napětí na V Rc je odečteno od napájecího napětí VCC. To však ve většině případů nevadí, protože nás zajímá proměnná složka signálu - amplituda, která se zvýšila z 0,1V na 1V. Frekvence a sinusový průběh se nezměnily. Poměr V out / V v desetinásobku samozřejmě není zdaleka nejlepším indikátorem pro zesilovač, ale je docela vhodný pro ilustraci procesu zesílení.

    Pojďme si tedy shrnout princip fungování zesilovače na bipolárním tranzistoru. Bází protéká proud Ib, který nese konstantní a proměnnou složku. Konstantní složka je potřebná k tomu, aby PN přechod mezi bází a emitorem začal vést - „otevřel se“. Proměnnou složkou je ve skutečnosti samotný signál (užitečná informace). Síla proudu kolektor-emitor uvnitř tranzistoru je výsledkem vynásobení proudu báze zesílením β. Napětí na rezistoru Rc nad kolektorem je zase výsledkem násobení zesíleného kolektorového proudu hodnotou rezistoru.

    Výstup V out tedy přijímá signál se zvýšenou amplitudou kmitů, ale se zachovaným tvarem a frekvencí. Je důležité zdůraznit, že tranzistor odebírá energii pro zesílení z napájecího zdroje VCC. Pokud napájecí napětí nestačí, tranzistor nebude schopen plně pracovat a výstupní signál může být zkreslený.

    Provozní režimy bipolárního tranzistoru

    V souladu s úrovněmi napětí na elektrodách tranzistoru existují čtyři režimy jeho činnosti:

      Režim odříznutí.

      Aktivní režim (aktivní režim).

      Režim saturace.

      Reverzní režim.

    Režim cutoff

    Když je napětí báze-emitor nižší než 0,6V - 0,7V, PN přechod mezi bází a emitorem je uzavřen. V tomto stavu nemá tranzistor žádný proud báze. V důsledku toho také nebude existovat žádný kolektorový proud, protože v základně nejsou žádné volné elektrony připravené k pohybu směrem ke kolektorovému napětí. Ukázalo se, že tranzistor je jakoby uzamčen a říkají, že je uvnitř cutoff režim.

    Aktivní režim

    V aktivní režim napětí na bázi je dostatečné k otevření PN přechodu mezi bází a emitorem. V tomto stavu má tranzistor základní a kolektorové proudy. Kolektorový proud se rovná základnímu proudu vynásobenému zesílením. To znamená, že aktivní režim je normální provozní režim tranzistoru, který se používá pro zesílení.

    Režim saturace

    Někdy může být základní proud příliš velký. V důsledku toho napájecí výkon prostě nestačí k zajištění takového kolektorového proudu, který by odpovídal zesílení tranzistoru. V saturačním režimu bude kolektorový proud maximální, které může napájecí zdroj poskytnout, a nebude ovlivněn základním proudem. V tomto stavu není tranzistor schopen zesílit signál, protože kolektorový proud nereaguje na změny proudu báze.

    V saturačním režimu je vodivost tranzistoru maximální a je vhodnější pro funkci spínače (klíče) ve stavu "zapnuto". Stejně tak v režimu cutoff je vodivost tranzistoru minimální a tomu odpovídá i spínač ve stavu „vypnuto“.

    Inverzní režim

    V tomto režimu hraje roli přepínač kolektoru a emitoru: PN přechod kolektoru je předpjatý dopředu a přechod emitoru je obrácený. V důsledku toho proud teče ze základny do kolektoru. Kolektorová polovodičová oblast není symetrická k emitoru a zisk v inverzním režimu je nižší než v normálním aktivním režimu. Konstrukce tranzistoru je provedena tak, aby v aktivním režimu pracoval co nejefektivněji. Proto se v inverzním režimu tranzistor prakticky nepoužívá.

    Základní parametry bipolárního tranzistoru.

    aktuální zisk- poměr kolektorového proudu I C k proudu báze I B . Označeno β , hfe nebo h21e v závislosti na specifikách výpočtů prováděných s tranzistory.

