Bipolar transistör - bir yarı iletkenin tüm parametrelerinin ayrıntılı bir açıklaması. bipolar transistör

bipolar transistör- elektrik sinyallerini yükseltmek, üretmek ve dönüştürmek için tasarlanmış, transistör türlerinden biri olan elektronik bir yarı iletken cihaz. Transistör denir iki kutuplu cihazın çalışmasına aynı anda iki tip yük taşıyıcı katıldığından - elektronlar Ve delikler. Bu bakımdan farklıdır tek kutuplu Yalnızca bir tür yük taşıyıcının katıldığı (alan etkili) transistör.

Her iki tip transistörün çalışma prensibi, su akışını düzenleyen bir su vanasının çalışmasına benzer, transistörden yalnızca elektron akışı geçer. Bipolar transistörlerde cihazdan iki akım geçer - ana "büyük" akım ve kontrol "küçük" akımı. Ana akımın gücü kontrolün gücüne bağlıdır. Alan etkili transistörlerde, gücü elektromanyetik alana bağlı olan cihazdan yalnızca bir akım geçer. Bu yazıda bipolar transistörün çalışmasını daha ayrıntılı olarak ele alacağız.

Bipolar transistör cihazı.

Bipolar transistör üç yarı iletken katmandan ve iki PN bağlantı noktasından oluşur. PNP ve NPN transistörleri, alternatif delik türü ve elektronik iletkenlik ile ayırt edilir. Bu, yüz yüze veya tam tersi şekilde bağlanmış iki diyot gibidir.

Bipolar bir transistörün üç kontağı (elektrotlar) vardır. Merkezi katmandan çıkan temasa denir taban (taban). Uç elektrotlar adlandırılır kolektör Ve yayıcı (kolektör Ve yayıcı). Taban katmanı, toplayıcı ve yayıcıya göre çok incedir. Buna ek olarak transistörün kenarlarındaki yarı iletken bölgeler simetrik değildir. Kolektör tarafındaki yarı iletken katman, emitör tarafındakinden biraz daha kalındır. Bu, transistörün doğru çalışması için gereklidir.

Bipolar transistörün çalışması sırasında meydana gelen fiziksel süreçleri düşünün. Örnek olarak NPN modelini ele alalım. PNP transistörünün çalışma prensibi benzerdir, yalnızca toplayıcı ile verici arasındaki voltaj polaritesi zıt olacaktır.

Yarı iletkenlerdeki iletkenlik türleri hakkındaki makalede daha önce de belirtildiği gibi, P tipi bir maddede pozitif yüklü iyonlar - delikler vardır. N tipi bir madde negatif yüklü elektronlarla doyurulur. Bir transistörde N bölgesindeki elektronların konsantrasyonu, P bölgesindeki deliklerin konsantrasyonundan çok daha yüksektir.

Kolektör ve verici V CE (V CE) arasına bir voltaj kaynağı bağlayın. Etkisi altında, üst N kısmındaki elektronlar artıya çekilmeye ve toplayıcının yakınında toplanmaya başlayacak. Ancak gerilim kaynağının elektrik alanı emitöre ulaşmadığı için akım akamaz. Bu, kalın bir toplayıcı yarı iletken tabakası artı bir temel yarı iletken tabakası ile önlenir.

Şimdi baz ile verici VBE arasındaki voltajı bağlıyoruz, ancak VCE'den çok daha düşük (silikon transistörler için gerekli minimum VBE 0,6V'dir). P katmanı çok ince olduğundan ve tabana bağlı bir voltaj kaynağından dolayı, elektrik alanıyla yayıcının N bölgesine "uzanabilecektir". Eylemi altında elektronlar tabana gidecek. Bazıları orada bulunan delikleri doldurmaya başlayacak (yeniden birleşecek). Diğer kısım kendisi için serbest bir delik bulamayacaktır çünkü tabandaki deliklerin konsantrasyonu yayıcıdaki elektronların konsantrasyonundan çok daha düşüktür.

Sonuç olarak bazın merkezi katmanı serbest elektronlarla zenginleştirilir. Buradaki voltaj çok daha yüksek olduğu için çoğu kollektöre doğru gidecek. Bu aynı zamanda merkezi katmanın çok küçük bir kalınlığı ile de kolaylaştırılmıştır. Elektronların bir kısmı, çok daha küçük olmasına rağmen yine de tabanın artı kısmına doğru akacaktır.

Sonuç olarak, iki akım elde ediyoruz: küçük olanı - tabandan vericiye I BE ve büyük olanı - kollektörden vericiye I CE.

Baz voltajı arttırılırsa P katmanında daha da fazla elektron birikecektir. Sonuç olarak, baz akımı biraz artacak ve kollektör akımı önemli ölçüde artacaktır. Böylece, temel akımda küçük bir değişiklikle I B , kolektör akımı I büyük ölçüde değişir C.İşte böyle gidiyor bipolar transistörde sinyal amplifikasyonu. Kolektör akımı I C'nin temel akım I B'ye oranına akım kazancı denir. belirtilen β , hfe veya h21e transistörle yapılan hesaplamaların özelliklerine bağlı olarak.

En basit bipolar transistörlü amplifikatör

Örnek olarak devreyi kullanarak elektrik düzleminde sinyal yükseltme prensibini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Böyle bir planın tamamen doğru olmaması için önceden rezervasyon yapacağım. Hiç kimse bir DC voltaj kaynağını doğrudan bir AC kaynağına bağlamaz. Ancak bu durumda, bipolar transistör kullanarak amplifikasyon mekanizmasının kendisini anlamak daha kolay ve net olacaktır. Ayrıca aşağıdaki örnekte hesaplama tekniğinin kendisi de bir miktar basitleştirilmiştir.

1. Zincirin ana elemanlarının tanımı

Diyelim ki kazancı 200 (β = 200) olan bir transistörümüz var. Kolektörün yanından, amplifikasyonun meydana geleceği enerji nedeniyle nispeten güçlü bir 20V güç kaynağı bağlıyoruz. Transistörün tabanının yanından 2V'luk zayıf bir güç kaynağı bağlıyoruz. Buna, 0,1V salınım genliğine sahip, sinüs biçiminde bir alternatif voltaj kaynağını seri olarak bağlarız. Bu güçlendirilecek sinyal olacaktır. Genellikle düşük güçte olan sinyal kaynağından gelen akımı sınırlamak için tabanın yakınındaki Rb direncine ihtiyaç vardır.

2. Baz giriş akımının hesaplanması I b

Şimdi temel akımı I b'yi hesaplayalım. Alternatif voltajla uğraştığımız için, maksimum voltajda (V max) ve minimumda (V min) iki akım değerini hesaplamamız gerekir. Bu mevcut değerlere sırasıyla - I bmax ve I bmin diyelim.

Ayrıca baz akımını hesaplamak için baz emitör gerilimini (VBE) bilmeniz gerekir. Baz ve emitör arasında bir PN bağlantısı vardır. Temel akımın yolda bir yarı iletken diyotla "karşılaştığı" ortaya çıktı. Yarı iletken bir diyotun iletime başladığı voltaj yaklaşık 0,6V'dur. Diyotun akım-gerilim özelliklerinin ayrıntılarına girmeyeceğiz ve hesaplama kolaylığı için, akım ileten diyot üzerindeki voltajın her zaman 0,6V olduğu yaklaşık bir model alacağız. Bu, baz ile verici arasındaki voltajın VBE = 0,6V olduğu anlamına gelir. Ve verici toprağa bağlı olduğundan (V E = 0), tabandan toprağa olan voltaj da 0,6V'dir (V B = 0,6V).

Ohm yasasını kullanarak I bmax ve I bmin'i hesaplayalım:

2. Kolektör çıkış akımının hesaplanması I C

Artık kazancı bilerek (β = 200), kollektör akımının maksimum ve minimum değerlerini (I cmax ve I cmin) kolayca hesaplayabiliriz.

3. Çıkış voltajının V çıkışının hesaplanması

Kolektör akımı, daha önce hesapladığımız Rc direnci üzerinden akar. Değerleri değiştirmeye devam ediyor:

4. Sonuçların analizi

Sonuçlardan görülebileceği gibi V Cmax'ın V Cmin'den küçük olduğu ortaya çıktı. Bunun nedeni V Rc üzerindeki voltajın VCC besleme voltajından çıkarılmasıdır. Bununla birlikte, çoğu durumda bu önemli değil, çünkü sinyalin değişken bileşeniyle - 0,1V'den 1V'ye yükselen genlikle ilgileniyoruz. Frekans ve sinüzoidal dalga biçimi değişmedi. Elbette on kat oranında bir V çıkışı / V, bir amplifikatör için en iyi gösterge olmaktan uzaktır, ancak amplifikasyon sürecini göstermek için oldukça uygundur.

Öyleyse, bir amplifikatörün bipolar transistör üzerindeki çalışma prensibini özetleyelim. Tabandan bir sabit ve bir değişken bileşen taşıyan bir Ib akımı akar. Baz ile yayıcı arasındaki PN bağlantısının iletilmeye başlaması - "açılması" için sabit bileşene ihtiyaç vardır. Değişken bileşen aslında sinyalin kendisidir (yararlı bilgi). Transistörün içindeki kolektör-emetör akım gücü, baz akımının kazanç β ile çarpılmasının sonucudur. Buna karşılık, toplayıcının üzerindeki Rc direnci üzerindeki voltaj, yükseltilmiş kolektör akımının direnç değeriyle çarpılmasının sonucudur.

