Tranzistor bipolar - o descriere detaliată a tuturor parametrilor unui semiconductor. Tranzistoare bipolare. Tipuri și caracteristici. Lucru și dispozitiv

Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor care poate amplifica, converti și genera semnale electrice. Primul tranzistor bipolar funcțional a fost inventat în 1947. Materialul pentru fabricarea sa a fost germaniu. Și deja în 1956, s-a născut tranzistorul de siliciu.

Un tranzistor bipolar folosește două tipuri de purtători de sarcină - electroni și găuri, motiv pentru care astfel de tranzistori sunt numiți bipolari. Pe lângă cele bipolare, există tranzistoare unipolare (cu efect de câmp), care folosesc un singur tip de purtător - electroni sau găuri. Acest articol va discuta.

Majoritatea tranzistoarelor de siliciu au o structură n-p-n, care se explică și prin tehnologia de producție, deși există și tranzistoare de siliciu de tip p-n-p, dar sunt puțin mai puține decât structurile n-p-n. Astfel de tranzistori sunt utilizați ca parte a perechilor complementare (tranzistoare de conductivitate diferită cu aceiași parametri electrici). De exemplu, KT315 și KT361, KT815 și KT814 și în etapele de ieșire ale tranzistorului UMZCH KT819 și KT818. Amplificatoarele importate folosesc adesea perechea complementară puternică 2SA1943 și 2SC5200.

Tranzistorii cu o structură p-n-p sunt adesea numiți tranzistori cu conducție directă, iar structurile n-p-n sunt numite tranzistori cu conducție inversă. Din anumite motive, acest nume nu apare aproape niciodată în literatură, dar printre inginerii de radio și radioamatorii este folosit peste tot, toată lumea înțelege imediat despre ce vorbim. Figura 1 prezintă un design schematic al tranzistorilor și simbolurile lor grafice.

Poza 1.

Pe lângă diferențele de tip de conductivitate și material, tranzistoarele bipolare sunt clasificate după putere și frecvența de funcționare. Dacă puterea disipată pe un tranzistor nu depășește 0,3 W, un astfel de tranzistor este considerat de putere redusă. Cu o putere de 0,3...3 W, tranzistorul se numește tranzistor de putere medie, iar cu o putere de peste 3 W, puterea este considerată mare. Tranzistoarele moderne sunt capabile să disipeze o putere de câteva zeci și chiar sute de wați.

Tranzistoarele nu amplifică semnalele electrice la fel de bine: pe măsură ce frecvența crește, câștigul cascadei de tranzistori scade și la o anumită frecvență se oprește cu totul. Prin urmare, pentru a funcționa pe o gamă largă de frecvență, tranzistoarele sunt produse cu proprietăți de frecvență diferite.

Pe baza frecvenței de funcționare, tranzistoarele sunt împărțite în frecvență joasă - frecvență de operare care nu depășește 3 MHz, frecvență medie - 3...30 MHz, frecvență înaltă - peste 30 MHz. Dacă frecvența de operare depășește 300 MHz, atunci acestea sunt deja tranzistoare de ultra-înaltă frecvență.

În general, cărțile de referință groase serioase listează peste 100 de parametri diferiți ai tranzistorilor, ceea ce indică, de asemenea, un număr mare de modele. Iar numărul de tranzistori moderni este de așa natură încât nu mai este posibil să le plasați integral în nicio carte de referință. Iar gama de modele este în continuă creștere, permițându-ne să rezolvăm aproape toate sarcinile stabilite de dezvoltatori.

Există multe circuite de tranzistori (doar amintiți-vă numărul de echipamente de uz casnic) pentru amplificarea și convertirea semnalelor electrice, dar, în ciuda diversității, aceste circuite constau din cascade separate, a căror bază sunt tranzistoarele. Pentru a obține amplificarea semnalului necesară, este necesar să folosiți mai multe trepte de amplificare conectate în serie. Pentru a înțelege cum funcționează etapele amplificatorului, trebuie să vă familiarizați mai bine cu circuitele de comutare a tranzistorului.

Tranzistorul în sine nu poate amplifica nimic. Proprietățile sale de amplificare constau în faptul că mici modificări ale semnalului de intrare (curent sau tensiune) duc la modificări semnificative ale tensiunii sau curentului la ieșirea etajului din cauza consumului de energie dintr-o sursă externă. Această proprietate este utilizată pe scară largă în circuitele analogice - amplificatoare, televiziune, radio, comunicații etc.

Pentru a simplifica prezentarea, aici vor fi luate în considerare circuitele bazate pe tranzistoare n-p-n. Tot ce se va spune despre acești tranzistori se aplică în mod egal și tranzistorilor pnp. Este suficient doar să schimbați polaritatea surselor de alimentare și, dacă este cazul, să obțineți un circuit de lucru.

În total, sunt utilizate trei astfel de circuite: un circuit cu un emițător comun (CE), un circuit cu un colector comun (OC) și un circuit cu o bază comună (CB). Toate aceste scheme sunt prezentate în Figura 2.

Figura 2.

Dar înainte de a trece la considerarea acestor circuite, ar trebui să vă familiarizați cu modul în care funcționează un tranzistor în modul de comutare. Această introducere ar trebui să fie mai ușor de înțeles în modul boost. Într-un anumit sens, circuitul cheii poate fi considerat ca un tip de circuit cu OE.

Funcționarea tranzistorului în modul de comutare

Înainte de a studia funcționarea unui tranzistor în modul de amplificare a semnalului, merită să ne amintim că tranzistorii sunt adesea folosiți în modul de comutare.