    β je konstantní hodnota pro jeden tranzistor a závisí na fyzické struktuře zařízení. Vysoký zisk se počítá ve stovkách jednotek, nízký - v desítkách. U dvou samostatných tranzistorů stejného typu, i když byly během výroby „sousedy podél potrubí“, se β může mírně lišit. Tato vlastnost bipolárního tranzistoru je možná nejdůležitější. Pokud lze ve výpočtech často zanedbat ostatní parametry zařízení, pak je proudový zisk téměř nemožný.

    Vstupní impedance- odpor v tranzistoru, který se "setká" s proudem báze. Označeno R v (R v). Čím větší, tím lepší pro zesilovací vlastnosti zařízení, protože na straně základny je obvykle slabý zdroj signálu, ze kterého musíte odebírat co nejméně proudu. Ideální možností je, když je vstupní odpor roven nekonečnu.

    Rin pro průměrný bipolární tranzistor je několik stovek KΩ (kiloohmů). Zde bipolární tranzistor velmi ztrácí na tranzistor s efektem pole, kde vstupní odpor dosahuje stovek GΩ (gigaohmů).

    Výstupní vodivost- vodivost tranzistoru mezi kolektorem a emitorem. Čím větší je výstupní vodivost, tím větší proud kolektor-emitor bude schopen procházet tranzistorem při menším výkonu.

    Také se zvýšením výstupní vodivosti (nebo snížením výstupní impedance) se zvyšuje maximální zatížení, které zesilovač vydrží s malou ztrátou celkového zisku. Například, pokud tranzistor s nízkou výstupní vodivostí zesílí signál 100krát bez zátěže, pak když je připojena zátěž 1KΩ, zesílí již pouze 50krát. Tranzistor se stejným ziskem, ale vyšší výstupní vodivostí bude mít menší pokles zisku. Ideální možností je, když je výstupní vodivost rovna nekonečnu (nebo výstupní odpor R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

    Pokud vezmeme v úvahu mechanické protějšky, pak funkce tranzistorů připomíná princip fungování hydraulického posilovače řízení v autě. Ale podobnost je platná pouze při první aproximaci, protože v tranzistorech nejsou žádné ventily. V tomto článku budeme samostatně zvažovat provoz bipolárního tranzistoru.

    Bipolární tranzistorové zařízení

    Základem bipolárního tranzistorového zařízení je polovodičový materiál. První polovodičové krystaly pro tranzistory byly vyrobeny z germania, dnes se častěji používá křemík a arsenid galia. Nejprve se vyrobí čistý polovodičový materiál s dobře uspořádanou krystalovou mřížkou. Poté dostane krystal potřebný tvar a do jeho složení se vnese speciální nečistota (materiál je legován), což mu dává určité vlastnosti elektrické vodivosti. Pokud je vodivost způsobena pohybem přebytečných elektronů, je definována jako donorová (elektronická) typu n. Pokud je vodivost polovodiče způsobena postupným nahrazováním volných míst, tzv. děr, elektrony, pak se taková vodivost nazývá akceptor (díra) a označuje se vodivostí typu p.

    Obrázek 1.

    Krystal tranzistoru se skládá ze tří částí (vrstev) se sériovým střídáním typu vodivosti (n-p-n nebo p-n-p). Přechody z jedné vrstvy do druhé tvoří potenciální bariéry. Přechod od báze k emitoru se nazývá emitor(EP), sběrateli - kolektor(KP). Obrázek 1 ukazuje strukturu tranzistoru jako symetrickou, idealizovanou. V praxi jsou během výroby velikosti oblastí výrazně asymetrické, přibližně jak je znázorněno na obrázku 2. Oblast kolektorového přechodu výrazně přesahuje přechod emitoru. Základní vrstva je velmi tenká, řádově několik mikronů.