Böylece, V çıkışı, artan salınım genliğine sahip, ancak korunmuş şekil ve frekansa sahip bir sinyal alır. Transistörün amplifikasyon için VCC güç kaynağından enerji aldığını vurgulamak önemlidir. Besleme voltajı yeterli değilse transistör tam olarak çalışamayacak ve çıkış sinyali bozulabilir.

Bipolar transistörün çalışma modları

Transistörün elektrotlarındaki voltaj seviyelerine göre dört çalışma modu vardır:

• Kesme modu.
• Aktif mod (aktif mod).
• Doygunluk modu.
• Ters mod.

Kesme modu

Baz emitör voltajı 0,6V - 0,7V'den düşük olduğunda, baz ile emitör arasındaki PN bağlantısı kapatılır. Bu durumda transistörün baz akımı yoktur. Sonuç olarak, tabanda kolektör voltajına doğru hareket etmeye hazır serbest elektron bulunmadığından kolektör akımı da olmayacaktır. Transistörün olduğu gibi kilitli olduğu ortaya çıktı ve içeride olduğunu söylüyorlar. kesme modu.

Aktif mod

İÇİNDE aktif mod tabandaki voltaj, taban ile verici arasındaki PN bağlantısını açmaya yeterlidir. Bu durumda transistörün taban ve toplayıcı akımları vardır. Kollektör akımı, temel akımın kazançla çarpımına eşittir. Yani aktif mod, amplifikasyon için kullanılan transistörün normal çalışma modudur.

Doygunluk modu

Bazen baz akımı çok büyük olabilir. Sonuç olarak, besleme gücü, transistörün kazancına karşılık gelecek böyle bir kollektör akımını sağlamak için yeterli değildir. Doyum modunda kollektör akımı güç kaynağının sağlayabileceği maksimum değerde olacak ve baz akımdan etkilenmeyecektir. Bu durumda, kolektör akımı baz akımdaki değişikliklere yanıt vermediğinden transistör sinyali yükseltemez.

Doyum modunda transistörün iletkenliği maksimumdur ve "açık" durumdaki anahtarın (anahtarın) işlevi için daha uygundur. Benzer şekilde kesme modunda transistörün iletkenliği minimumdur ve bu, anahtarın "kapalı" durumunda olmasına karşılık gelir.

Ters mod

Bu modda, toplayıcı ve yayıcı anahtar rolleri: kolektör PN bağlantısı ileri yönlüdür ve yayıcı bağlantısı ters yönlüdür. Sonuç olarak akım tabandan toplayıcıya doğru akar. Kollektör yarı iletken bölgesi yayıcıya simetrik değildir ve ters moddaki kazanç normal aktif moda göre daha düşüktür. Transistörün tasarımı aktif modda mümkün olduğu kadar verimli çalışacak şekilde yapılmıştır. Bu nedenle, ters modda transistör pratikte kullanılmaz.

Bipolar transistörün temel parametreleri.

şu anki kazanç- kollektör akımının I C temel akıma oranı I B. belirtilen β , hfe veya h21e transistörlerle yapılan hesaplamaların özelliklerine bağlı olarak.

β, bir transistör için sabit bir değerdir ve cihazın fiziksel yapısına bağlıdır. Yüksek kazanç yüzlerce birimde, düşük kazanç ise onlarca olarak hesaplanır. Aynı tipteki iki ayrı transistör için, üretim sırasında "boru hattı boyunca komşu" olsalar bile β biraz farklı olabilir. Bipolar transistörün bu özelliği belki de en önemlisidir. Hesaplamalarda cihazın diğer parametreleri sıklıkla ihmal edilebiliyorsa, mevcut kazanç neredeyse imkansızdır.

Giriş empedansı- temel akımı "karşılayan" transistördeki direnç. belirtilen R girişi (R girişi). Ne kadar büyük olursa, cihazın yükseltme özellikleri açısından o kadar iyidir, çünkü genellikle taban tarafında mümkün olduğunca az akım tüketmeniz gereken zayıf bir sinyal kaynağı vardır. İdeal seçenek, giriş direncinin sonsuza eşit olmasıdır.

Ortalama bir bipolar transistör için R in birkaç yüz KΩ'dur (kilo-ohm). Burada iki kutuplu transistör, giriş direncinin yüzlerce GΩ'a (gigaohm) ulaştığı alan etkili transistöre karşı çok şey kaybeder.

Çıkış İletkenliği- kolektör ve emitör arasındaki transistörün iletkenliği. Çıkış iletkenliği ne kadar büyük olursa, transistörden daha az güçle daha fazla toplayıcı-yayıcı akım geçebilecektir.

Ayrıca çıkış iletkenliğindeki artışla (veya çıkış empedansındaki azalmayla) amplifikatörün genel kazançta çok az kayıpla dayanabileceği maksimum yük artar. Örneğin, düşük çıkış iletkenliğine sahip bir transistör, bir sinyali yük olmadan 100 kez güçlendirirse, o zaman 1KΩ'luk bir yük bağlandığında zaten yalnızca 50 kez yükseltecektir. Aynı kazanca sahip ancak daha yüksek çıkış iletkenliğine sahip bir transistörün kazanç düşüşü daha az olacaktır. İdeal seçenek, çıkış iletkenliğinin sonsuza eşit olduğu zamandır (veya çıkış direnci R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

Gerekli açıklamalar yapıldı, gelelim asıl meseleye.

Transistörler. Tanım ve tarih

Transistör- iki elektrot devresindeki akımın üçüncü bir elektrot tarafından kontrol edildiği bir elektronik yarı iletken cihaz. (transistörler.ru)

Transistörler, çeşitli elektronik cihazlardaki vakum tüplerinin yerini hızla aldı. Bu bakımdan bu tür cihazların güvenilirliği artmış ve boyutları büyük ölçüde azalmıştır. Ve bugüne kadar, bir mikro devre ne kadar "süslü" olursa olsun, hala çok sayıda transistör (aynı zamanda diyotlar, kapasitörler, dirençler vb.) içerir. Sadece çok küçük olanlar.

Bu arada, başlangıçta "transistörlere" dirençler deniyordu; bunların direnci, uygulanan voltajın büyüklüğü kullanılarak değiştirilebiliyordu. Süreçlerin fiziğini göz ardı edersek, modern bir transistör, kendisine uygulanan sinyale bağlı bir direnç olarak da temsil edilebilir.

Alan ve bipolar transistörler arasındaki fark nedir? Cevap onların isimlerinde yatıyor. Bipolar bir transistörde yük aktarımı şunları içerir: Ve elektronlar, Ve delikler ("bis" - iki kez). Ve sahada (tek kutuplu olarak da bilinir) - veya elektronlar, veya delikler.

Ayrıca bu tip transistörlerin uygulama alanları farklılık göstermektedir. Bipolar esas olarak analog teknolojide ve sahada - dijitalde kullanılır.

Ve sonunda: herhangi bir transistörün ana uygulama alanı- ek bir güç kaynağı nedeniyle zayıf bir sinyalin güçlendirilmesi.

bipolar transistör. Çalışma prensibi. Temel özellikleri

Transistörün fiziğini düşünmeden önce genel sorunu özetleyelim.


Aşağıdakilerden oluşur: yayıcı ve toplayıcı arasında güçlü bir akım akar ( kollektör akımı) ve yayıcı ile taban arasında - zayıf bir kontrol akımı ( temel akım). Baz akımı değiştikçe kolektör akımı da değişecektir. Neden?
Transistörün p-n bağlantılarını düşünün. Bunlardan iki tane var: yayıcı taban (EB) ve taban toplayıcı (BC). Transistörün aktif modunda, birincisi ileri öngerilim ile, ikincisi ise ters öngerilim ile bağlanır. Peki p-n bağlantılarında ne olur? Daha fazla kesinlik sağlamak için bir n-p-n transistörünü ele alacağız. P-n-p için her şey aynıdır, yalnızca "elektronlar" kelimesinin "delikler" ile değiştirilmesi gerekir.

EB geçişi açık olduğundan elektronlar kolaylıkla tabana doğru "akar". Orada kısmen deliklerle yeniden birleşiyorlar, ancak ÖÇoğu, tabanın küçük kalınlığı ve zayıf alaşımı nedeniyle taban-kollektör geçişine ulaşmayı başarıyor. Hatırladığımız gibi, ters önyargı ile dahil edilmiştir. Tabandaki elektronlar küçük yük taşıyıcıları olduğundan, geçişin elektrik alanı bunların üstesinden gelmelerine yardımcı olur. Bu nedenle kollektör akımı emitör akımından sadece biraz daha azdır. Şimdi ellerinize dikkat edin. Taban akımını artırırsanız EB bağlantısı daha fazla açılır ve yayıcı ile toplayıcı arasında daha fazla elektron kayabilir. Ve kolektör akımı başlangıçta baz akımdan daha büyük olduğundan, bu değişiklik çok ama çok fark edilebilir olacaktır. Böylece, baz tarafından alınan zayıf bir sinyalin amplifikasyonu olacaktır. Bir kez daha, kolektör akımındaki büyük bir değişiklik, baz akımındaki küçük bir değişikliğin orantılı bir yansımasıdır.