Acest mod de funcționare a tranzistorului a fost luat în considerare de mult timp. Numărul din august 1959 al revistei Radio a publicat un articol de G. Lavrov, „Trioda semiconductoare în modul comutator”. Autorul articolului a propus modificarea duratei impulsurilor în înfășurarea de control (OC). Acum această metodă de control se numește PWM și este folosită destul de des. O diagramă dintr-o revistă a vremii este prezentată în Figura 3.

Figura 3.

Dar modul cheie este folosit nu numai în sistemele PWM. Adesea, un tranzistor pur și simplu pornește și oprește ceva.

În acest caz, un releu poate fi utilizat ca sarcină: dacă este dat un semnal de intrare, releul este pornit; dacă nu, semnalul releului este oprit. În loc de relee, becurile sunt adesea folosite în modul cheie. Acest lucru se face de obicei pentru a indica: lumina este fie aprinsă, fie stinsă. Diagrama unei astfel de etape cheie este prezentată în Figura 4. Etapele cheie sunt, de asemenea, folosite pentru a lucra cu LED-uri sau optocuple.

Figura 4.

În figură, cascada este controlată de un contact obișnuit, deși poate exista un cip digital sau în schimb. Un bec pentru mașină, acesta este folosit pentru a ilumina tabloul de bord în mașinile Zhiguli. Ar trebui să acordați atenție faptului că tensiunea de control este de 5V, iar tensiunea comutată a colectorului este de 12V.

Nu este nimic ciudat în acest sens, deoarece tensiunile nu joacă niciun rol în acest circuit, doar curenții contează. Prin urmare, becul poate fi de cel puțin 220V, dacă tranzistorul este proiectat să funcționeze la astfel de tensiuni. Tensiunea sursei colectorului trebuie să se potrivească și cu tensiunea de funcționare a sarcinii. Folosind astfel de cascade, sarcina este conectată la cipuri digitale sau microcontrolere.

În acest circuit, curentul de bază controlează curentul colectorului, care, datorită energiei sursei de alimentare, este de câteva zeci sau chiar sute de ori mai mare (în funcție de sarcina colectorului) decât curentul de bază. Este ușor de observat că are loc amplificarea curentului. Când un tranzistor funcționează în modul de comutare, o valoare este de obicei utilizată pentru a calcula cascada, care este numită în cărțile de referință „câștig de curent în modul de semnal mare” - în cărțile de referință este notat cu litera β. Acesta este raportul dintre curentul colectorului, determinat de sarcină, și curentul de bază minim posibil. Sub forma unei formule matematice, arată astfel: β = Ik/Ib.

Pentru majoritatea tranzistoarelor moderne, coeficientul β este destul de mare, de regulă, de la 50 și mai sus, așa că atunci când se calculează treapta cheie, acesta poate fi luat egal cu doar 10. Chiar dacă curentul de bază se dovedește a fi mai mare decât cel calculat , atunci tranzistorul nu se va deschide mai puternic din această cauză; și modul cheie.

Pentru a aprinde becul prezentat în figura 3, Ib = Ik/β = 100mA/10 = 10mA, acesta este minimul. Cu o tensiune de control de 5V pe rezistorul de bază Rb, minus căderea de tensiune din secțiunea B-E, vor rămâne 5V - 0,6V = 4,4V. Rezistența rezistenței de bază va fi: 4.4V / 10mA = 440 Ohmi. Din gama standard este selectat un rezistor cu o rezistență de 430 ohmi. O tensiune de 0,6V este tensiunea de la joncțiunea B-E și nu trebuie să uitați de ea atunci când calculați!

Pentru a se asigura că baza tranzistorului nu rămâne „atârnată în aer” atunci când contactul de comandă se deschide, joncțiunea B-E este de obicei șuntată de un rezistor Rbe, care închide în mod fiabil tranzistorul. Acest rezistor nu trebuie uitat, deși în unele circuite din anumite motive nu este prezent, ceea ce poate duce la funcționarea falsă a cascadei din cauza interferențelor. De fapt, toată lumea știa despre acest rezistor, dar din anumite motive au uitat și au călcat din nou pe „greblă”.

Valoarea acestui rezistor trebuie să fie astfel încât atunci când contactul se deschide, tensiunea la bază să nu fie mai mică de 0,6 V, altfel cascada va fi necontrolată, ca și cum secțiunea B-E ar fi pur și simplu scurtcircuitată. În practică, rezistența Rbe este instalată cu o valoare nominală de aproximativ de zece ori mai mare decât Rb. Dar chiar dacă ratingul Rb este de 10K, circuitul va funcționa destul de fiabil: potențialul de bază și al emițătorului vor fi egale, ceea ce va duce la închiderea tranzistorului.

O astfel de cascadă de chei, dacă funcționează corect, poate aprinde becul la intensitate maximă sau îl poate opri complet. În acest caz, tranzistorul poate fi complet deschis (starea de saturație) sau complet închis (starea de întrerupere). Imediat, concluzia sugerează că între aceste stări „limită” există așa ceva când becul strălucește la intensitate maximă. În acest caz, tranzistorul este pe jumătate deschis sau pe jumătate închis? Este ca problema umplerii unui pahar: un optimist vede paharul pe jumătate plin, în timp ce un pesimist îl vede pe jumătate gol. Acest mod de funcționare al tranzistorului se numește amplificare sau liniar.

Funcționarea tranzistorului în modul de amplificare a semnalului

Aproape toate echipamentele electronice moderne sunt formate din microcircuite în care tranzistoarele sunt „ascunse”. Este suficient să selectați pur și simplu modul amplificatorului operațional pentru a obține câștigul sau lățimea de bandă necesară. Dar, în ciuda acestui fapt, sunt adesea folosite cascade pe tranzistoare discrete („împrăștiate”) și, prin urmare, este pur și simplu necesară înțelegerea funcționării etapei de amplificare.