    Obrázek 2

    Princip činnosti bipolárního tranzistoru

    Podobně funguje jakýkoli p-n přechod tranzistoru. Když je na jeho póly aplikován potenciálový rozdíl, dochází k jeho „posunu“. Pokud je aplikovaný potenciálový rozdíl podmíněně kladný a p-n přechod se otevře, říká se, že přechod je dopředně zaujatý. Když je aplikován podmíněně záporný potenciálový rozdíl, přechod je obráceně vychýlen, na kterém je uzamčen. Charakteristickým rysem činnosti tranzistoru je, že při kladném předpětí alespoň jednoho přechodu je společná oblast, nazývaná báze, nasycena elektrony nebo elektronickými vakancí (v závislosti na typu vodivosti základního materiálu), což způsobuje významný pokles potenciální bariéry druhého přechodu a v důsledku toho jeho vodivost při zpětném předpětí.

    Provozní režimy

    Všechny tranzistorové spínací obvody lze rozdělit do dvou typů: normální A inverzní.

    Obrázek 3

    Normální tranzistorový spínací obvod zahrnuje změnu elektrické vodivosti kolektorového přechodu řízením posunu emitorového přechodu.

    Inverzní obvod, na rozdíl od normálního, umožňuje řídit vodivost přechodu emitoru řízením předpětí kolektoru. Inverzní obvod je symetrický analog normálního, ale kvůli strukturální asymetrii bipolárního tranzistoru je pro použití neúčinný, má přísnější omezení na maximální přípustné parametry a prakticky se nepoužívá.

    S jakýmkoli spínacím schématem může tranzistor pracovat ve třech režimech: Režim cutoff, aktivní režim A saturační režim.

    Pro popis práce je směr elektrického proudu v tomto článku konvenčně brán jako směr elektronů, tzn. od záporného pólu napájecího zdroje ke kladnému. K tomu použijeme schéma na obrázku 4.

    Obrázek 4

    Režim cutoff

    Pro p-n přechod existuje hodnota pro minimální dopředné předpětí, při kterém jsou elektrony schopny překonat potenciální bariéru tohoto přechodu. To znamená, že při dopředném předpětí až do této prahové hodnoty nemůže přechodem protékat žádný proud. U křemíkových tranzistorů je hodnota takové prahové hodnoty přibližně 0,6 V. V běžném spínacím obvodu tedy, kdy dopředné předpětí přechodu emitoru nepřekročí 0,6 V (u křemíkových tranzistorů), neteče bází žádný proud, není nasycený elektrony a v důsledku toho nedochází k emisi základních elektronů do oblasti kolektoru; není zde žádný kolektorový proud (nula).

    Pro režim cut-off jsou tedy nezbytnou podmínkou následující identity:

    U BE<0,6 В

    I B \u003d 0

    Aktivní režim

    V aktivním režimu je přechod emitoru předpjatý v propustném směru až do okamžiku odblokování (začátek toku proudu) napětím vyšším než 0,6 V (u křemíkových tranzistorů) a přechod kolektoru je předpětí v opačném směru. . Pokud má báze vodivost typu p, dochází k přenosu (injekci) elektronů z emitoru do báze, které se okamžitě rozmístí v tenké vrstvě báze a téměř všechny dosáhnou hranice kolektoru. Nasycení báze elektrony vede k výraznému zmenšení velikosti kolektorového přechodu, přes který jsou elektrony působením záporného potenciálu z emitoru a báze přemístěny do kolektorové oblasti a proudí dolů kolektorem. svorka, čímž se způsobí kolektorový proud. Velmi tenká vrstva základny omezuje její maximální proud procházející velmi malým průřezem ve směru vývodu základny. Ale tato malá tloušťka báze způsobuje její rychlé nasycení elektrony. Oblast přechodu má značnou velikost, která vytváří podmínky pro tok významného proudu emitor-kolektor, který je desítky a stovkykrát vyšší než proud báze. Průchodem nevýznamných proudů bází tedy můžeme vytvořit podmínky pro průchod mnohem větších proudů kolektorem. Čím větší je proud báze, tím větší je jeho saturace a tím větší je kolektorový proud. Tento režim umožňuje plynule řídit (regulovat) vodivost kolektorového přechodu odpovídající změnou (regulací) proudu báze. Tato vlastnost aktivního režimu tranzistoru se využívá v obvodech různých zesilovačů.