Bipolar transistörün çalışma prensibinin sınıf arkadaşıma su musluğu örneği kullanılarak açıklandığını hatırlıyorum. İçindeki su kolektör akımı, taban kontrol akımı ise düğmeyi ne kadar çevirdiğimizdir. Musluktan su akışını artırmak için küçük bir çaba (kontrol eylemi) yeterlidir.

Dikkate alınan işlemlere ek olarak, transistörün p-n bağlantılarında bir takım başka olaylar da meydana gelebilir. Örneğin, baz-kollektör bağlantısındaki voltajın güçlü bir şekilde artmasıyla, darbe iyonizasyonu nedeniyle çığ yükü çoğalması başlayabilir. Ve tünel etkisi ile birleştiğinde, bu önce elektriksel bir arızaya, ardından (artan akımla birlikte) termal bir arızaya neden olacaktır. Bununla birlikte, bir transistördeki termal bozulma, elektrik olmadan da meydana gelebilir (yani, kolektör voltajını arıza voltajına yükseltmeden). Bunun için kolektörden geçen bir aşırı akım yeterli olacaktır.

Diğer bir olay ise kollektör ve emitör bağlantılarındaki gerilimler değiştiğinde kalınlıklarının değişmesiyle ilgilidir. Ve eğer taban çok inceyse, o zaman kapanma etkisi (tabanın "delinmesi" olarak adlandırılan) meydana gelebilir - kolektör bağlantısının yayıcı ile bağlantısı. Bu durumda baz bölgesi kaybolur ve transistör normal çalışmayı durdurur.

Transistörün normal aktif modunda transistörün kolektör akımı, baz akımından belirli sayıda daha yüksektir. Bu numara denir şu anki kazanç ve transistörün ana parametrelerinden biridir. Belirlendi sa21. Transistör kollektör yükü olmadan açılırsa, sabit bir kolektör-yayıcı voltajında, kolektör akımının baz akıma oranı şunu verecektir: statik akım kazancı. Onlarca veya yüzlerce birime eşit olabilir, ancak gerçek devrelerde bu katsayının, yük açıldığında kolektör akımının doğal olarak azalması nedeniyle daha az olduğu gerçeğini dikkate almaya değer.

İkinci önemli parametre ise transistör giriş direnci. Ohm kanununa göre, baz ile emitör arasındaki voltajın, baz kontrol akımına oranıdır. Ne kadar büyük olursa, temel akım o kadar düşük ve kazanç da o kadar yüksek olur.

Bipolar transistörün üçüncü parametresi gerilim kazancı. Çıkışın (yayıcı-toplayıcı) ve giriş (baz-yayıcı) alternatif gerilimlerinin genlik veya etkin değerlerinin oranına eşittir. İlk değer genellikle çok büyük (birim ve onlarca volt) ve ikincisi çok küçük (onda bir volt) olduğundan, bu katsayı onbinlerce birime ulaşabilir. Her baz kontrol sinyalinin kendi voltaj kazancına sahip olduğuna dikkat edilmelidir.

Ayrıca transistörler frekans tepkisi Transistörün, frekansı amplifikasyonun kesme frekansına yaklaşan sinyali yükseltme yeteneğini karakterize eden. Gerçek şu ki, giriş sinyalinin frekansı arttıkça kazanç azalır. Bunun nedeni, ana fiziksel süreçlerin zamanının (taşıyıcıların yayıcıdan toplayıcıya hareket süresi, kapasitif bariyer bağlantılarının şarjı ve deşarjı) giriş sinyalinin değişim periyoduyla orantılı hale gelmesidir. Onlar. transistörün giriş sinyalindeki değişikliklere yanıt verecek zamanı yoktur ve bir noktada onu yükseltmeyi bırakır. Bunun gerçekleştiği frekansa denir sınır.

Ayrıca bipolar transistörün parametreleri şunlardır:

• toplayıcı-yayıcı ters akım
• açılma zamanı
• toplayıcı ters akımı
• izin verilen maksimum akım

N-p-n ve p-n-p transistörlerin sembolleri yalnızca yayıcıyı gösteren ok yönünde farklılık gösterir. Belirli bir transistörde akımın nasıl aktığını gösterir.

Bipolar transistörün çalışma modları

1. Ters aktif mod. Burada BC geçişi açık, EB ise tam tersine kapalı. Bu moddaki yükseltme özellikleri elbette hiçbir yerde daha kötü değildir, bu nedenle bu moddaki transistörler çok nadiren kullanılır.
2. Doygunluk modu. Her iki geçiş de açık. Buna göre, toplayıcı ve yayıcının ana yük taşıyıcıları, ana taşıyıcılarıyla aktif olarak yeniden birleştikleri üsse "koşar". Ortaya çıkan yük taşıyıcılarının fazlalığı nedeniyle baz ve p-n bağlantılarının direnci azalır. Bu nedenle, doygunluk modunda bir transistör içeren bir devrenin kısa devre olduğu düşünülebilir ve bu radyo elemanının kendisi de bir eş potansiyel nokta olarak temsil edilebilir.
3. Kesme modu. Her iki transistör bağlantısı da kapalıdır, yani. verici ve toplayıcı durakları arasındaki ana yük taşıyıcılarının akımı. İkincil yük taşıyıcılarının akışları yalnızca küçük ve kontrolsüz termal geçiş akımları oluşturur. Tabanın fakirliği ve yük taşıyıcıların geçişleri nedeniyle dirençleri büyük ölçüde artar. Bu nedenle genellikle kesme modunda çalışan bir transistörün açık devreyi temsil ettiğine inanılır.
4. bariyer rejimi Bu modda taban doğrudan veya küçük bir direnç aracılığıyla kollektöre kapatılır. Ayrıca, kollektör veya verici devresinde, transistör üzerinden akımı ayarlayan bir direnç bulunur. Bu şekilde seri dirençli bir diyotun devre eşdeğeri elde edilir. Bu mod, devrenin hemen hemen her frekansta, geniş bir sıcaklık aralığında çalışmasına izin verdiği ve transistörlerin parametrelerine iddiasız olduğu için çok kullanışlıdır.

Bipolar transistörler için anahtarlama devreleri

Transistörün üç kontağı olduğundan, genel durumda, ona birlikte dört çıkışa sahip olan iki kaynaktan güç sağlanması gerekir. Bu nedenle, transistörün kontaklarından birinin her iki kaynaktan da aynı işaretli bir voltajla beslenmesi gerekir. Ve ne tür bir temas olduğuna bağlı olarak, bipolar transistörleri açmak için üç devre vardır: ortak bir yayıcı (OE), ortak bir toplayıcı (OK) ve ortak bir taban (OB) ile. Her birinin hem avantajları hem de dezavantajları vardır. Hangi parametrelerin bizim için önemli olduğuna ve hangilerinin feda edilebileceğine bağlı olarak aralarında seçim yapılır.

Ortak bir emitörle anahtarlama devresi

Ancak tüm güzelliklere rağmen, OE planının önemli bir dezavantajı da var. Frekans ve sıcaklıktaki bir artışın, transistörün yükseltme özelliklerinde önemli bir bozulmaya yol açması gerçeğinde yatmaktadır. Bu nedenle, eğer transistörün yüksek frekanslarda çalışması gerekiyorsa, farklı bir anahtarlama devresi kullanmak daha iyidir. Örneğin ortak bir tabanla.

Ortak bir tabana sahip bağlantı şeması

Ortak bir baz devresinde sinyalin fazı ters çevrilmez ve yüksek frekanslardaki gürültü seviyesi azaltılır. Ancak daha önce de belirtildiği gibi mevcut kazancı her zaman birlikten biraz daha azdır. Doğru, buradaki voltaj kazancı, ortak bir yayıcıya sahip devredeki ile aynıdır. Ortak tabanlı devrenin dezavantajları, iki güç kaynağının kullanılması ihtiyacını da içerebilir.

Ortak bir toplayıcıyla anahtarlama şeması

Negatif geri beslemenin, çıkış sinyalinin girişe geri beslendiği ve giriş sinyalinin seviyesini düşüren bir geri besleme olduğunu hatırlatmama izin verin. Böylece, giriş sinyalinin parametreleri yanlışlıkla değiştirildiğinde otomatik ayarlama gerçekleşir.

Akım kazancı ortak emitör devresindekiyle hemen hemen aynıdır. Ancak voltaj kazancı küçüktür (bu devrenin ana dezavantajı). Birliğe yaklaşır ama her zaman ondan daha azdır. Böylece güç kazancı yalnızca birkaç onluk birime eşittir.

Ortak kolektör devresinde giriş ve çıkış gerilimleri arasında faz kayması yoktur. Gerilim kazancı birliğe yakın olduğundan, çıkış gerilimi giriş ile faz ve genlik açısından çakışır, yani. onu tekrarlar. Bu nedenle böyle bir devreye verici takipçisi adı verilir. Verici - çünkü çıkış voltajı, ortak kabloya göre vericiden çıkarılır.

Bu tür bir dahil etme, transistör aşamalarını eşleştirmek için veya giriş sinyali kaynağının yüksek bir giriş empedansına sahip olduğu durumlarda (örneğin, bir piezoelektrik pikap veya bir yoğunlaştırıcı mikrofon) kullanılır.

Basamaklar hakkında iki kelime

Duyarlılığı iyi, kazancı iyi olan bir transistöre de ihtiyaç duyulabilir. Bu gibi durumlarda, daha güçlü bir muadilinin (şekilde - VT2) güç kaynağını kontrol eden hassas ancak düşük güçlü bir transistör kademesi kullanılır (şekilde - VT1).

Bipolar Transistörler için Diğer Uygulamalar

İşaretleme

Faydalı yorumlar:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Etiketler:

• transistörler
• bipolar transistörler
• elektronik

Transistör, elektrik sinyallerini yükseltebilen, dönüştürebilen ve üretebilen yarı iletken bir cihazdır. İlk çalışabilir bipolar transistör 1947'de icat edildi. Germanium, üretimi için bir malzeme olarak görev yaptı. Ve zaten 1956'da silikon transistör doğdu.

Bipolar bir transistörde iki tip yük taşıyıcı kullanılır - elektronlar ve delikler, bu nedenle bu tür transistörlere bipolar denir. Bipolar'a ek olarak, yalnızca bir tür taşıyıcı (elektronlar veya delikler) kullanan tek kutuplu (alan) transistörler vardır. Bu makale ele alınacaktır.

Çoğu silikon transistör, üretim teknolojisiyle de açıklanan bir n-p-n yapısına sahiptir, ancak p-n-p silikon transistörler de vardır, ancak bunların sayısı n-p-n yapılarından biraz daha azdır. Bu tür transistörler tamamlayıcı çiftlerin (aynı elektriksel parametrelere sahip farklı iletkenliğe sahip transistörler) bir parçası olarak kullanılır. Örneğin, KT315 ve KT361, KT815 ve KT814 ve UMZCH KT819 ve KT818 transistörünün çıkış aşamalarında. İthal amplifikatörlerde sıklıkla güçlü bir tamamlayıcı çift olan 2SA1943 ve 2SC5200 kullanılır.

Genellikle p-n-p yapısının transistörlerine doğrudan iletim transistörleri denir ve n-p-n yapıları terstir. Nedense bu isim literatürde neredeyse hiç bulunmuyor ama radyo mühendisleri ve radyo amatörleri çevresinde her yerde kullanılıyor, herkes neyle ilgili olduğunu hemen anlıyor. Şekil 1, transistörlerin şematik bir cihazını ve bunların geleneksel grafik sembollerini göstermektedir.

Resim 1.

İletkenlik ve malzeme türündeki farklılıklara ek olarak, bipolar transistörler güç ve çalışma frekansına göre sınıflandırılır. Transistördeki güç kaybı 0,3 W'u geçmezse, böyle bir transistörün düşük güçlü olduğu kabul edilir. 0,3 ... 3 W'luk bir güçte, transistöre orta güçte bir transistör denir ve 3 W'tan fazla bir güçte, gücün yüksek olduğu kabul edilir. Modern transistörler onlarca, hatta yüzlerce watt'lık gücü dağıtabilirler.

Transistörler elektrik sinyallerini eşit derecede iyi yükseltmezler: frekans arttıkça, transistör aşamasının amplifikasyonu düşer ve belirli bir frekansta tamamen durur. Bu nedenle geniş frekans aralığında çalışabilmesi için farklı frekans özelliklerine sahip transistörler üretilmektedir.

Çalışma frekansına göre, transistörler düşük frekanslı olanlara ayrılır - çalışma frekansı 3 MHz'den fazla değildir, orta frekans - 3 ... 30 MHz, yüksek frekans - 30 MHz'in üzerindedir. Çalışma frekansı 300 MHz'i aşarsa, bunlar zaten mikrodalga transistörlerdir.

Genel olarak ciddi kalın referans kitaplarında 100'den fazla farklı transistör parametresi verilmektedir ve bu da çok sayıda modele işaret etmektedir. Ve modern transistörlerin sayısı o kadar fazladır ki, bunları herhangi bir referans kitabına tam olarak koymak artık mümkün değildir. Ve model yelpazesi sürekli artıyor ve geliştiriciler tarafından belirlenen neredeyse tüm görevlerin çözülmesine olanak tanıyor.

Elektrik sinyallerini yükseltmek ve dönüştürmek için çok sayıda transistör devresi vardır (en azından ev ekipmanının sayısını hatırlayın), ancak tüm çeşitliliklerine rağmen bu devreler, transistörlere dayanan ayrı basamaklardan oluşur. Gerekli sinyal amplifikasyonunu elde etmek için seri bağlı birkaç amplifikasyon aşamasının kullanılması gerekir. Yükseltici aşamaların nasıl çalıştığını anlamak için transistör anahtarlama devrelerine daha aşina olmanız gerekir.

Tek başına transistör hiçbir şeyi yükseltemeyecektir. Yükseltici özellikleri, giriş sinyalindeki (akım veya voltaj) küçük değişikliklerin, harici bir kaynaktan enerji tüketimi nedeniyle sahne çıkışındaki voltaj veya akımda önemli değişikliklere yol açması gerçeğinde yatmaktadır. Analog devrelerde (amplifikatörler, televizyon, radyo, iletişim vb.) yaygın olarak kullanılan bu özelliktir.

Sunumu basitleştirmek için burada n-p-n yapısının transistörlerine dayalı devreler ele alınacaktır. Bu transistörler hakkında söylenecek her şey aynı şekilde p-n-p transistörler için de geçerlidir. Güç kaynaklarının kutuplarını ters çevirmek ve varsa çalışma devresini elde etmek yeterlidir.

Toplamda bu tür üç devre vardır: ortak bir yayıcıya (CE) sahip bir devre, ortak bir toplayıcıya (OC) sahip bir devre ve ortak bir tabana (OB) sahip bir devre. Tüm bu şemalar Şekil 2'de gösterilmektedir.

Şekil 2.

Ancak bu devreleri incelemeye geçmeden önce, transistörün anahtar modda nasıl çalıştığını öğrenmelisiniz. Bu giriş, güçlendirme modunda anlaşılmasını kolaylaştıracaktır. Anahtar devresi bir bakıma MA'lı bir devre gibi düşünülebilir.

Anahtar modunda transistörün çalışması

Sinyal amplifikasyon modunda bir transistörün çalışmasını incelemeden önce, transistörlerin genellikle anahtar modda kullanıldığını hatırlamakta fayda var.

Transistörün bu çalışma modu uzun süredir düşünülüyor. 1959 yılında "Radyo" dergisinin Ağustos sayısında G. Lavrov'un "Anahtar modunda yarı iletken triyot" adlı bir makalesi yayınlandı. Makalenin yazarı, kontrol sargısındaki (OC) darbelerin süresinin değiştirilmesini önerdi. Şimdi bu düzenleme yöntemine PWM adı veriliyor ve oldukça sık kullanılıyor. O zamanın dergisinden alınan diyagram Şekil 3'te gösterilmektedir.

Figür 3

Ancak anahtar modu yalnızca PWM sistemlerinde kullanılmaz. Çoğu zaman bir transistör basitçe bir şeyi açıp kapatır.

Bu durumda, yük olarak bir röle kullanılabilir: bir giriş sinyali uygulanır - röle açılır, hayır - röle sinyali kapatılır. Anahtar modunda röleler yerine genellikle ampuller kullanılır. Genellikle bu şunu belirtmek için yapılır: ampulün açık veya kapalı olduğunu. Böyle bir anahtar aşamanın diyagramı Şekil 4'te gösterilmektedir. Anahtar aşamalar aynı zamanda LED'lerle veya optokuplörlerle çalışmak için de kullanılır.

Şekil 4

Şekilde, kademe, dijital bir mikro devre veya bunun yerine olabilmesine rağmen, geleneksel bir kontak tarafından kontrol edilmektedir. Bir araba ampulü, bu Zhiguli'deki gösterge tablosunu aydınlatmak için kullanılıyor. Kontrol için 5V kullanıldığına ve anahtarlanan kolektör voltajının 12V olmasına dikkat edilmelidir.

Bunda garip bir şey yok, çünkü bu devredeki voltajlar herhangi bir rol oynamaz, sadece akımlar önemlidir. Bu nedenle transistör bu voltajlarda çalışacak şekilde tasarlanmışsa ampul en az 220V olabilir. Kolektör kaynağı voltajı aynı zamanda yükün çalışma voltajına da uygun olmalıdır. Bu tür basamakların yardımıyla yük dijital mikro devrelere veya mikrodenetleyicilere bağlanır.

Bu şemada, temel akım, güç kaynağının enerjisinden dolayı (kollektör yüküne bağlı olarak) temel akımdan onlarca, hatta yüzlerce kat daha fazla olan kolektör akımını kontrol eder. Akımda bir artış olduğunu görmek kolaydır. Transistör anahtar modunda çalışırken, genellikle kademeyi referans kitaplarında "büyük sinyal modunda akım kazancı" olarak adlandırılan değere göre hesaplamak için kullanılır - referans kitaplarında β harfiyle gösterilir. Bu, yük tarafından belirlenen kolektör akımının mümkün olan minimum temel akıma oranıdır. Matematiksel bir formül biçiminde şuna benzer: β = Ik / Ib.

Çoğu modern transistör için, β katsayısı kural olarak 50 ve üzeri kadar büyüktür, bu nedenle anahtar aşamayı hesaplarken yalnızca 10'a eşit alınabilir. Baz akımın daha büyük olduğu ortaya çıksa bile hesaplanan, transistör bundan sonra ve anahtar modundan daha fazla açılmayacaktır.

Şekil 3'te gösterilen ampulü yakmak için Ib \u003d Ik / β \u003d 100mA / 10 \u003d 10mA, bu en az. Temel direnç Rb üzerinde 5V'luk bir kontrol voltajı ile B-E bölümündeki voltaj düşüşü eksi 5V - 0,6V = 4,4V kalacaktır. Baz direncinin direnci şöyle olacaktır: 4,4V / 10mA = 440 ohm. Standart seriden 430 ohm dirençli bir direnç seçilmiştir. 0,6V voltajı B-E bağlantısındaki voltajdır ve hesaplarken bunu unutmamalısınız!

Kontrol kontağı açıldığında transistörün tabanının "havada asılı" kalmaması için, B-E bağlantısı genellikle transistörü güvenilir bir şekilde kapatan bir Rbe direnci ile şöntlenir. Bu direnç unutulmamalıdır, ancak bazı nedenlerden dolayı bazı devrelerde olmamasına rağmen gürültü aşamasının yanlış çalışmasına yol açabilir. Aslında herkes bu direnci biliyordu ama nedense unuttular ve bir kez daha "tırmığa" bastılar.

Bu direncin değeri, kontak açıldığında tabandaki voltajın 0,6V'tan az olmayacağı şekilde olmalıdır, aksi takdirde kademe, sanki B-E bölümü basitçe kısa devre yapılmış gibi kontrol edilemez olacaktır. Uygulamada, Rbe direnci Rb'den yaklaşık on kat daha fazla bir nominal değere ayarlanır. Ancak Rb'nin değeri 10Kom olsa bile devre oldukça güvenilir bir şekilde çalışacaktır: baz ve vericinin potansiyelleri eşit olacak ve bu da transistörün kapanmasına yol açacaktır.

Böyle bir anahtar kademesi, eğer iyi durumdaysa, ampulü tam akkor durumda açabilir veya tamamen kapatabilir. Bu durumda transistör tamamen açık (doyma durumu) veya tamamen kapalı (kesme durumu) olabilir. Sonuç, kendi başına, bu "sınır" durumları arasında, ampulün gönülsüzce parladığı bir şeyin var olduğunu hemen ortaya koyuyor. Bu durumda transistör yarı açık mı yoksa yarı kapalı mı? Bu bir bardağı doldurmak gibidir: İyimser bardağın yarısını dolu görür, kötümser ise bardağı yarı boş görür. Transistörün bu çalışma moduna amplifikatör veya doğrusal denir.

Sinyal amplifikasyon modunda transistörün çalışması

Hemen hemen tüm modern elektronik ekipmanlar, transistörlerin "gizli" olduğu mikro devrelerden oluşur. Gerekli kazancı veya bant genişliğini elde etmek için işlemsel yükselticinin çalışma modunu seçmek yeterlidir. Ancak buna rağmen, ayrı ("gevşek") transistörlerdeki basamaklar sıklıkla kullanılır ve bu nedenle, yükseltici kademenin çalışmasının anlaşılması basitçe gereklidir.

OK ve OB ile karşılaştırıldığında en yaygın transistör bağlantısı ortak emitör (CE) devresidir. Bu yaygınlığın nedeni öncelikle yüksek gerilim ve akım kazancıdır. OE aşamasının en yüksek kazancı, Epit/2 güç kaynağı voltajının yarısı kolektör yüküne düştüğünde sağlanır. Buna göre ikinci yarı transistörün K-E bölümüne düşer. Bu, aşağıda tartışılacak olan kademenin ayarlanmasıyla elde edilir. Bu amplifikasyon moduna A sınıfı denir.

OE'li transistör açıldığında, kollektördeki çıkış sinyali giriş sinyali ile antifazdadır. Dezavantaj olarak, OE'nin giriş direncinin küçük olduğu (birkaç yüz ohm'dan fazla değil) ve çıkış direncinin onlarca kΩ dahilinde olduğu belirtilebilir.

Anahtarlama modunda transistör, büyük sinyal modundaki β'deki bir akım kazancı ile karakterize edilirse, o zaman amplifikasyon modunda, h21e referans kitaplarında belirtilen "küçük sinyal modundaki akım kazancı" kullanılır. Bu atama, transistörün dört kutuplu biçimde temsil edilmesinden geldi. "E" harfi, ölçümlerin ortak emitörlü transistör açıldığında yapıldığını gösterir.

h21e katsayısı kural olarak β'dan biraz daha büyüktür, ancak ilk yaklaşımdaki hesaplamalarda da kullanılabilir. Bununla birlikte, β ve h21e parametrelerinin dağılımı tek tip transistör için bile o kadar büyüktür ki hesaplamalar yalnızca yaklaşık değerlerdir. Bu tür hesaplamalardan sonra kural olarak şemanın ayarlanması gerekir.

Transistörün kazancı tabanın kalınlığına bağlıdır, dolayısıyla değiştirilemez. Bu nedenle, bir kutudan bile alınan transistörlerin kazancındaki büyük değişiklik (bir partiyi okuyun). Düşük güçlü transistörler için bu katsayı 100 ... 1000 arasında değişir ve güçlü olanlar için 5 ... 200'dür. Taban ne kadar ince olursa katsayı o kadar yüksek olur.

Bir OE transistörünü açmak için en basit devre Şekil 5'te gösterilmektedir. Bu, makalenin ikinci bölümünde gösterilen Şekil 2'den sadece küçük bir parçadır. Böyle bir devreye sabit baz akım devresi denir.

Şekil 5

Şema son derece basittir. Giriş sinyali, dekuplaj kapasitörü C1 aracılığıyla transistörün tabanına uygulanır ve yükseltildikten sonra, C2 kapasitörü aracılığıyla transistörün toplayıcısından alınır. Kapasitörlerin amacı, giriş devrelerini giriş sinyalinin sabit bileşeninden korumak (sadece bir karbon veya elektret mikrofonu hatırlayın) ve kademenin gerekli bant genişliğini sağlamaktır.

Direnç R2, aşamanın toplayıcı yüküdür ve R1, tabana bir DC öngerilim sağlar. Bu direnç yardımıyla kollektör üzerindeki voltajı Epit/2 yapmaya çalışırlar. Bu duruma transistörün çalışma noktası denir, bu durumda kademenin kazancı maksimumdur.

Direnç R1'in yaklaşık direnci, basit bir formül R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1,8 ile belirlenebilir. Besleme voltajına bağlı olarak 1,5…1,8 katsayısı değiştirilir: düşük voltajda (9V'tan fazla değil), katsayı değeri 1,5'ten fazla değildir ve 50V'den başlayarak 1,8…2,0'a yaklaşır. Ancak aslında formül o kadar yaklaşıktır ki çoğu zaman R1 direncinin seçilmesi gerekir, aksi takdirde toplayıcıda gerekli Epit / 2 değeri elde edilmeyecektir.

Kolektör direnci R2, problemin bir koşulu olarak ayarlanır, çünkü kollektör akımı ve bir bütün olarak kademenin kazancı, değerine bağlıdır: direnç R2'nin direnci ne kadar büyük olursa, kazanç da o kadar yüksek olur. Ancak bu dirençle dikkatli olmanız gerekir, kollektör akımı bu tip transistör için izin verilen maksimum değerden az olmalıdır.

Şema çok basittir, ancak bu basitlik ona olumsuz özellikler kazandırır ve bu basitliğin bir bedeli vardır. İlk olarak, kademenin güçlendirilmesi transistörün spesifik örneğine bağlıdır: Onarım sırasında transistörü değiştirdim, - ofseti tekrar seçin, çalışma noktasına getirin.

İkinci olarak, ortam sıcaklığından sıcaklık arttıkça ters kolektör akımı Ico artar, bu da kolektör akımının artmasına neden olur. Peki Epit / 2 kollektöründeki besleme voltajının yarısı nerede, aynı çalışma noktası? Sonuç olarak, transistör daha da fazla ısınır ve ardından arızalanır. Bu bağımlılıktan kurtulmak veya en azından minimuma indirmek için, transistör kademesine (OOS) ek negatif geri besleme elemanları eklenir.

Şekil 6, sabit öngerilim voltajına sahip bir devreyi göstermektedir.

Şekil 6

Görünüşe göre voltaj bölücü Rb-k, Rb-e, kademenin gerekli başlangıç ​​​​önyargısını sağlayacak, ancak aslında böyle bir kademe, sabit bir akım devresinin tüm dezavantajlarına sahiptir. Dolayısıyla gösterilen devre, Şekil 5'te gösterilen sabit akım devresinin sadece bir çeşididir.

Termal stabilizasyonlu devreler

Şekil 7'de gösterilen şemaların uygulanması durumunda durum biraz daha iyidir.

Şekil 7

Kollektörle stabilize edilmiş bir devrede, ön direnç R1 güç kaynağına değil, transistörün toplayıcısına bağlanır. Bu durumda sıcaklık arttıkça ters akım da artarsa ​​transistör daha kuvvetli açılır, kollektör voltajı düşer. Bu azalma R1 üzerinden tabana uygulanan öngerilim voltajının azalmasına neden olur. Transistör kapanmaya başlar, kolektör akımı kabul edilebilir bir değere düşer, çalışma noktasının konumu geri yüklenir.

Böyle bir stabilizasyon önleminin kademe kazancında bir miktar azalmaya yol açacağı oldukça açıktır, ancak bu önemli değildir. Eksik amplifikasyon, kural olarak, amplifikasyon aşamalarının sayısı arttırılarak eklenir. Ancak böyle bir çevre koruması, kademenin çalışma sıcaklığı aralığını önemli ölçüde genişletmenize olanak tanır.

Emitör stabilizasyonlu kademenin devresi biraz daha karmaşıktır. Bu tür kaskadların yükseltici özellikleri, kolektörle stabilize edilmiş bir devreninkinden daha geniş bir sıcaklık aralığında değişmeden kalır. Ve tartışılmaz bir avantaj daha - transistörü değiştirirken, kademenin çalışma modlarını yeniden seçmenize gerek yoktur.

Sıcaklık stabilizasyonu sağlayan verici direnç R4 aynı zamanda kademenin kazancını da azaltır. Bu doğru akım içindir. Direnç R4'ün alternatif akımın yükseltilmesi üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak için, direnç R4, alternatif akıma çok az direnç gösteren Ce kapasitörü tarafından şöntlenir. Değeri amplifikatörün frekans aralığına göre belirlenir. Bu frekanslar ses aralığında yer alıyorsa, kapasitörün kapasitansı birimlerden onlarca hatta yüzlerce mikrofarada kadar olabilir. Radyo frekansları için bu zaten yüzlerce veya binde birdir, ancak bazı durumlarda devre bu kapasitör olmadan bile iyi çalışır.

Verici stabilizasyonunun nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için, ortak bir toplayıcı OK ile bir transistörü açmak için devreyi düşünmek gerekir.

Ortak Kolektör Devresi (CC) Şekil 8'de gösterilmektedir. Bu devre, üç transistör anahtarlama devresini gösteren, makalenin ikinci kısmındaki Şekil 2'nin bir parçasıdır.

Şekil 8

Aşamanın yükü yayıcı direnç R2'dir, giriş sinyali C1 kondansatöründen beslenir ve çıkış sinyali C2 kondansatöründen alınır. Burada bu şemanın neden Tamam olarak adlandırıldığını sorabilirsiniz. Sonuçta, OE devresini hatırlarsak, yayıcının, giriş sinyalinin uygulandığı ve çıkış sinyalinin kaldırıldığı devrenin ortak teline bağlandığı açıkça görülmektedir.

OK devresinde toplayıcı basitçe güç kaynağına bağlanır ve ilk bakışta giriş ve çıkış sinyaliyle hiçbir ilgisi yokmuş gibi görünür. Ancak aslında, EMF kaynağının (güç pili) çok küçük bir iç direnci vardır, bir sinyal için bu pratik olarak bir noktadır, aynı temastır.

OK devresinin çalışması daha detaylı olarak Şekil 9'da görülebilir.

Şekil 9

Silikon transistörler için b-e bağlantı voltajının 0,5 ... 0,7 V aralığında olduğu bilinmektedir, bu nedenle hesaplamaları onda bir doğrulukla gerçekleştirme hedefini kendinize koymazsanız ortalama 0,6 V alabilirsiniz. yüzde bir. Bu nedenle, Şekil 9'da görülebileceği gibi, çıkış voltajı her zaman giriş voltajından Ub-e kadar yani aynı 0,6V daha düşük olacaktır. OE devresinden farklı olarak bu devre giriş sinyalini tersine çevirmez, basitçe tekrarlar ve hatta 0,6V azaltır. Bu devreye aynı zamanda emitör takipçisi de denir. Böyle bir şemaya neden ihtiyaç duyuldu, kullanımı nedir?

OK devresi akım sinyalini h21e katı kadar güçlendirir; bu, devrenin giriş empedansının yayıcı devredeki dirençten h21e katı daha büyük olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, transistörü yakma korkusu olmadan, voltajı doğrudan tabana uygulayın (sınırlayıcı bir direnç olmadan). Taban pimini alıp +U güç rayına bağlamanız yeterlidir.

Yüksek giriş empedansı, piezoelektrik pikap gibi yüksek empedanslı (karmaşık empedans) bir giriş kaynağı bağlamanıza olanak tanır. Böyle bir pikap OE şemasına göre kademeye bağlanırsa, bu kademenin düşük giriş empedansı basitçe toplama sinyalini "indirecektir" - "radyo çalmayacaktır".

OK devresinin ayırt edici bir özelliği, kolektör akımı Ik'nin yalnızca yük direncine ve giriş sinyali kaynağının voltajına bağlı olmasıdır. Bu durumda transistörün parametreleri burada hiçbir rol oynamaz. Bu tür devrelerin %100 voltaj geri beslemesi ile kapsandığı söylenmektedir.

Şekil 9'da gösterildiği gibi, emitör yükündeki akım (diğer adıyla emitör akımı) In = Ik + Ib. Baz akımının Ib, kolektör akımı Ik ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilecek kadar küçük olduğu dikkate alındığında, yük akımının kolektör akımı In = Ik'ye eşit olduğunu varsayabiliriz. Yükteki akım (Uin - Ube) / Rn olacaktır. Bu durumda Ube'nin bilindiğini ve her zaman 0,6V'a eşit olduğunu varsayacağız.

Buradan kolektör akımı Ik = (Uin - Ube) / Rn'nin yalnızca giriş voltajına ve yük direncine bağlı olduğu sonucu çıkar. Yük direnci geniş bir aralıkta değiştirilebilir, ancak özellikle gayretli olmak gerekli değildir. Sonuçta, Rn yerine bir çivi koyarsanız - yüzde biri, o zaman hiçbir transistör hayatta kalamaz!

OK devresi statik akım transfer katsayısı h21e'yi ölçmeyi oldukça kolaylaştırır. Bunun nasıl yapılacağı Şekil 10'da gösterilmektedir.

Şekil 10.

İlk olarak yük akımını Şekil 10a'da gösterildiği gibi ölçün. Bu durumda transistörün tabanının şekilde görüldüğü gibi herhangi bir yere bağlanmasına gerek yoktur. Bundan sonra baz akımı Şekil 10b'ye göre ölçülür. Ölçümler her iki durumda da aynı miktarlarda yapılmalıdır: amper veya miliamper cinsinden. Güç kaynağı voltajı ve yükü her iki ölçüm için de aynı kalmalıdır. Statik akım aktarım katsayısını bulmak için yük akımını baz akıma bölmek yeterlidir: h21e ≈ In / Ib.

Yük akımındaki artışla h21e'nin bir miktar azaldığı ve besleme voltajındaki artışla arttığı unutulmamalıdır. Verici takipçileri genellikle cihazın çıkış gücünü artırmak için tamamlayıcı transistör çiftleri kullanılarak itme-çekme konfigürasyonunda oluşturulur. Böyle bir emitör takipçisi Şekil 11'de gösterilmektedir.

Şekil 11.

Şekil 12.

Transistörlerin ortak bir tabana sahip şemaya göre dahil edilmesi HAKKINDA

Böyle bir devre yalnızca voltaj kazancı sağlar, ancak OE devresine kıyasla daha iyi frekans özelliklerine sahiptir: aynı transistörler daha yüksek frekanslarda çalışabilir. OB devresinin ana uygulaması UHF aralıklarının anten amplifikatörleridir. Anten amplifikatör devresi Şekil 12'de gösterilmektedir.

bipolar transistör.

bipolar transistör- elektrik sinyallerini yükseltmek, üretmek ve dönüştürmek için tasarlanmış, transistör türlerinden biri olan elektronik bir yarı iletken cihaz. Transistör denir iki kutuplu cihazın çalışmasına aynı anda iki tip yük taşıyıcı katıldığından - elektronlar Ve delikler. Bu bakımdan farklıdır tek kutuplu Yalnızca bir tür yük taşıyıcının katıldığı (alan etkili) transistör.

Her iki tip transistörün çalışma prensibi, su akışını düzenleyen bir su vanasının çalışmasına benzer, transistörden yalnızca elektron akışı geçer. Bipolar transistörlerde cihazdan iki akım geçer - ana "büyük" akım ve kontrol "küçük" akımı. Ana akımın gücü kontrolün gücüne bağlıdır. Alan etkili transistörlerde, gücü elektromanyetik alana bağlı olan cihazdan yalnızca bir akım geçer. Bu yazıda bipolar transistörün çalışmasını daha ayrıntılı olarak ele alacağız.

Bipolar transistör cihazı.

Bipolar transistör üç yarı iletken katmandan ve iki PN bağlantı noktasından oluşur. PNP ve NPN transistörlerini serpiştirme türüne göre ayırt edin delik ve elektron iletkenlikleri. İki gibi diyot yüz yüze veya tam tersi şekilde bağlanır.

Bipolar bir transistörün üç kontağı (elektrotlar) vardır. Merkezi katmandan çıkan temasa denir taban (taban). Uç elektrotlar adlandırılır kolektör Ve yayıcı (kolektör Ve yayıcı). Taban katmanı, toplayıcı ve yayıcıya göre çok incedir. Buna ek olarak transistörün kenarlarındaki yarı iletken bölgeler simetrik değildir. Kolektör tarafındaki yarı iletken katman, emitör tarafındakinden biraz daha kalındır. Bu, transistörün doğru çalışması için gereklidir.

Bipolar transistörün çalışması.

Bipolar transistörün çalışması sırasında meydana gelen fiziksel süreçleri düşünün. Örnek olarak NPN modelini ele alalım. PNP transistörünün çalışma prensibi benzerdir, yalnızca toplayıcı ile verici arasındaki voltaj polaritesi zıt olacaktır.

Daha önce de belirtildiği gibi yarı iletkenlerde iletim türleri üzerine makale P tipi bir maddede pozitif yüklü iyonlar - delikler vardır. N tipi bir madde negatif yüklü elektronlarla doyurulur. Bir transistörde N bölgesindeki elektronların konsantrasyonu, P bölgesindeki deliklerin konsantrasyonundan çok daha yüksektir.

Kolektör ve verici V CE (V CE) arasına bir voltaj kaynağı bağlayın. Etkisi altında, üst N kısmındaki elektronlar artıya çekilmeye ve toplayıcının yakınında toplanmaya başlayacak. Ancak gerilim kaynağının elektrik alanı emitöre ulaşmadığı için akım akamaz. Bu, kalın bir toplayıcı yarı iletken tabakası artı bir temel yarı iletken tabakası ile önlenir.

Şimdi taban ile verici VBE arasındaki voltajı bağlayın, ancak VCE'den çok daha düşük (silikon transistörler için gereken minimum VBE 0,6V'tur). P katmanı çok ince olduğundan ve tabana bağlı bir voltaj kaynağından dolayı, elektrik alanıyla yayıcının N bölgesine "uzanabilecektir". Eylemi altında elektronlar tabana gidecek. Bazıları orada bulunan delikleri doldurmaya başlayacak (yeniden birleşecek). Diğer kısım kendisi için serbest bir delik bulamayacaktır çünkü tabandaki deliklerin konsantrasyonu yayıcıdaki elektronların konsantrasyonundan çok daha düşüktür.

Sonuç olarak bazın merkezi katmanı serbest elektronlarla zenginleştirilir. Buradaki voltaj çok daha yüksek olduğu için çoğu kollektöre doğru gidecek. Bu aynı zamanda merkezi katmanın çok küçük bir kalınlığı ile de kolaylaştırılmıştır. Elektronların bir kısmı, çok daha küçük olmasına rağmen yine de tabanın artı kısmına doğru akacaktır.

Sonuç olarak, iki akım elde ediyoruz: küçük olanı - tabandan vericiye I BE ve büyük olanı - kollektörden vericiye I CE.

Baz voltajı arttırılırsa P katmanında daha da fazla elektron birikecektir. Sonuç olarak, baz akımı biraz artacak ve kollektör akımı önemli ölçüde artacaktır. Böylece, temel akımda küçük bir değişiklikle I B , kolektör akımı I güçlü bir şekilde değişiyor İLE. İşte böyle gidiyor bipolar transistörde sinyal amplifikasyonu. Kolektör akımı I C'nin temel akım I B'ye oranına akım kazancı denir. belirtilen β , hfe veya h21e transistörle yapılan hesaplamaların özelliklerine bağlı olarak.

En basit bipolar transistörlü amplifikatör

Örnek olarak devreyi kullanarak elektrik düzleminde sinyal yükseltme prensibini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Böyle bir planın tamamen doğru olmaması için önceden rezervasyon yapacağım. Hiç kimse bir DC voltaj kaynağını doğrudan bir AC kaynağına bağlamaz. Ancak bu durumda, bipolar transistör kullanarak amplifikasyon mekanizmasının kendisini anlamak daha kolay ve net olacaktır. Ayrıca aşağıdaki örnekte hesaplama tekniğinin kendisi de bir miktar basitleştirilmiştir.

1. Zincirin ana elemanlarının tanımı

Diyelim ki kazancı 200 (β = 200) olan bir transistörümüz var. Kolektörün yanından, amplifikasyonun meydana geleceği enerji nedeniyle nispeten güçlü bir 20V güç kaynağı bağlıyoruz. Transistörün tabanının yanından 2V'luk zayıf bir güç kaynağı bağlıyoruz. Buna, 0,1V salınım genliğine sahip, sinüs biçiminde bir alternatif voltaj kaynağını seri olarak bağlarız. Bu güçlendirilecek sinyal olacaktır. Genellikle düşük güçte olan sinyal kaynağından gelen akımı sınırlamak için tabanın yakınındaki Rb direncine ihtiyaç vardır.

2. Giriş temel akımının hesaplanması I B

Şimdi temel akımı I b'yi hesaplayalım. Alternatif voltajla uğraştığımız için, maksimum voltajda (V max) ve minimumda (V min) iki akım değerini hesaplamamız gerekir. Bu mevcut değerlere sırasıyla - I bmax ve I bmin diyelim.

Ayrıca baz akımını hesaplamak için baz emitör gerilimini (VBE) bilmeniz gerekir. Baz ve emitör arasında bir PN bağlantısı vardır. Temel akımın yolda bir yarı iletken diyotla "karşılaştığı" ortaya çıktı. Yarı iletken bir diyotun iletime başladığı voltaj yaklaşık 0,6V'dur. Ayrıntılara girmeyeceğiz diyotun akım-gerilim özellikleri ve hesaplamaların basitliği için, akım ileten diyottaki voltajın her zaman 0,6V olduğu yaklaşık bir model alıyoruz. Bu, baz ile verici arasındaki voltajın VBE = 0,6V olduğu anlamına gelir. Ve verici toprağa bağlı olduğundan (V E = 0), tabandan toprağa olan voltaj da 0,6V'dir (V B = 0,6V).

Ohm yasasını kullanarak I bmax ve I bmin'i hesaplayalım:

2. Kollektör çıkış akımının hesaplanması I İLE

Artık kazancı bilerek (β = 200), kollektör akımının maksimum ve minimum değerlerini (I cmax ve I cmin) kolayca hesaplayabiliriz.

3. Çıkış voltajının V hesaplanması dışarı

Kolektör akımı, daha önce hesapladığımız Rc direnci üzerinden akar. Değerleri değiştirmeye devam ediyor:

4. Sonuçların analizi

Sonuçlardan görülebileceği gibi V Cmax'ın V Cmin'den küçük olduğu ortaya çıktı. Bunun nedeni V Rc üzerindeki voltajın VCC besleme voltajından çıkarılmasıdır. Bununla birlikte, çoğu durumda bu önemli değil, çünkü sinyalin değişken bileşeniyle - 0,1V'den 1V'ye yükselen genlikle ilgileniyoruz. Frekans ve sinüzoidal dalga biçimi değişmedi. Elbette on kat oranında bir V çıkışı / V, bir amplifikatör için en iyi gösterge olmaktan uzaktır, ancak amplifikasyon sürecini göstermek için oldukça uygundur.

Öyleyse, bir amplifikatörün bipolar transistör üzerindeki çalışma prensibini özetleyelim. Tabandan bir sabit ve bir değişken bileşen taşıyan bir Ib akımı akar. Baz ile yayıcı arasındaki PN bağlantısının iletilmeye başlaması - "açılması" için sabit bileşene ihtiyaç vardır. Değişken bileşen aslında sinyalin kendisidir (yararlı bilgi). Transistörün içindeki kolektör-emetör akım gücü, baz akımının kazanç β ile çarpılmasının sonucudur. Buna karşılık, toplayıcının üzerindeki Rc direnci üzerindeki voltaj, yükseltilmiş kolektör akımının direnç değeriyle çarpılmasının sonucudur.

Böylece, V çıkışı, artan salınım genliğine sahip, ancak korunmuş şekil ve frekansa sahip bir sinyal alır. Transistörün amplifikasyon için VCC güç kaynağından enerji aldığını vurgulamak önemlidir. Besleme voltajı yeterli değilse transistör tam olarak çalışamayacak ve çıkış sinyali bozulabilir.

Bipolar transistörün çalışma modları

Transistörün elektrotlarındaki voltaj seviyelerine göre dört çalışma modu vardır:

Kesme modu.

Aktif mod (aktif mod).

Doygunluk modu.

Ters mod.

Kesme modu

Baz emitör voltajı 0,6V - 0,7V'den düşük olduğunda, baz ile emitör arasındaki PN bağlantısı kapatılır. Bu durumda transistörün baz akımı yoktur. Sonuç olarak, tabanda kolektör voltajına doğru hareket etmeye hazır serbest elektron bulunmadığından kolektör akımı da olmayacaktır. Transistörün olduğu gibi kilitli olduğu ortaya çıktı ve içeride olduğunu söylüyorlar. kesme modu.

Aktif mod

İÇİNDE aktif mod tabandaki voltaj, taban ile verici arasındaki PN bağlantısını açmaya yeterlidir. Bu durumda transistörün taban ve toplayıcı akımları vardır. Kollektör akımı, temel akımın kazançla çarpımına eşittir. Yani aktif mod, amplifikasyon için kullanılan transistörün normal çalışma modudur.

Doygunluk modu

Bazen baz akımı çok büyük olabilir. Sonuç olarak, besleme gücü, transistörün kazancına karşılık gelecek böyle bir kollektör akımını sağlamak için yeterli değildir. Doyum modunda kollektör akımı güç kaynağının sağlayabileceği maksimum değerde olacak ve baz akımdan etkilenmeyecektir. Bu durumda, kolektör akımı baz akımdaki değişikliklere yanıt vermediğinden transistör sinyali yükseltemez.

Doyum modunda transistörün iletkenliği maksimumdur ve "açık" durumdaki anahtarın (anahtarın) işlevi için daha uygundur. Benzer şekilde kesme modunda transistörün iletkenliği minimumdur ve bu, anahtarın "kapalı" durumunda olmasına karşılık gelir.

Ters mod

Bu modda, toplayıcı ve yayıcı anahtar rolleri: kolektör PN bağlantısı ileri yönlüdür ve yayıcı bağlantısı ters yönlüdür. Sonuç olarak akım tabandan toplayıcıya doğru akar. Kollektör yarı iletken bölgesi yayıcıya simetrik değildir ve ters moddaki kazanç normal aktif moda göre daha düşüktür. Transistörün tasarımı aktif modda mümkün olduğu kadar verimli çalışacak şekilde yapılmıştır. Bu nedenle, ters modda transistör pratikte kullanılmaz.

Bipolar transistörün temel parametreleri.

şu anki kazanç- kollektör akımının I C temel akıma oranı I B. belirtilen β , hfe veya h21e transistörlerle yapılan hesaplamaların özelliklerine bağlı olarak.

β, bir transistör için sabit bir değerdir ve cihazın fiziksel yapısına bağlıdır. Yüksek kazanç yüzlerce birimde, düşük kazanç ise onlarca olarak hesaplanır. Aynı tipteki iki ayrı transistör için, üretim sırasında "boru hattı boyunca komşu" olsalar bile β biraz farklı olabilir. Bipolar transistörün bu özelliği belki de en önemlisidir. Hesaplamalarda cihazın diğer parametreleri sıklıkla ihmal edilebiliyorsa, mevcut kazanç neredeyse imkansızdır.

Giriş empedansı- temel akımı "karşılayan" transistördeki direnç. belirtilen R içinde (R içinde). Ne kadar büyük olursa, cihazın yükseltme özellikleri açısından o kadar iyidir, çünkü genellikle taban tarafında mümkün olduğunca az akım tüketmeniz gereken zayıf bir sinyal kaynağı vardır. İdeal seçenek, giriş direncinin sonsuza eşit olmasıdır.

Ortalama bir bipolar transistör için R in birkaç yüz KΩ'dur (kilo-ohm). Burada iki kutuplu transistör, giriş direncinin yüzlerce GΩ'a (gigaohm) ulaştığı alan etkili transistöre karşı çok şey kaybeder.

Çıkış İletkenliği- kolektör ve emitör arasındaki transistörün iletkenliği. Çıkış iletkenliği ne kadar büyük olursa, transistörden daha az güçle daha fazla toplayıcı-yayıcı akım geçebilecektir.

Ayrıca çıkış iletkenliğindeki artışla (veya çıkış empedansındaki azalmayla) amplifikatörün genel kazançta çok az kayıpla dayanabileceği maksimum yük artar. Örneğin, düşük çıkış iletkenliğine sahip bir transistör, bir sinyali yük olmadan 100 kez güçlendirirse, o zaman 1KΩ'luk bir yük bağlandığında zaten yalnızca 50 kez yükseltecektir. Aynı kazanca sahip ancak daha yüksek çıkış iletkenliğine sahip bir transistörün kazanç düşüşü daha az olacaktır. İdeal seçenek, çıkış iletkenliğinin sonsuza eşit olduğu zamandır (veya çıkış direnci R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

Bipolar bir transistör, sinyalleri yükseltmeye veya değiştirmeye yarayan, iki p-n bağlantı noktasına ve üç terminale sahip bir yarı iletken elemandır. P-n-p ve n-p-n tiplerinde gelirler. Şekil 7.1, a ve b'de bunların sembolleri gösterilmektedir.

Şekil 7.1. Bipolar transistörler ve diyot eşdeğer devreleri: a) p-n-p, b) n-p-n transistör

Transistör, ortak bir p veya n katmanına sahip, karşılıklı bağlı iki diyottan oluşur. Ona bağlanan elektrot B tabanı olarak adlandırılır. Diğer iki elektrot ise emitör E ve toplayıcı K olarak adlandırılır. Sembolün yanında gösterilen diyot eşdeğer devresi, transistör bağlantılarının anahtarlama yapısını açıklar. Her ne kadar bu diyagram transistörün işlevini tam olarak karakterize etmese de, ona etki eden ters ve ileri gerilimleri temsil etme fırsatı sağlar. Tipik olarak, yayıcı-taban bağlantısı ileri yönlüdür (açık) ve taban-kolektör bağlantısı ters yönlüdür (mandallı). Bu nedenle, Şekil 7.2'de gösterildiği gibi voltaj kaynaklarının açılması gerekir.

Şekil 7.2. Anahtarlama polaritesi: a) n-p-n, b) p-n-p transistör

NPN transistörleri aşağıdaki kurallara uyar (PNP transistörleri için kurallar aynıdır, ancak voltaj polaritelerinin ters çevrilmesi gerektiğini unutmayın):

1. Kollektör, emitörden daha pozitif bir potansiyele sahiptir.

2. Baz verici ve baz toplayıcı devreler diyotlar gibi çalışır (Şekil 7.1). Genellikle baz-yayıcı bağlantı noktası açıktır ve taban-kollektör bağlantı noktası ters yönde öngerilimlidir, yani. uygulanan voltaj akımın içinden geçmesini engeller. Bu kuraldan, baz potansiyeli yayıcı potansiyelini 0,6 - 0,8 V'den (diyotun ileri voltajı) daha fazla aşacağından ve çok büyük bir akım ortaya çıkacağından, baz ile yayıcı arasındaki voltajın süresiz olarak artırılamayacağı sonucu çıkar. Bu nedenle çalışan bir transistörde taban ve vericideki voltaj aşağıdaki ilişkiyle ilişkilidir: UB ≈ UE + 0,6V; (UB = UE + UBE).

3. Her transistör maksimum IK, IB, UKE değerleri ile karakterize edilir. Bu parametreler aşılırsa başka bir transistör kullanılmalıdır. Ayrıca diğer parametrelerin sınır değerleri, örneğin RC'nin dağılan gücü, sıcaklık, UBE vb. hakkında da hatırlanmalıdır.

4. Kural 1-3 karşılanırsa, kolektör akımı temel akımla doğru orantılıdır. Kolektör ve emitör akımlarının oranı yaklaşık olarak eşittir

IK \u003d αIE, burada α \u003d 0,95 ... 0,99, yayıcı akım transfer katsayısıdır. Birinci Kirchhoff yasasına göre (ve Şekil 7.2'de görülebileceği gibi, a) verici ve toplayıcı akımları arasındaki fark, temel akım IB \u003d IE - IK'dir. Kollektör akımı, şu ifadeye göre temel akıma bağlıdır: IK \u003d βIB, burada β \u003d α / (1-α), temel akım transfer katsayısıdır, β >> 1.

Kural 4, bir transistörün temel özelliğini tanımlar: küçük bir taban akımı, büyük bir kollektör akımını tahrik eder.

Transistör çalışma modları. Bipolar bir transistörün her bir bağlantısı ileri veya geri yönde açılabilir. Buna bağlı olarak transistörün aşağıdaki dört çalışma modu ayırt edilir.

Güçlendirme veya aktif mod- Verici bağlantı noktasına ileri voltaj uygulanır ve kollektör bağlantı noktasına ters voltaj uygulanır. Verici akım transfer katsayısının maksimum değerine karşılık gelen, transistörün bu çalışma modudur. Kolektör akımı, temel akımla orantılı olup, güçlendirilmiş sinyalde minimum bozulma sağlar.

Ters mod- kolektör bağlantısına doğru voltaj uygulanır ve yayıcı bağlantı noktasına ters voltaj uygulanır. Ters mod, transistörün aktif modda çalışmasına kıyasla transistörün tabanının akım transfer katsayısında önemli bir azalmaya yol açar ve bu nedenle pratikte yalnızca anahtar devrelerde kullanılır.

Doygunluk modu- her iki bağlantı noktası (verici ve toplayıcı) doğrudan voltaj altındadır. Bu durumda çıkış akımı giriş akımına bağlı değildir ve yalnızca yük parametreleri tarafından belirlenir. Kolektör ve emitör terminalleri arasındaki voltajın düşük olması nedeniyle sinyal iletim devrelerini kapatmak için doyma modu kullanılır.

Kesme modu- her iki geçişe de ters gerilimler bağlanır. Kesme modunda transistörün çıkış akımı pratik olarak sıfır olduğundan, bu mod sinyal iletim devrelerini açmak için kullanılır.

Analog cihazlardaki bipolar transistörlerin ana çalışma modu aktif moddur. Dijital devrelerde transistör anahtar modunda çalışır. aktif modu atlayarak yalnızca kesme veya doygunluk modundadır.