Cea mai comună conexiune a unui tranzistor în comparație cu OK și OB este un circuit emițător comun (CE). Motivul acestei prevalențe este, în primul rând, câștigul de înaltă tensiune și curent. Cel mai mare câștig al cascadei OE este obținut atunci când jumătate din tensiunea de alimentare Epit/2 scade la sarcina colectorului. În consecință, a doua jumătate se încadrează în secțiunea K-E a tranzistorului. Acest lucru se realizează prin configurarea cascadei, care va fi discutată mai jos. Acest mod de amplificare se numește clasa A.

Când tranzistorul OE este pornit, semnalul de ieșire de la colector este defazat cu intrarea. Ca dezavantaje, se poate observa că impedanța de intrare a OE este mică (nu mai mult de câteva sute de ohmi), iar impedanța de ieșire este în zeci de kOhmi.

Dacă în modul de comutare tranzistorul este caracterizat printr-un câștig de curent în modul de semnal mare β, atunci în modul de amplificare este utilizat „câștig de curent în modul de semnal mic”, desemnat h21e în cărțile de referință. Această denumire provine din reprezentarea unui tranzistor ca o rețea cu patru terminale. Litera „e” indică faptul că măsurătorile au fost efectuate atunci când a fost pornit un tranzistor cu un emițător comun.

Coeficientul h21e, de regulă, este puțin mai mare decât β, deși poate fi folosit și în calcule ca primă aproximare. Totuși, răspândirea parametrilor β și h21e este atât de mare chiar și pentru un tip de tranzistor, încât calculele sunt doar aproximative. După astfel de calcule, de regulă, este necesară configurarea circuitului.

Câștigul tranzistorului depinde de grosimea bazei, deci nu poate fi schimbat. De aici și răspândirea mare a câștigului tranzistoarelor luate chiar și din aceeași cutie (a se citi un lot). Pentru tranzistoarele de putere mică acest coeficient variază între 100...1000, iar pentru cele de mare putere 5...200. Cu cât baza este mai subțire, cu atât coeficientul este mai mare.

Cel mai simplu circuit pentru pornirea unui tranzistor OE este prezentat în Figura 5. Aceasta este doar o mică bucată din Figura 2, prezentată în a doua parte a articolului. Acest tip de circuit se numește circuit de curent de bază fixă.

Figura 5.

Schema este extrem de simplă. Semnalul de intrare este alimentat la baza tranzistorului prin condensatorul de cuplare C1 și, fiind amplificat, este scos din colectorul tranzistorului prin condensatorul C2. Scopul condensatoarelor este de a proteja circuitele de intrare de componenta constantă a semnalului de intrare (doar amintiți-vă un microfon cu carbon sau electret) și de a oferi lățimea de bandă în cascadă necesară.

Rezistorul R2 este sarcina colectorului cascadei, iar R1 furnizează o polarizare constantă la bază. Folosind acest rezistor, ei încearcă să se asigure că tensiunea la colector este Epit/2. Această stare se numește punctul de funcționare al tranzistorului; în acest caz, câștigul cascadei este maxim.

Aproximativ rezistența rezistorului R1 poate fi determinată prin formula simplă R1 ≈ R2 * h21e / 1,5...1,8. Coeficientul 1,5...1,8 se regleaza in functie de tensiunea de alimentare: la tensiune joasa (nu mai mult de 9V) valoarea coeficientului nu este mai mare de 1,5, iar incepand de la 50V se apropie de 1,8...2,0. Dar, într-adevăr, formula este atât de aproximativă încât cel mai adesea trebuie selectat rezistorul R1, altfel valoarea necesară a lui Epit/2 la colector nu va fi obținută.

Rezistorul colector R2 este specificat ca o condiție a problemei, deoarece curentul colectorului și câștigul cascadei în ansamblu depind de valoarea sa: cu cât rezistența rezistorului R2 este mai mare, cu atât câștigul este mai mare. Dar trebuie să aveți grijă cu acest rezistor; curentul colectorului trebuie să fie mai mic decât maximul admis pentru acest tip de tranzistor.

Circuitul este foarte simplu, dar această simplitate îi conferă și proprietăți negative și trebuie să plătești pentru această simplitate. În primul rând, câștigul cascadei depinde de instanța specifică a tranzistorului: dacă ați înlocuit tranzistorul în timpul reparației, selectați din nou polarizarea, aduceți-l la punctul de funcționare.

În al doilea rând, depinde de temperatura ambiantă - odată cu creșterea temperaturii, curentul inversor al colectorului Iko crește, ceea ce duce la o creștere a curentului colectorului. Și unde este atunci jumătate din tensiunea de alimentare la colectorul Epit/2, același punct de funcționare? Drept urmare, tranzistorul se încălzește și mai mult, după care eșuează. Pentru a scăpa de această dependență, sau cel puțin a o reduce la minimum, în cascada tranzistorului sunt introduse elemente suplimentare de feedback negativ - OOS.

Figura 6 prezintă un circuit cu o tensiune de polarizare fixă.

Figura 6.

S-ar părea că divizorul de tensiune Rb-k, Rb-e va oferi polarizarea inițială necesară a cascadei, dar, de fapt, o astfel de cascadă are toate dezavantajele unui circuit cu un curent fix. Astfel, circuitul prezentat este doar o variație a circuitului de curent fix prezentat în Figura 5.