    V aktivním režimu je emitorový proud tranzistoru součtem proudu báze a kolektoru:

    I E \u003d Já K + já B

    Kolektorový proud lze vyjádřit jako:

    I K = α TJ

    kde α je koeficient přenosu proudu emitoru

    Z výše uvedených rovnic můžete získat následující:

    kde β je základní proudový zesilovací faktor.

    Režim saturace

    Hranice nárůstu proudu báze do okamžiku, kdy kolektorový proud zůstane nezměněn, určuje bod maximálního nasycení báze elektrony. Další zvýšení proudu báze nezmění stupeň její saturace a v žádném případě neovlivní proud kolektoru, může vést k přehřátí materiálu v oblasti kontaktu báze a selhání tranzistoru. V referenčních údajích pro tranzistory lze uvést saturační proud a maximální přípustný proud báze nebo saturační napětí emitor-báze a maximální přípustné napětí báze emitoru. Tyto limity určují režim saturace tranzistoru za normálních provozních podmínek.

    Režim cutoff a režim saturace jsou účinné, když tranzistory fungují jako elektronické spínače pro spínání signálových a výkonových obvodů.

    Rozdíl v principu činnosti tranzistorů s různými strukturami

    Výše byl uvažován případ činnosti tranzistoru struktury n-p-n. P-n-p tranzistory fungují podobným způsobem, ale existují zásadní rozdíly, kterých byste si měli být vědomi. Polovodičový materiál s akceptorovou vodivostí typu p má relativně nízkou kapacitu přenosu elektronů, protože je založen na principu přechodu elektronů z jedné prázdné pozice (díry) do druhé. Když jsou všechna vakance nahrazena elektrony, jejich pohyb je možný pouze tehdy, když se volná místa objevují ze směru pohybu. Při značné délce průřezu takového materiálu bude mít značný elektrický odpor, což vede k větším problémům při použití jako nejmasivnější kolektor a emitor bipolárních tranzistorů typu p-n-p než při použití ve velmi tenké základní vrstvě typu n-p-n tranzistory. Donorový polovodičový materiál typu n má elektrické vlastnosti vodivých kovů, díky čemuž je výhodnější použití jako emitor a kolektor, jako u tranzistorů typu n-p-n.

    Tato charakteristická vlastnost různých struktur bipolárních tranzistorů vede k velkým potížím při výrobě párů součástek s různou strukturou a podobnými elektrickými charakteristikami. Pokud budete věnovat pozornost referenčním údajům o charakteristikách párů tranzistorů, všimnete si, že při dosažení stejných charakteristik dvou tranzistorů různých typů, například KT315A a KT361A, navzdory jejich stejnému kolektorovému výkonu (150 mW) a přibližně stejné proudové zesílení (20-90) , liší se maximálními povolenými kolektorovými proudy, napětím emitoru a báze atd.

    P.S. Tento popis principu činnosti tranzistoru byl interpretován z hlediska ruské teorie, takže zde chybí popis působení elektrických polí na fiktivní kladné a záporné náboje. Ruská fyzika umožňuje používat jednodušší, srozumitelnější mechanické modely, které jsou realitě nejblíže, než abstrakce v podobě elektrických a magnetických polí, kladných a elektrických nábojů, které nám tradiční škola zrádně podsouvá. Z tohoto důvodu nedoporučuji používat uvedenou teorii bez předběžného rozboru a reflexe při přípravě na odevzdání kontrolních, semestrálních prací a jiných typů prací, vaši učitelé jednoduše nepřijmou nesouhlas, byť soutěživý a z hlediska zcela konzistentní. pohled na zdravý rozum a logiku. Z mé strany se navíc jedná o první pokus popsat činnost polovodičového zařízení z hlediska ruské fyziky, který lze v budoucnu zpřesnit a doplnit.

    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 otevřený přechod 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.
    • Frekvenční charakteristika - schopnost tranzistoru pracovat až do určité frekvence, za kterou jsou přechodové procesy pro změnu signálu pozdě.

    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 nejvyšší velikosti kolektorového proudu a 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.

    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.

    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.

    Přečtěte si více: