Tranzistory. Jaký je rozdíl mezi tranzistory NPN a PNP

Zkušení elektrikáři a elektronikové vědí, že existují speciální sondy pro kompletní kontrolu tranzistorů.

S jejich pomocí můžete nejen zkontrolovat zdraví druhého, ale také jeho zisk - h21e.

Potřeba sondy

Sonda je opravdu nezbytné zařízení, ale pokud potřebujete pouze zkontrolovat provozuschopnost tranzistoru, je docela vhodné.

tranzistorové zařízení

Než budete pokračovat v testu, je nutné pochopit, co je tranzistor.

Má tři vývody, které mezi sebou tvoří diody (polovodiče).

Každý pin má svůj vlastní název: kolektor, emitor a základna. První dva závěry pn přechody jsou spojeny v základně.

Jeden p-n přechod mezi bází a kolektorem tvoří jednu diodu, druhý p-n přechod mezi bází a emitorem tvoří druhou diodu.

Obě diody jsou zapojeny v obvodu naproti přes bázi a celý tento obvod je tranzistor.

Hledáme bázi, emitor a kolektor na tranzistor

Jak najít sběratele

Chcete-li okamžitě najít kolektor, musíte zjistit, jaký výkon je před vámi tranzistor a mají střední výkon, nízký výkon a výkon.

Tranzistory středního výkonu a výkonné jsou velmi horké, takže z nich musí být odváděno teplo.

To se provádí pomocí speciálního chladicího radiátoru a teplo je odváděno přes kolektorový terminál, který je u těchto typů tranzistorů umístěn uprostřed a je připojen přímo ke skříni.

Ukazuje se takové schéma přenosu tepla: výstup kolektoru - pouzdro - chladicí radiátor.

Pokud je kolektor definován, pak nebude těžké určit další závěry.

Existují případy, které výrazně zjednodušují vyhledávání, to je, když zařízení již má potřebná označení, jak je uvedeno níže.

Provádíme potřebná měření přímého a zpětného odporu.

Nicméně, vyčnívající tři nohy v tranzistoru mohou přivést mnoho začínajících elektrotechniků do strnulosti.

Jak najdete základnu, emitor a kolektor?

Bez multimetru nebo jen ohmmetru se neobejdete.

Začněme tedy hledat. Nejprve musíme najít základnu.

Vezmeme zařízení a provedeme potřebná měření odporu na nohách tranzistoru.

Vezměte kladnou sondu a připojte ji k pravé svorce. Střídavě je negativní sonda přivedena do středu a poté do levého závěru.

Mezi pravou a střední jsme například ukázali 1 (nekonečno) a mezi pravou a levou 816 Ohm.

Tato svědectví nám zatím nic nedávají. Dále provádíme měření.

Nyní se přesuneme doleva, kladnou sondu přivedeme ke střední svorce a zápornou sondou se postupně dotýkáme levé a pravé svorky.

Znovu uprostřed - vpravo ukazuje nekonečno (1) a vlevo uprostřed 807 Ohm.

Také nám to nic neříká. Dále měříme.

Nyní se posuneme ještě více doleva, kladnou sondu přivedeme k závěru zcela vlevo a zápornou sondu postupně doprava a doprostřed.

Pokud v obou případech bude odpor vykazovat nekonečno (1), znamená to, že základna je levá svorka.

Ale kde bude ještě potřeba najít emitor a kolektor (střední a pravý závěr).

Nyní musíte změřit přímý odpor. Abychom to udělali, nyní děláme vše opačně, záporná sonda k základně (levá svorka) a kladná sonda je střídavě připojena k pravé a střední svorce.

Pamatujte na jeden důležitý bod, odpor p-n přechodu báze-emitor je vždy větší než p-n přechodu báze-kolektor.

Výsledkem měření bylo zjištěno, že odporová základna (levá svorka) - pravá svorka se rovná 816 Ohm a základní odpor - průměrný výkon 807 Ohm.

Takže pravý pin je emitor a prostřední pin je kolektor.

Hledání základny, emitoru a kolektoru je tedy dokončeno.

Jak zkontrolovat provozuschopnost tranzistoru

Pro kontrolu provozuschopnosti tranzistoru multimetrem bude stačit změřit zpětný a propustný odpor dvou polovodičů (diod), což nyní provedeme.

V tranzistoru jsou obvykle dvě struktury přechodu p-n-p A n-p-n.

P-n-p- toto je vysílač emitoru, můžete to určit podle šipky, která ukazuje na základnu.

Šipka, která jde od základny, ukazuje, že se jedná o přechod n-p-n.

Přechod P-n-p lze otevřít záporným napětím přivedeným na základnu.

Přepínač provozního režimu multimetru jsme nastavili do polohy měření odporu na značku " 200 ».

Černý záporný vodič je připojen k základní svorce a červený kladný vodič je připojen postupně ke svorkám emitoru a kolektoru.

Tito. kontrolujeme provozuschopnost přechodů emitoru a kolektoru.

Odečty multimetru od 0,5 před 1,2 kOhmřeknou vám, že diody jsou nepoškozené.

Nyní prohodíme kontakty, připojíme kladný vodič k základně a záporný vodič postupně ke svorkám emitoru a kolektoru.

Nastavení multimetru není třeba měnit.

Poslední čtení by mělo být mnohem větší než předchozí. Pokud je vše v pořádku, pak na displeji zařízení uvidíte číslo „1“.

To znamená, že odpor je velmi velký, zařízení nemůže zobrazit data nad 2000 ohmů a přechody diod jsou neporušené.

Výhodou této metody je, že tranzistor lze zkontrolovat přímo na zařízení bez jeho odpájení.

Přestože stále existují tranzistory, kde jsou do p-n přechodů připájeny nízkoodporové odpory, jejichž přítomnost nemusí umožňovat správné měření odporu, může být malý, a to jak na přechodu emitoru, tak kolektoru.

V tomto případě bude nutné závěry připájet a znovu provést měření.

Známky poruchy tranzistoru

Jak je uvedeno výše, pokud měření přímého odporu (černé mínus na základně a plus střídavě na kolektoru a emitoru) a reverzního (červené plus na základně a černé mínus střídavě na kolektoru a emitoru) neodpovídají nad indikátory, pak je tranzistor mimo provoz.

Dalším znakem poruchy je, když je odpor p-n přechodů alespoň v jednom měření roven nebo blízko nule.

To znamená, že dioda je rozbitá a samotný tranzistor je mimo provoz. Pomocí výše uvedených doporučení můžete snadno zkontrolovat provozuschopnost tranzistoru pomocí multimetru.

bipolární tranzistor je polovodičové zařízení se dvěma interagujícími R-n-přechody a se třemi závěry (obr. 1.15). V závislosti na střídání dotovaných oblastí se rozlišují tranzistory n-p-n-typ (obr. 1.15, A) A R-n-r-druh (rýže, 1,15, b).

Na Obr. 1.15 PROTI, G jsou uvedeny symboly tranzistorů p-r-p- A R-n-r- typy, resp. Výstupy tranzistorů jsou označeny: E- emitor, B- základna, NA- sběratel.

Oblasti emitoru a kolektoru se liší tím, že koncentrace nečistot v oblasti emitoru je mnohem vyšší než v oblasti kolektoru. Spojení, ke kterému dochází mezi emitorem a bází, se nazývá emitorový přechod a přechod, ke kterému dochází mezi kolektorem a základnou, je kolektor .

Na Obr. 1.16 znázorňuje spínací obvod tranzistoru s připojenými zdroji stejnosměrného napětí a kolektorovým rezistorem. V tomto obvodu je výstup báze tranzistoru připojen k pouzdru. Proto se toto schéma nazývá spínací obvod tranzistoru se společnou bází (OB).

Rozlišovat čtyři režimy činnosti bipolárního tranzistoru :

1) aktivní režim - přechod emitoru je otevřený a přechod kolektoru je uzavřen (obr. 1.16);

2) cutoff režim - oba R-n-přechody jsou uzavřené a tranzistorem neprochází žádný významný proud.

Pro získání tohoto režimu je nutné v obvodu (viz obr. 1.16) změnit polaritu zdroje E E k opaku;

1) saturační režim - dva R-n-tranzistorové přechody jsou otevřené a protékají jimi stejnosměrné proudy. Pro získání tohoto režimu je nutné v obvodu (viz obr. 1.16) změnit polaritu zdroje E K k opaku;

2) inverzní režim – přechod kolektoru je otevřený a přechod emitoru je uzavřený. Pro získání tohoto režimu je nutné v obvodu (viz obr. 1.16) přepnout na opačné polarity zdrojů E K A E E.

Pro zesílení a převod signálů se používá především aktivní režim provozu. Činnost bipolárního tranzistoru v aktivním režimu je založena na jevu difúze a také na vlivu driftu nosiče náboje v elektrickém poli.

Tranzistorový provoz v aktivním režimu

Uvažujme činnost tranzistoru v aktivním režimu na příkladu tranzistoru typu p-n-p (obr. 1.16). V tomto režimu je emitorový přechod tranzistoru otevřený. Otevírací napětí je E E= 0,4 ... 0,7 V.

Proud protéká otevřeným přechodem emitoru tj (tj= 0,1 ... 10 mA pro tranzistor s nízkým výkonem). V oblasti emitoru tranzistoru je zpravidla koncentrace akceptorových nečistot mnohonásobně vyšší než koncentrace donorových nečistot v bázi. n- oblast tranzistoru. Proto je koncentrace děr v oblasti emitoru mnohem větší než koncentrace elektronů v oblasti báze a téměř celý proud emitoru je proud děr.

Na samotě pn-přechod při difúzi otvorů v P- oblast je úplná rekombinace injektovaných děr s elektrony P- oblasti. V emitorovém přechodu tranzistoru probíhá stejný proces. Tento proces vytváří základní proud. já B(viz obr. 1.16). V tranzistoru však probíhají složitější procesy.

Hlavním rysem konstrukce tranzistoru je relativní tenká základní oblast b.Šířka základny ( W) v tranzistoru je mnohem menší než střední volná dráha děr ( L). Moderní křemíkové tranzistory W» 1 µm a difuzní délka L= 5…10 um. V důsledku toho se drtivá většina děr dostane ke kolektorovému přechodu, aniž by měla čas na rekombinaci se základními elektrony. Když se dostanou do reverzně předpjatého kolektorového spojení, díry se posunou (a zrychlí) ve stávajícím poli křižovatky.

Po průchodu kolektorovým přechodem se otvory rekombinují s elektrony proudícími do kolektoru ze zdroje energie ( E K). Všimněte si, že tento proud díry je mnohonásobně větší než vlastní zpětný proud uzavřeného kolektorového přechodu a téměř úplně určuje kolektorový proud ( já K) tranzistor.

Z analýzy aktivního režimu (obr. 1.16) vyplývá rovnice pro proudy tranzistoru:

V této rovnici je základní proud mnohem menší než proud emitoru a kolektorový proud a
kolektorový proud je téměř roven proudu emitoru tranzistoru.

Vztah mezi proudy v tranzistoru je charakterizován dvěma parametry:

koeficient přenosu proudu emitoru

A základní převodový poměr proudu

Pomocí vzorce (1.2) získáme vzorec získat vztahy :

Hodnoty koeficientů α A β záleží na konstrukci tranzistoru. Pro většinu nízkovýkonových tranzistorů používaných v komunikačních zařízeních a počítačích je koeficient b= 20…200 a koeficient A = 0,95…0,995.

Zesilovací vlastnosti tranzistoru

Zvažte zesilovací vlastnosti tranzistoru. Nechť je na vstupu tranzistoru napětí E E\u003d 0,5 V. A nechte toto napětí vytvořit proud tj= 5 mA. Výkon spotřebovaný k pohonu tranzistoru je:

R BH= E Etj= 0,5 x 5 x 10-3 = 2,5 mW.

Nechť je odpor užitečné zátěže v kolektorovém obvodu tranzistoru (obr. 1.17). R K= 1 kOhm. Zatěžovacím odporem protéká kolektorový proud, přibližně stejný jako emitorový proud tranzistoru: iK» tj. Výstupní výkon rozptýlený při zátěži je:

PH =já K 2RK = 25 mW .

V důsledku toho obvod (viz obr. 1.17) poskytuje desetinásobné zesílení výkonu. Všimněte si, že k zajištění takového zesílení je nutné, aby na kolektorový spoj bylo aplikováno velké blokovací napětí:

E K >SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ,

Kde U K = i K RK– pokles napětí na odporu zátěže v obvodu kolektoru.

Zvýšenou výstupní energii zajišťuje napájení v kolektorovém okruhu.

Zvažte další režimy provozu tranzistoru:

v režimu nasycení existuje propustný proud kolektorového přechodu. Jeho směr je opačný než směr difúzního proudu děr. Výsledný kolektorový proud prudce klesá a zesilovací vlastnosti tranzistoru se prudce zhoršují;

Málo používaný tranzistor inverzní režim, protože vstřikovací vlastnosti kolektoru jsou mnohem horší než vstřikovací vlastnosti emitoru;

· V režimu odříznout všechny proudy tranzistorem jsou prakticky rovné nule - oba přechody tranzistoru jsou uzavřeny a zesilovací vlastnosti tranzistoru se neprojeví.

Kromě uvažovaného obvodu pro zapínání tranzistoru se společnou bází se používají další dva obvody:

1) při připojení k tělu emitoru tranzistoru dostaneme obvod se společným emitorem (CE). (obr. 1.17). Schéma OE je v praxi nejběžnější;

2) při připojení ke skříni kolektoru tranzistoru dostaneme společný kolektorový okruh (OK) . V těchto obvodech je řídicí napětí přivedeno na svorku báze tranzistoru.

Závislosti proudů přes svorky tranzistoru na napětích přivedených na tranzistor se nazývají voltampérové ​​charakteristiky (VAC) tranzistor.

Pro obvod se společným emitorem (obr. 1.17) má I–V charakteristika tranzistoru tvar (obr. 1.18, 1.19). Podobné grafy lze získat pro obvod se společnou bází. Volají se křivky (viz obr. 1.18). vstupní charakteristiky tranzistoru , protože ukazují závislost vstupního proudu na řídicím vstupním napětí přiváděném mezi bázi a emitor tranzistoru. Vstupní charakteristiky tranzistoru se jim blíží R-n-přechod.

Závislost vstupní charakteristiky na kolektorovém napětí se vysvětluje zvětšením šířky kolektorového přechodu a následně zmenšením tloušťky báze se zvýšením zpětného napětí na kolektoru tranzistoru (Earleyův efekt ).

Volají se křivky (viz obr. 1.19). výstupní charakteristiky tranzistoru . Používají se k určení kolektorového proudu tranzistoru. Zvýšení kolektorového proudu odpovídá zvýšení řídicího napětí na bázi tranzistoru:

u BE4 > u BE3 > u BE2 > u BE1..

Na u CE£ U USA(viz obr. 1.19) napětí na kolektoru tranzistoru je menší než napětí na bázi. V tomto případě se kolektorový přechod tranzistoru otevře a nastane nasycený režim.
ii, při kterém kolektorový proud prudce klesá.

S velkým napětím na kolektoru se kolektorový proud začíná zvyšovat, protože dochází k procesu lavinového (nebo tepelného) rozpadu kolektorového přechodu tranzistoru.

Z rozboru proudově-napěťové charakteristiky tranzistoru vyplývá, že tranzistor patří stejně jako dioda k nelineárním prvkům. Nicméně v aktivním režimu u CE> U USA kolektorový proud tranzistoru se mění přibližně přímo úměrně s přírůstky vstupního řídicího napětí na bázi tranzistoru, tzn. výstupní obvod tranzistoru se svými vlastnostmi blíží ideálnímu řízenému zdroji proudu. Kolektorový proud v aktivním režimu je prakticky nezávislý na zátěži připojené ke kolektoru tranzistoru.

Na Obr. 1.20 ukazuje nejjednodušší tranzistorový ekvivalentní obvod získané pro aktivní režim provozu, kdy jsou na tranzistor přiváděny střídavé signály s malou amplitudou ( U m < 0,1 В). Основным элементом этой схемы является источник тока, управляемый входным напряжением:

I K =SU BE,

Kde S- strmost tranzistoru, která se rovná 10 ... 100 mA / V pro tranzistory s nízkým výkonem.

Odpor r FE charakterizuje ztrátu energie v kolektorovém okruhu. Jeho hodnota pro nízkovýkonové tranzistory jsou desítky a stovky kiloohmů. Odpor přechodu emitoru ( r BE) se rovná stovkám ohmů nebo jednotkám kiloohmů. Tento odpor charakterizuje ztrátu energie pro řízení tranzistoru. Hodnoty parametrů ekvivalentního obvodu lze zjistit specifikací pracovních bodů na vstupních a výstupních IV charakteristikách tranzistoru a určením odpovídajících derivací v těchto pracovních bodech (nebo nastavením přírůstků odpovídajících proudů a napětí na provozních body).

Zařízení a princip činnosti

První tranzistory byly vyrobeny na bázi germania. V současnosti jsou vyráběny především z křemíku a arsenidu galia. Nejnovější tranzistory se používají v obvodech vysokofrekvenčních zesilovačů. Bipolární tranzistor se skládá ze tří různě dopovaných polovodičových zón: emitoru E, základna B a sběratel C. Podle typu vodivosti těchto zón se rozlišují tranzistory NPN (emitor - n-polovodič, báze - p-polovodič, kolektor - n-polovodič) a PNP. Ke každé ze zón jsou připojeny vodivé kontakty. Základna je umístěna mezi emitorem a kolektorem a je vyrobena z lehce dotovaného polovodiče s vysokým odporem. Celková kontaktní plocha báze-emitor je mnohem menší než kontaktní plocha kolektor-báze (toto se děje ze dvou důvodů - velká plocha přechodu kolektor-báze zvyšuje pravděpodobnost extrakce menších nosičů náboje do kolektoru, a protože v provozním přechod kolektor-báze je obvykle zapnut s reverzním předpětím, což zvyšuje tvorbu tepla, podporuje odvod tepla z kolektoru), proto je obecný bipolární tranzistor asymetrickým zařízením (není možné zaměnit emitor a kolektor změnou polarita zapojení a ve výsledku získáte bipolární tranzistor naprosto podobný původnímu).

V aktivním provozním režimu je tranzistor zapnutý tak, že jeho přechod emitoru je dopředně předpjatý (otevřený) a přechod kolektoru je obrácený (zavřený). Pro jistotu zvažte npn tranzistor, všechny argumenty se opakují přesně stejným způsobem pro případ pnp tranzistor, s nahrazením slova "elektrony" "otvory" a naopak, stejně jako s nahrazením všech napětí opačnými znaménky. V npn V tranzistoru procházejí elektrony, hlavní proudové nosiče v emitoru, otevřeným přechodem emitor-báze (jsou vstřikovány) do oblasti báze. Některé z těchto elektronů se rekombinují s většinou nosičů náboje v bázi (díry). Avšak vzhledem k tomu, že základna je vyrobena velmi tenká a relativně slabě dopovaná, většina elektronů injektovaných z emitoru difunduje do oblasti kolektoru. Silné elektrické pole obráceného kolektorového přechodu zachycuje elektrony a nese je do kolektoru. Kolektorový proud se tedy prakticky rovná proudu emitoru, s výjimkou malé rekombinační ztráty v bázi, která tvoří základní proud (I e \u003d I b + I k). Koeficient α spojující proud emitoru a proud kolektoru (I k \u003d α I e) se nazývá koeficient přenosu proudu emitoru. Číselná hodnota koeficientu α 0,9 - 0,999. Čím vyšší je koeficient, tím efektivněji tranzistor přenáší proud. Tento koeficient závisí jen málo na napětí kolektor-báze a báze-emitor. Proto je v širokém rozsahu provozních napětí kolektorový proud úměrný proudu báze, koeficient úměrnosti je roven β = α / (1 − α) = (10..1000). Změnou nízkého základního proudu lze tedy řídit mnohem vyšší kolektorový proud.

Provozní režimy bipolárního tranzistoru

Normální aktivní režim

Spojení emitor-báze je v dopředném směru (otevřeno) a spojení kolektor-báze je v opačném směru (zavřeno)
U EB > 0; U KB<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

Inverzní aktivní režim

Přechod emitoru je obrácený a přechod kolektoru je přímý.

Režim sytosti

Oba p-n přechody jsou předpojaté (obě otevřené). Pokud jsou p-n přechody emitoru a kolektoru připojeny k externím zdrojům v propustném směru, bude tranzistor v saturačním režimu. Difúzní elektrické pole přechodů emitoru a kolektoru bude částečně utlumeno elektrickým polem vytvářeným externími zdroji Ueb a Ucb. V důsledku toho se sníží potenciální bariéra, která omezuje difúzi hlavních nosičů náboje, a začne pronikání (injekce) děr z emitoru a kolektoru do báze, to znamená, že proudy budou protékat emitorem a kolektorem tranzistor, nazývaný saturační proudy emitoru (IE.us) a kolektoru (IK. us).

Režim cutoff

V tomto režimu jsou oba p-n přechody zařízení vychýleny v opačném směru (oba jsou uzavřeny). Režim přerušení tranzistoru se získá, když jsou p-n přechody emitoru a kolektoru připojeny k externím zdrojům v opačném směru. V tomto případě protékají oběma pn přechody velmi malé zpětné proudy emitoru (IEBO) a kolektoru (ICBO). Základní proud je roven součtu těchto proudů a podle typu tranzistoru se pohybuje od jednotek mikroampérů - μA (u křemíkových tranzistorů) až po jednotky miliampérů - mA (u germaniových tranzistorů).

bariérový režim

V tomto režimu základna tranzistor je zkratován nebo přes malý odpor s jeho kolektor a v kolektor nebo v emitor tranzistorový obvod sepne rezistor, který nastavuje proud tranzistorem. V takovém zahrnutí je tranzistor druh diody zapojené do série s odporem nastavujícím proud. Takové kaskádové obvody se vyznačují malým počtem součástek, dobrým vysokofrekvenčním oddělením, velkým rozsahem provozních teplot a necitlivostí na parametry tranzistoru.

Spínací schémata

Každý tranzistorový spínací obvod je charakterizován dvěma hlavními indikátory:

• Aktuální zisk I out / I in.
• Vstupní impedance R in \u003d U in / I in

Schéma zapojení se společnou základnou

Společný základní zesilovač.

• Ze všech tří konfigurací má nejmenší vstupní a největší výstupní impedanci. Má proudové zesílení blízké jednotce a velké napěťové zesílení. Fáze signálu není invertována.
• Proudové zesílení: I out / I in = I to / I e = α [α<1]
• Vstupní odpor R v \u003d U in / I v \u003d U be / I e.

Vstupní odpor pro obvod se společnou bází je malý a u tranzistorů s nízkým výkonem nepřesahuje 100 ohmů, protože vstupní obvod tranzistoru je v tomto případě otevřený emitorový přechod tranzistoru.

výhody:

• Dobré teplotní a frekvenční vlastnosti.
• Vysoké povolené napětí

Nevýhody schématu se společným základem:

• Malý proudový zisk, protože α< 1
• Nízká vstupní impedance
• Dva různé zdroje napětí pro napájení.

Spínací obvod se společným emitorem

• Proudové zesílení: I out / I in = I to / I b = I to / (I e -I to) = α / (1-α) = β [β>> 1]
• Vstupní impedance: R in \u003d U in / I in \u003d U be / I b

výhody:

• Velký proudový zisk
• Velké napěťové zesílení
• Největší zisk síly
• Lze použít jeden napájecí zdroj
• Výstupní střídavé napětí je invertováno vzhledem ke vstupu.

nedostatky:

• Horší teplotní a frekvenční vlastnosti ve srovnání s běžným základním obvodem

Společný kolektorový okruh

• Proudové zesílení: I out / I in = I e / I b = I e / (I e -I k) = 1 / (1-α) = β [β>> 1]
• Vstupní impedance: R in \u003d U in / I in \u003d (U be + U ke) / I b

výhody:

• Velká vstupní impedance
• Nízká výstupní impedance

nedostatky:

• Napěťový zisk je menší než 1.

Obvod s takovým zahrnutím se nazývá „sledovač emitoru“

Hlavní nastavení

• Aktuální převodní poměr
• Vstupní impedance
• Výstupní vodivost
• Zpětný proud kolektor-emitor
• Čas zapnutí
• Mezní frekvence základního převodového poměru proudu
• Zpětný proud kolektoru
• Maximální povolený proud
• Mezní frekvence koeficientu přenosu proudu v obvodu se společným emitorem

Parametry tranzistorů se dělí na vlastní (primární) a sekundární. Vlastní parametry charakterizují vlastnosti tranzistoru bez ohledu na schéma jeho zařazení. Jako hlavní vlastní parametry jsou přijímány následující:

• proudový zisk α;
• odpory emitoru, kolektoru a báze vůči střídavému proudu r e, r k, rb, které jsou:
  • r e - součet odporů oblasti emitoru a přechodu emitoru;
  • r to - součet odporů plochy kolektoru a přechodu kolektoru;
  • r b - příčný odpor základny.

Bipolární tranzistorový ekvivalentní obvod využívající h-parametry

Sekundární parametry jsou různé pro různé tranzistorové spínací obvody a vzhledem k jejich nelinearitě jsou platné pouze pro nízké frekvence a malé amplitudy signálu. Pro sekundární parametry bylo navrženo několik systémů parametrů a jim odpovídajících ekvivalentních obvodů. Za hlavní jsou považovány smíšené (hybridní) parametry, označené písmenem „h“.

Vstupní impedance- odpor tranzistoru proti vstupnímu střídavému proudu při zkratu na výstupu. Změna vstupního proudu je výsledkem změny vstupního napětí, bez vlivu zpětné vazby od výstupního napětí.

H 11 \u003d U m1 / I m1 s U m2 \u003d 0.

Faktor zpětné vazby napětí ukazuje, jaký podíl výstupního střídavého napětí je přenášen na vstup tranzistoru díky zpětné vazbě v něm. Ve vstupním obvodu tranzistoru není střídavý proud a ke změně vstupního napětí dochází pouze v důsledku změny výstupního napětí.

H 12 \u003d U m1 / U m2 s I m1 \u003d 0.

Aktuální převodní poměr(proudové zesílení) udává zesílení střídavého proudu při nulovém zatěžovacím odporu. Výstupní proud závisí pouze na vstupním proudu bez vlivu výstupního napětí.

H 21 \u003d I m2 / I m1 při U m2 \u003d 0.

Výstupní vodivost- vnitřní vedení pro střídavý proud mezi výstupními svorkami. Výstupní proud se mění pod vlivem výstupního napětí.

H 22 \u003d I m2 / U m2 při I m1 \u003d 0.

Vztah mezi střídavými proudy a tranzistorovými napětími je vyjádřen rovnicí:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2;
I m2 \u003d h 21 I m1 + h 22 U m2.

V závislosti na spínacím obvodu tranzistoru se k digitálním indexům h-parametrů přidávají písmena: "e" - pro obvod OE, "b" - pro obvod OB, "k" - pro obvod OK.

Pro schéma OE: I m1 = I mb, I m2 = I mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. Například pro toto schéma:

H 21e \u003d I mk / I mb \u003d β.

Pro schéma OB: I m1 = I já, I m2 = I mk, U m1 = U me-b, U m2 = U mk-b.

Vlastní parametry tranzistoru souvisí s parametry h, například pro obvod OE:

S rostoucí frekvencí začíná mít na činnost tranzistoru škodlivý vliv kapacita kolektorového přechodu C k. Kapacitní odpor klesá, proud zatěžovacím odporem klesá a následně i zisky α a β. Kapacitní odpor přechodu emitoru C e se také snižuje, je však posunut malým odporem přechodu r e a ve většině případů může být ignorován. Navíc se zvýšením frekvence dochází k dodatečnému poklesu koeficientu β v důsledku zpoždění fáze kolektorového proudu od fáze proudu emitoru, což je způsobeno setrvačností procesu pohybu nosičů základnou z přechodu emitoru na přechod kolektoru a setrvačnosti procesů akumulace a resorpce náboje v bázi. Nazývají se frekvence, při kterých koeficienty α a β klesnou o 3 dB mezní frekvence koeficientu proudového převodu pro schémata OB a OE.

V pulzním režimu začíná impuls kolektorového proudu se zpožděním o dobu zpoždění τc vzhledem ke vstupnímu proudovému impulsu, což je způsobeno konečným časem průchodu nosičů bází. Jak se nosiče hromadí v základně, kolektorový proud se během trvání přední τf zvyšuje. Včas tranzistor se nazývá τ on = τ c + τ f.

Technologie výroby tranzistorů

• epitaxní-planární
• plovoucí
  • difúze
  • Difuzní slitina

Aplikace tranzistorů

• Demodulátor (detektor)
• Invertor (log. prvek)
• Tranzistorové logické mikroobvody (viz logika tranzistor-tranzistor, logika dioda-tranzistor, logika odpor-tranzistor)

viz také

Literatura

Poznámky

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, tranzistor je „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.

PNP tranzistor je elektronické zařízení, v určitém smyslu opak NPN tranzistoru. U tohoto typu konstrukce tranzistoru jsou jeho PN přechody otevřeny napětím s obrácenou polaritou vzhledem k typu NPN. V symbolu zařízení šipka, která také definuje terminál emitoru, tentokrát ukazuje uvnitř symbolu tranzistoru.

Design nástroje

Strukturní diagram tranzistoru typu PNP se skládá ze dvou oblastí polovodičového materiálu typu p na obou stranách oblasti materiálu typu n, jak je znázorněno na obrázku níže.

Šipka definuje emitor a obecně přijímaný směr jeho proudu ("in" pro tranzistor PNP).

Tranzistor PNP má velmi podobné vlastnosti jako jeho bipolární protějšek NPN, kromě toho, že směry proudů a polarity napětí v něm jsou obráceny pro kterékoli ze tří možných schémat spínání: společná báze, společný emitor a společný kolektor.

Hlavní rozdíly mezi dvěma typy bipolárních tranzistorů

Hlavním rozdílem mezi nimi je, že díry jsou hlavními nositeli proudu pro PNP tranzistory, NPN tranzistory mají elektrony v této kapacitě. Proto jsou polarity napětí napájejících tranzistor obráceny a jeho vstupní proud teče z báze. Naproti tomu u tranzistoru NPN do něj proud báze teče, jak je uvedeno níže ve schématu zapojení pro oba typy zařízení se společnou bází a společným emitorem.

Princip činnosti tranzistoru typu PNP je založen na použití malého (jako typ NPN) proudu báze a záporného (na rozdíl od typu NPN) bázového předpětí k buzení mnohem většího proudu emitor-kolektor. Jinými slovy, pro PNP tranzistor je emitor kladnější vzhledem k bázi a také vzhledem ke kolektoru.

Zvažte rozdíly typu PNP ve spínacím obvodu se společnou základnou

Je z něj totiž vidět, že kolektorový proud IC (v případě NPN tranzistoru) vytéká z kladného pólu baterie B2, prochází kolektorovou svorkou, vstupuje do ní a poté musí vystupovat přes svorku báze. pro návrat k zápornému pólu baterie. Stejným způsobem při pohledu na obvod emitoru můžete vidět, jak jeho proud z kladného pólu baterie B1 vstupuje do tranzistoru přes svorku báze a poté proniká do emitoru.

Svorkou báze tedy prochází kolektorový proud I C i emitorový proud I E. Protože ve svých obvodech cirkulují v opačných směrech, výsledný základní proud se rovná jejich rozdílu a je velmi malý, protože I C je o něco menší než I E . Ale protože druhý je stále větší, směr toku diferenciálního proudu (proud báze) se shoduje s I E, a proto bipolární tranzistor typu PNP má proud tekoucí ze báze a bipolární tranzistor typu NPN má proud proudící dovnitř.

Rozdíly typu PNP na příkladu spínacího obvodu se společným emitorem

V tomto novém obvodu je PN přechod báze-emitor zapnut napětím baterie B1 a přechod kolektor-báze je zpětně ovlivněn napětím baterie B2. Terminál emitoru je tedy sdílen mezi základním a kolektorovým obvodem.

Celkový proud emitoru je dán součtem dvou proudů I C a I B ; procházející výstupem emitoru v jednom směru. Máme tedy I E = I C + I B .

V tomto obvodu se základní proud I B jednoduše „větví“ z proudu emitoru I E, který se s ním také ve směru shoduje. Přitom tranzistoru typu PNP stále teče proud ze báze I B a tranzistoru typu NPN proud teče dovnitř.

Ve třetím ze známých tranzistorových spínacích obvodů se společným kolektorem je situace naprosto stejná. Proto jej neuvádíme, abychom ušetřili prostor a čas čtenářům.

PNP tranzistor: připojení zdrojů napětí

Zdroj napětí mezi bází a emitorem (V BE) je připojen záporně k bázi a kladně k emitoru, protože k činnosti tranzistoru PNP dochází, když je báze záporně předpětí vzhledem k emitoru.

Napájecí napětí emitoru je také kladné vzhledem ke kolektoru (V CE). U tranzistoru typu PNP je tedy terminál emitoru vždy kladnější vůči bázi i kolektoru.

Zdroje napětí jsou připojeny k tranzistoru PNP, jak je znázorněno na obrázku níže.

Tentokrát je kolektor připojen k napájecímu napětí V CC přes zatěžovací odpor R L , který omezuje maximální proud protékající zařízením. Napětí báze VB, které jej předpíná v záporném směru vzhledem k emitoru, je na něj přivedeno přes rezistor RB, který se opět používá k omezení maximálního proudu báze.

Činnost tranzistorového stupně PNP

Aby tedy v PNP tranzistoru proudil proud báze, musí být báze zápornější než emitor (proud musí opustit bázi) asi o 0,7 voltu pro křemík nebo 0,3 voltu pro germanium. Vzorce použité pro výpočet odporu báze, proudu báze nebo proudu kolektoru jsou stejné jako vzorce použité pro ekvivalentní tranzistor NPN a jsou uvedeny níže.

Vidíme, že zásadní rozdíl mezi NPN a PNP tranzistorem je správné předpětí pn přechodů, protože směry proudů a polarita napětí v nich jsou vždy opačné. Takže pro výše uvedený obvod: I C = I E - I B, protože proud musí téct ze základny.

Tranzistor PNP lze zpravidla ve většině elektronických obvodů nahradit tranzistorem NPN, rozdíl je pouze v polaritě napětí a směru proudu. Takové tranzistory lze také použít jako spínací zařízení a příklad přepínače PNP je uveden níže.

Vlastnosti tranzistoru

Výstupní charakteristiky tranzistoru PNP jsou velmi podobné charakteristikám ekvivalentního tranzistoru NPN, kromě toho, že jsou otočeny o 180°, aby se zohlednila obrácená polarita napětí a proudů (základní a kolektorové proudy tranzistoru PNP jsou záporné). Podobně pro nalezení pracovních bodů tranzistoru PNP lze vykreslit jeho dynamickou čáru zatížení ve 3. kvadrantu kartézského souřadnicového systému.

Typické charakteristiky tranzistoru 2N3906 PNP jsou znázorněny na obrázku níže.

Tranzistorové páry v zesilovacích stupních

Možná se ptáte, jaký je důvod používat PNP tranzistory, když je k dispozici mnoho NPN tranzistorů, které lze použít jako zesilovače nebo polovodičové přepínače? Přítomnost dvou různých typů tranzistorů - NPN a PNP - však dává velké výhody při návrhu obvodů výkonového zesilovače. Tyto zesilovače používají "komplementární" nebo "spárované" páry tranzistorů (což jsou jeden PNP tranzistor a jeden NPN spojené dohromady, jak je znázorněno na obrázku níže) v koncovém stupni.

Dva odpovídající tranzistory NPN a PNP s blízkými charakteristikami navzájem shodnými se nazývají komplementární. Například TIP3055 (typ NPN) a TIP2955 (typ PNP) jsou dobrými příklady komplementárních křemíkových výkonových tranzistorů. Oba mají konstantní proudový zisk β=I C /I B přizpůsobený do 10 % a vysoký kolektorový proud kolem 15 A, díky čemuž jsou ideální pro řízení motorů nebo robotické aplikace.

Zesilovače třídy B navíc používají párované páry tranzistorů ve svých koncových výkonových stupních. V nich vede tranzistor NPN pouze kladnou půlvlnu signálu a tranzistor PNP pouze jeho zápornou polovinu.

To umožňuje zesilovači přenášet požadovaný výkon přes reproduktor v obou směrech pro daný výkon a impedanci. Výsledkem je, že výstupní proud, který je obvykle v řádu několika ampér, je rovnoměrně rozdělen mezi dva komplementární tranzistory.

Tranzistorové páry v řídicích obvodech motoru

Používají se také v řídicích obvodech H-můstku pro reverzibilní stejnosměrné motory, které umožňují regulovat proud motorem rovnoměrně v obou směrech jeho otáčení.

Výše uvedený obvod H-můstku je tak pojmenován, protože základní konfigurace jeho čtyř tranzistorových spínačů připomíná písmeno „H“ s motorem v křížové linii. Tranzistorový H-můstek je pravděpodobně jedním z nejčastěji používaných typů řídicího obvodu stejnosměrného motoru. V každé větvi používá "doplňkové" páry tranzistorů typu NPN a PNP, které fungují jako klíče při ovládání motoru.

Řídicí vstup A umožňuje chod motoru v jednom směru, zatímco vstup B se používá pro zpětné otáčení.

Například, když je tranzistor TR1 zapnutý a TR2 vypnutý, vstup A je připojen k napájecímu napětí (+Vcc), a pokud je tranzistor TR3 vypnutý a TR4 zapnutý, pak je vstup B připojen k 0 voltům (GND). Proto se motor bude otáčet jedním směrem, což odpovídá kladnému potenciálu vstupu A a zápornému potenciálu vstupu B.

Pokud se stav spínače změní tak, že TR1 je vypnutý, TR2 zapnutý, TR3 zapnutý a TR4 vypnutý, proud motoru poteče v opačném směru, což způsobí jeho obrácení.

Použitím opačných úrovní logické "1" nebo "0" na vstupech A a B lze řídit směr otáčení motoru.

Určení typu tranzistorů

Jakýkoli bipolární tranzistor si lze představit jako v podstatě dvě diody spojené zády k sobě.

Tuto analogii můžeme použít k určení, zda je tranzistor typu PNP nebo NPN testováním jeho odporu na jeho třech svorkách. Testováním každého páru v obou směrech pomocí multimetru po šesti měřeních dostaneme následující výsledek:

1. Emitor - Základna. Tyto kolíky by se měly chovat jako normální dioda a vést proud pouze v jednom směru.

2.Sběratel - Základna. Tyto kolíky by také měly fungovat jako normální dioda a vést proud pouze v jednom směru.

3. Zářič - Sběratel. Tato zjištění by neměla být v žádném směru.

Hodnoty přechodového odporu obou typů tranzistorů

Pak můžeme PNP tranzistor definovat jako dobrý a uzavřený. Malý výstupní proud a záporné napětí na jeho základně (B) vzhledem k jeho emitoru (E) jej otevře a umožní proudění mnohem většího proudu emitor-kolektor. PNP tranzistory vedou při kladném emitorovém potenciálu. Jinými slovy, bipolární tranzistor PNP bude vést pouze tehdy, pokud jsou svorky báze a kolektoru záporné vzhledem k emitoru.