Circuite stabilizate la temperatură

Situația este oarecum mai bună când se utilizează circuitele prezentate în Figura 7.

Figura 7.

Într-un circuit stabilizat cu colector, rezistența de polarizare R1 este conectată nu la sursa de alimentare, ci la colectorul tranzistorului. În acest caz, dacă curentul invers crește pe măsură ce temperatura crește, tranzistorul se deschide mai puternic, iar tensiunea pe colector scade. Această reducere are ca rezultat o scădere a tensiunii de polarizare furnizată bazei prin R1. Tranzistorul începe să se închidă, curentul colectorului scade la o valoare acceptabilă și poziția punctului de funcționare este restabilită.

Este destul de evident că o astfel de măsură de stabilizare duce la o anumită reducere a câștigului cascadei, dar acest lucru nu contează. Câștigul lipsă este adăugat de obicei prin creșterea numărului de etape de amplificare. Dar o astfel de protecție a mediului vă permite să extindeți în mod semnificativ intervalul de temperaturi de funcționare a cascadei.

Proiectarea circuitului unei cascade cu stabilizare a emițătorului este oarecum mai complexă. Proprietățile de amplificare ale unor astfel de cascade rămân neschimbate într-un interval de temperatură și mai larg decât cel al unui circuit stabilizat cu colector. Și încă un avantaj incontestabil este că atunci când înlocuiți un tranzistor, nu trebuie să reselectați modurile de funcționare ale cascadei.

Rezistorul emițător R4, care asigură stabilizarea temperaturii, reduce, de asemenea, câștigul în cascadă. Aceasta este pentru DC. Pentru a elimina influența rezistenței R4 asupra amplificării curentului alternativ, rezistența R4 este șuntată de condensatorul Ce, care pentru curent alternativ reprezintă rezistență nesemnificativă. Valoarea sa este determinată de intervalul de frecvență al amplificatorului. Dacă aceste frecvențe se află în domeniul audio, atunci capacitatea condensatorului poate fi de la unități la zeci și chiar sute de microfarad. Pentru frecvențele radio, aceasta este deja sutimi sau miimi, dar în unele cazuri circuitul funcționează bine fără acest condensator.

Pentru a înțelege mai bine cum funcționează stabilizarea emițătorului, trebuie să luăm în considerare circuitul de conectare al unui tranzistor cu un colector comun OK.

Un circuit cu un colector comun (OC) este prezentat în Figura 8. Acest circuit este o bucată din Figura 2, din a doua parte a articolului, care prezintă toate cele trei circuite pentru conectarea tranzistoarelor.

Figura 8.

Sarcina cascadei este rezistorul emițător R2, semnalul de intrare este furnizat prin condensatorul C1, iar semnalul de ieșire este eliminat prin condensatorul C2. Aici vă puteți întreba de ce această schemă se numește OK? La urma urmei, dacă vă amintiți circuitul OE, puteți vedea clar că emițătorul este conectat la firul comun al circuitului, față de care semnalul de intrare este furnizat și semnalul de ieșire este eliminat.

În circuitul OK, colectorul este pur și simplu conectat la sursa de alimentare și, la prima vedere, se pare că nu are nimic de-a face cu semnalele de intrare și de ieșire. Dar, de fapt, sursa EMF (bateria) are o rezistență internă foarte mică; pentru semnal este practic un punct, același contact.

Funcționarea circuitului OK poate fi examinată mai detaliat în Figura 9.

Figura 9.

Se știe că pentru tranzistoarele cu siliciu tensiunea de tranziție b-e este în intervalul 0,5...0,7 V, așa că o puteți lua în medie 0,6 V, dacă nu vă propuneți să efectuați calcule cu o precizie de zecimi de a. la sută. Prin urmare, după cum se poate observa în Figura 9, tensiunea de ieșire va fi întotdeauna mai mică decât tensiunea de intrare cu valoarea Ub-e, și anume cu același 0,6V. Spre deosebire de circuitul OE, acest circuit nu inversează semnalul de intrare, pur și simplu îl repetă și chiar îl reduce cu 0,6 V. Acest circuit este numit și emițător adept. De ce este necesară o astfel de schemă, care este beneficiul ei?

Circuitul OK amplifică semnalul de curent cu h21e ori, ceea ce indică faptul că rezistența de intrare a circuitului este de h21e ori mai mare decât rezistența din circuitul emițătorului. Cu alte cuvinte, fără teama de a arde tranzistorul, puteți furniza tensiune direct la bază (fără un rezistor limitator). Doar luați pinul de bază și conectați-l la magistrala de alimentare +U.

Impedanța mare de intrare vă permite să conectați o sursă de intrare cu impedanță ridicată (impedanță), cum ar fi un pickup piezoelectric. Dacă un astfel de pickup este conectat la o cascadă conform circuitului OE, atunci impedanța scăzută de intrare a acestei etape va „planta” pur și simplu semnalul pickupului - „radioul nu va reda”.

O caracteristică distinctivă a circuitului OK este că curentul său colector Ik depinde numai de rezistența de sarcină și de tensiunea sursei de semnal de intrare. În acest caz, parametrii tranzistorului nu joacă deloc niciun rol aici. Se spune că astfel de circuite sunt acoperite de feedback de tensiune 100%.

După cum se arată în Figura 9, curentul din sarcina emițătorului (aka curentul emițătorului) Iн = Iк + Ib. Ținând cont de faptul că curentul de bază Ib este neglijabil în comparație cu curentul de colector Ik, putem presupune că curentul de sarcină este egal cu curentul de colector Il = Ik. Curentul din sarcină va fi (Uin - Ube)/Rn. În acest caz, vom presupune că Ube este cunoscut și este întotdeauna egal cu 0,6V.

Rezultă că curentul colectorului Ik = (Uin - Ube)/Rn depinde numai de tensiunea de intrare și rezistența de sarcină. Rezistența la sarcină poate fi modificată în limite largi, cu toate acestea, nu trebuie să fiți deosebit de zelos. La urma urmei, dacă în loc de Rn puneți un cui - o sută de metri pătrați, atunci niciun tranzistor nu va rezista!

Circuitul OK face destul de ușoară măsurarea coeficientului de transfer de curent static h21e. Cum se face acest lucru este prezentat în Figura 10.

Figura 10.

În primul rând, curentul de sarcină trebuie măsurat așa cum se arată în Figura 10a. În acest caz, baza tranzistorului nu trebuie conectată nicăieri, așa cum se arată în figură. După aceasta, curentul de bază este măsurat în conformitate cu Figura 10b. În ambele cazuri, măsurătorile trebuie făcute în aceleași cantități: fie în amperi, fie în miliamperi. Tensiunea de alimentare și sarcina trebuie să rămână aceleași pentru ambele măsurători. Pentru a afla coeficientul de transfer al curentului static, este suficient să împărțiți curentul de sarcină la curentul de bază: h21e ≈ In/Ib.

Trebuie remarcat faptul că odată cu creșterea curentului de sarcină, h21e scade ușor, iar odată cu creșterea tensiunii de alimentare crește. Dispozitivele emițătoare sunt adesea construite într-un circuit push-pull folosind perechi complementare de tranzistoare, ceea ce mărește puterea de ieșire a dispozitivului. Un astfel de urmăritor de emițător este prezentat în Figura 11.

Figura 11.

Figura 12.

Pornirea tranzistoarelor conform unui circuit cu o bază OB comună

Acest circuit oferă doar câștig de tensiune, dar are proprietăți de frecvență mai bune în comparație cu circuitul OE: aceleași tranzistoare pot funcționa la frecvențe mai mari. Principala aplicație a circuitului OB sunt amplificatoarele de antenă pentru benzile UHF. Circuitul amplificatorului antenei este prezentat în Figura 12.

Caracteristicile tranzistoarelor bipolare

Modul static funcţionarea tranzistorului Acesta se numește un mod în care nu există sarcină în circuitul de ieșire, iar o modificare a curentului de intrare sau a tensiunii nu provoacă o modificare a tensiunii de ieșire Fig. 7.

Caracteristici statice Există două tipuri de tranzistoare: intrare si iesire. În Fig.8. prezintă o schemă a unei instalaţii de măsurare a caracteristicilor statice ale unui tranzistor conectat după un circuit cu emiţător comun.

Fig.8. Sistem

măsurători statice

parametrii tranzistorului cu OE.

Intrare staticăcaracteristică eu B de la tensiunea de intrare TU FI la tensiune de ieșire constantă U CE. Pentru un circuit emițător comun:

I B = f (U BE) la U EC = const.

Deoarece ramurile caracteristicii statice de intrare pentru U FE > 0 sunt situate foarte aproape unul de celălalt și practic se contopesc într-unul singur, apoi, în practică, o caracteristică medie poate fi utilizată cu suficientă precizie (Fig. 9). A). O caracteristică a caracteristicii statice de intrare este prezența în partea inferioară a unei secțiuni neliniare în zona de îndoire U 1(aproximativ 0,2...0,3 V pentru tranzistoarele cu germaniu și 0,3...0,4 V pentru cele cu siliciu).

Zi libera static caracteristică este dependența curentului de ieșire eu K de la tensiunea de ieșire U CE la curent de intrare constant eu B. Pentru un circuit de conectare cu un emițător comun:

I K = f (U KE) la I B = const.

Din Fig.9 b Se poate observa că caracteristicile de ieșire sunt linii drepte, aproape paralele cu axa tensiunii. Acest lucru se explică prin faptul că joncțiunea colectorului este închisă indiferent de mărimea tensiunii bază-colector, iar curentul colectorului este determinat doar de numărul de purtători de sarcină care trec de la emițător prin bază la colector, adică de curentul emițătorului eu E.

Modul dinamic funcționarea unui tranzistor se numește un astfel de mod în care există o rezistență de sarcină în circuitul de ieșire R K, din cauza căreia modificarea curentului sau tensiunii de intrare U VX va provoca o modificare a tensiunii de ieșire U OUT = U CE(Fig. 10).

Fig.9. Caracteristicile statice ale unui tranzistor cu OE: A- intrare; b- sfârșit de săptămână.

Intrare dinamicăcaracteristică este dependența curentului de intrare eu B de la tensiunea de intrare TU FI când există încărcătură. Pentru un circuit emițător comun:

I B = f (U BE)

Deoarece în modul static pentru U FE > 0 folosim o caracteristică medie, atunci dinamică de intrare caracteristica coincide cu intrare statică(Fig.11 A).

Fig. 10. Schemă pentru pornirea unui tranzistor în modul dinamic cu OE.

Zi libera dinamic Caracteristica (sarcină) reprezintă dependența tensiunii de ieșire U CE de la curentul de ieșire eu K la valori fixe ale curentului de intrare eu B(Fig.11 b):

U KE = E K – I K R K

Deoarece această ecuație este liniară, atunci ieșire dinamică caracteristica este linie dreaptași este construit pe caracteristicile statice de ieșire în două puncte, de exemplu: A, ÎNîn Fig. 11 b.

Coordonatele punctului A [U CE = 0; I K = E K⁄ R K] – pe axă eu K.

Coordonatele punctului ÎN [I K = 0; U KE = E K] – pe axă U CE.

Coordonatele punctului R [U 0K; eu 0K] – corespunde poziției punctului de funcționare RT în regim de repaus (în absența unui semnal).

Fig. 11. Caracteristicile dinamice ale unui tranzistor cu OE: A)- Intrare; b)- zi libera.

Linia de sarcină este trasată prin oricare două puncte A, B sau P, ale căror coordonate sunt cunoscute.

În funcție de starea joncțiunilor p-n ale tranzistoarelor, se disting mai multe tipuri de funcționare a acestuia - modul de întrerupere, modul de saturație, modurile limită și liniare (Fig. 11).

Modul de tăiere. Acesta este un mod în care ambele tranziții sunt închise - tranzistorul este blocat. Curentul de bază în acest caz este zero. Curentul colectorului va fi egal cu curentul invers eu K0, iar tensiunea U KE = E K.

Modul de saturație- acesta este un mod în care ambele tranziții - emițătorul și colectorul sunt deschise și are loc o tranziție liberă a purtătorilor de sarcină în tranzistor. În acest caz, curentul de bază va fi maxim, curentul colectorului va fi egal cu curentul de saturație al colectorului, iar tensiunea dintre colector și emițător va tinde spre zero.

I B = max; I K ≈ I KN; U KE = E K – I KN R N; U CE → 0.

Moduri limită– acestea sunt moduri în care funcționarea este limitată de parametrii maximi admisibili: I K suplimentar, U CE suplimentar, P K suplimentar(Fig.11 b) Și I B us, U BE extra(Fig.11 A) și este asociat cu supraîncălzirea tranzistorului sau defectarea acestuia.

Modul liniar– acesta este un mod în care este asigurată o liniaritate suficientă a caracteristicilor și poate fi utilizat pentru amplificarea activă.

Tranzistorul este o componentă omniprezentă și importantă în microelectronica modernă. Scopul său este simplu: vă permite să controlați unul mult mai puternic folosind un semnal slab.

În special, poate fi folosit ca „amortizor” controlat: prin absența unui semnal la „poartă”, blocați fluxul de curent și, prin alimentarea acestuia, permiteți-l. Cu alte cuvinte: acesta este un buton care este apăsat nu cu un deget, ci prin aplicarea tensiunii. Aceasta este cea mai comună aplicație în electronica digitală.

Tranzistoarele sunt disponibile în pachete diferite: același tranzistor poate arăta complet diferit în aspect. În prototipare, cele mai frecvente cazuri sunt:

TO-92 - compact, pentru sarcini ușoare

TO-220AB - disipare masivă, bună a căldurii, pentru sarcini grele

Desemnarea de pe diagrame variază și în funcție de tipul de tranzistor și de standardul de desemnare utilizat în compilare. Dar, indiferent de variație, simbolul său rămâne de recunoscut.

Tranzistoare bipolare

Tranzistoarele cu joncțiune bipolară (BJT, Tranzistoare cu joncțiune bipolară) au trei contacte:

Colector - i se aplică tensiune înaltă, pe care doriți să-l controlați

Baza - o cantitate mică este furnizată prin ea actual a debloca mari; baza este legată la pământ pentru a o bloca

Emițător - curentul curge prin el de la colector și bază atunci când tranzistorul este „deschis”

Caracteristica principală a unui tranzistor bipolar este indicatorul hfe cunoscut și sub numele de câștig. Acesta reflectă de câte ori mai mult curent în secțiunea colector-emițător poate trece tranzistorul în raport cu curentul bază-emițător.

De exemplu, dacă hfe= 100, iar 0,1 mA trece prin bază, apoi tranzistorul va trece prin el însuși maximum 10 mA. Dacă în acest caz există o componentă în secțiunea de curent mare care consumă, de exemplu, 8 mA, aceasta va fi prevăzută cu 8 mA, iar tranzistorul va avea o „rezervă”. Dacă există o componentă care consumă 20 mA, aceasta va fi furnizată numai cu maxim 10 mA.

De asemenea, documentația pentru fiecare tranzistor indică tensiunile și curenții maximi admisi la contacte. Depășirea acestor valori duce la încălzire excesivă și la o durată de viață redusă, iar un exces puternic poate duce la distrugere.

NPN și PNP

Tranzistorul descris mai sus este un așa-numit tranzistor NPN. Se numește așa deoarece este format din trei straturi de siliciu conectate în ordinea: Negativ-Pozitiv-Negativ. Unde negativ este un aliaj de siliciu cu un exces de purtători de sarcină negativă (n-dopată), iar pozitiv este un aliaj cu un exces de purtători de sarcină pozitivă (p-dopată).

NPN-urile sunt mai eficiente și mai comune în industrie.

La desemnarea tranzistorilor PNP, acestea diferă în direcția săgeții. Săgeata indică întotdeauna de la P la N. Tranzistoarele PNP au un comportament „inversat”: curentul nu este blocat atunci când baza este legată la pământ și blocat atunci când curentul trece prin ea.

Tranzistoare cu efect de câmp

Tranzistoarele cu efect de câmp (FET, Field Effect Transistor) au același scop, dar diferă în structura internă. Un tip special de aceste componente sunt tranzistoarele MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Acestea vă permit să operați cu o putere mult mai mare cu aceleași dimensiuni. Și controlul „amortizorului” în sine este efectuat exclusiv folosind tensiune: nu trece curent prin poartă, spre deosebire de tranzistoarele bipolare.

Tranzistoarele cu efect de câmp au trei contacte:

Scurgere - i se aplică tensiune înaltă, pe care doriți să o controlați

Poarta - i se aplica tensiune pentru a permite curentului sa circule; poarta este legată la pământ pentru a bloca curentul.

Sursă - curentul curge prin ea din dren atunci când tranzistorul este „deschis”

Canal N și Canal P

Prin analogie cu tranzistoarele bipolare, tranzistoarele de câmp diferă în polaritate. Tranzistorul N-Canal a fost descris mai sus. Sunt cele mai comune.

P-Channel atunci când este desemnat diferă în direcția săgeții și, din nou, are un comportament „inversat”.

Conectarea tranzistoarelor pentru a conduce componente de mare putere

O sarcină tipică a unui microcontroler este să pornească și să oprească o anumită componentă a circuitului. Microcontrolerul în sine are de obicei caracteristici modeste de manipulare a puterii. Deci Arduino, cu ieșire de 5 V pe pin, poate rezista la un curent de 40 mA. Motoarele puternice sau LED-urile ultra-luminoase pot consuma sute de miliamperi. Când conectați direct astfel de sarcini, cipul poate eșua rapid. În plus, pentru funcționarea unor componente, este necesară o tensiune mai mare de 5 V, iar Arduino nu poate produce mai mult de 5 V din pinul de ieșire digitală.

Dar este suficient de ușor să controlezi un tranzistor, care, la rândul său, va controla un curent mare. Să presupunem că trebuie să conectăm o bandă LED lungă care necesită 12 V și consumă 100 mA:

Acum, când ieșirea este setată la una logică (înaltă), cei 5 V care intră în bază vor deschide tranzistorul și curentul va curge prin bandă - va străluci. Când ieșirea este setată la zero logic (scăzut), baza va fi legată la pământ prin microcontroler și fluxul de curent va fi blocat.

Acordați atenție rezistenței de limitare a curentului R. Este necesar ca atunci când se aplică tensiunea de control, un scurtcircuit să nu se formeze de-a lungul traseului microcontroler - tranzistor - masă. Principalul lucru este să nu depășiți curentul permis prin contactul Arduino de 40 mA, deci trebuie să utilizați un rezistor cu o valoare de cel puțin:

Aici U d- aceasta este căderea de tensiune pe tranzistorul însuși. Depinde de materialul din care este fabricat și este de obicei 0,3 – 0,6 V.

Dar nu este absolut necesar să mențineți curentul la limita admisă. Este necesar doar ca câștigul tranzistorului să vă permită să controlați curentul necesar. În cazul nostru este de 100 mA. Acceptabil pentru tranzistorul folosit hfe= 100, atunci un curent de control de 1 mA ne va fi suficient

Un rezistor cu o valoare de la 118 Ohm la 4,7 kOhm este potrivit pentru noi. Pentru o funcționare stabilă pe o parte și o sarcină ușoară pe cip pe cealaltă, 2,2 kOhm este o alegere bună.

Dacă utilizați un tranzistor cu efect de câmp în loc de un tranzistor bipolar, puteți face fără un rezistor:

Acest lucru se datorează faptului că poarta din astfel de tranzistoare este controlată exclusiv de tensiune: nu există curent în secțiunea microcontroler - poartă - sursă. Și datorită caracteristicilor sale ridicate, un circuit care utilizează MOSFET vă permite să controlați componente foarte puternice.

În acest articol am discutat despre un parametru atât de important al tranzistorului precum coeficientul beta (β) . Dar există un alt parametru interesant în tranzistor. În sine este nesemnificativ, dar poate face multe afaceri! Este ca o pietricică care intră în adidașii unui atlet: pare mic, dar provoacă neplăceri atunci când aleargă. Deci, ce interferează această „pietricică” cu tranzistorul? Să aflăm...

Conexiune directă și inversă a joncțiunii PN

După cum ne amintim, un tranzistor este format din trei semiconductori. , pe care îl numim bază-emițător joncțiunea emițătorului, iar tranziția bază-colector este tranziția colectorului.

Deoarece în acest caz avem un tranzistor NPN, înseamnă că curentul va curge de la colector la emițător, cu condiția să deschidem baza aplicându-i o tensiune mai mare de 0,6 Volți (bine, astfel încât tranzistorul să se deschidă) .

Să luăm ipotetic un cuțit subțire și subțire și să tăiem emițătorul direct de-a lungul joncțiunii PN. Vom ajunge cu ceva de genul acesta:

Stop! Avem o diodă? Da, el este acela! Amintiți-vă, în articolul caracteristica curent-tensiune (CVC), ne-am uitat la CVC-ul diodei:

În partea dreaptă a caracteristicii curent-tensiune, vedem cum ramura graficului a zburat foarte brusc în sus. În acest caz, am aplicat o tensiune constantă diodei așa, adică a fost conectarea directă a diodei.

Dioda a trecut curent electric prin ea însăși. Am efectuat chiar și experimente cu conexiunea directă și inversă a diodei. Cei care nu-și amintesc îl pot citi.

Dar dacă schimbi polaritatea

atunci dioda noastră nu va trece curent. Am fost întotdeauna învățați așa și există ceva adevăr în el, dar... lumea noastră nu este ideală).

Cum funcționează o joncțiune PN? Ne-am imaginat-o ca pe o pâlnie. Deci, pentru acest desen

pâlnia noastră va fi întoarsă cu susul în jos spre pârâu

Direcția curgerii apei este direcția curentului electric. Pâlnia este dioda. Dar apa care a trecut prin gâtul îngust al pâlniei? Cum o putem numi? Și se numește curent invers al joncțiunii PN (retur).

Ce credeți, dacă creșteți viteza de curgere a apei, va crește cantitatea de apă care trece prin gâtul îngust al pâlniei? Categoric! Aceasta înseamnă că dacă adăugați tensiune U arr., atunci curentul invers va crește am arr., care este ceea ce vedem în partea stângă a graficului caracteristicii curent-tensiune a diodei:

Dar până la ce limită poate fi mărită viteza curgerii apei? Dacă este foarte mare, pâlnia noastră nu va rezista, pereții se vor crăpa și va zbura în bucăți, nu? Prin urmare, pentru fiecare diodă puteți găsi un parametru precum U rev.max, peste care pentru o diodă echivalează cu moartea.

De exemplu, pentru dioda D226B:

U rev.max= 500 volți și impulsul invers maxim U arr. imp.max= 600 volți. Dar rețineți că circuitele electronice sunt proiectate, așa cum se spune, „cu o marjă de 30%. Și chiar dacă în circuit tensiunea inversă pe diodă este de 490 de volți, atunci în circuit va fi instalată o diodă care poate rezista la mai mult de 600 de volți. Este mai bine să nu te joci cu valorile critice). Tensiunea inversă a impulsului este o creștere bruscă a tensiunii care poate atinge o amplitudine de până la 600 de volți. Dar și aici este mai bine să luați cu o marjă mică.

Deci... de ce sunt toate astea despre diodă și despre diodă... Parcă studiem tranzistoarele. Dar orice s-ar putea spune, o diodă este un element de construcție pentru construirea unui tranzistor. Deci, dacă aplicăm o tensiune inversă joncțiunii colectorului, atunci un curent invers va curge prin joncțiune, ca într-o diodă? Exact. Și acest parametru într-un tranzistor este numit . O notăm ca Eu KBO, printre burghezii - Eu CBO. Reprezintă „curent între colector și bază, cu emițătorul deschis”. În linii mari, piciorul emițător nu se agăță nicăieri și atârnă în aer.

Pentru a măsura curentul invers al colectorului, este suficient să asamblați aceste circuite simple:

Pentru tranzistor NPN pentru tranzistor PNP

Pentru tranzistoarele cu siliciu, curentul de colector invers este mai mic de 1 µA, pentru tranzistoarele cu germaniu: 1-30 µA. Deoarece măsoară doar de la 10 µA și nu am tranzistori cu germaniu la îndemână, nu voi putea efectua acest experiment, deoarece rezoluția dispozitivului nu permite acest lucru.

Încă nu am răspuns la întrebarea, de ce este atât de important curentul invers de colector și este listat în cărțile de referință? Chestia este că în timpul funcționării tranzistorul disipă o parte de putere în spațiu, ceea ce înseamnă că se încălzește. Curentul invers al colectorului este foarte dependent de temperatură și își dublează valoarea la fiecare 10 grade Celsius. Nu, dar ce e în neregulă? Lasă-l să crească, nu pare să deranjeze pe nimeni.

Efectul curentului invers al colectorului

Chestia este că în unele circuite de comutare o parte din acest curent trece prin joncțiunea emițătorului. Și după cum ne amintim, curentul de bază curge prin joncțiunea emițătorului. Cu cât este mai mare curentul de control (curent de bază), cu atât este mai mare curentul controlat (curent de colector). Am discutat despre asta în articol. În consecință, cea mai mică modificare a curentului de bază duce la o schimbare mare a curentului colectorului și întregul circuit începe să funcționeze incorect.

Cum să combateți curentul invers al colectorului

Aceasta înseamnă că cel mai important inamic al tranzistorului este temperatura. Cum luptă dezvoltatorii de echipamente radio-electronice (REA)?

- folosiți tranzistoare în care curentul de colector invers are o valoare foarte mică. Acestea sunt, desigur, tranzistoare de siliciu. Un mic indiciu - marcarea tranzistoarelor de siliciu începe cu literele „KT”, ceea ce înseamnă LA centura T tranzistor.

- folosirea circuitelor care reduc la minimum curentul invers al colectorului.

Curentul de colector invers este un parametru important al tranzistorului. Este dat în fișa de date pentru fiecare tranzistor. În circuitele care sunt utilizate în condiții de temperatură extremă, curentul de retur al colectorului va juca un rol foarte important. Prin urmare, dacă asamblați un circuit care nu folosește un radiator și un ventilator, atunci, desigur, este mai bine să luați tranzistori cu curent de colector invers minim.

TEMA 4. TRANZISTOARE BIPOLARE

4.1 Proiectare și principiu de funcționare

Un tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor format din trei regiuni cu tipuri alternative de conductivitate electrică și este potrivit pentru amplificarea puterii.

Tranzistoarele bipolare produse în prezent pot fi clasificate după următoarele criterii:

După material: germaniu și siliciu;

După tipul de conductivitate a zonelor: tipuri p-n-p și n-p-n;

După putere: mică (Pmax £ 0,3 W), medie (Pmax £ 1,5 W) și putere mare (Pmax > 1,5 W);

După frecvență: frecvență joasă, frecvență medie, frecvență înaltă și cuptor cu microunde.

În tranzistoarele bipolare, curentul este determinat de mișcarea purtătorilor de sarcină de două tipuri: electroni și găuri (sau majoritar și minoritar). De aici și numele lor - bipolar.

În prezent, numai tranzistoarele cu joncțiuni p-n plane sunt fabricate și utilizate.

Structura unui tranzistor bipolar plan este prezentată schematic în Fig. 4.1.

Este o placă de germaniu sau siliciu în care sunt create trei regiuni cu conductivități electrice diferite. Într-un tranzistor n-p-n, regiunea din mijloc are gaură, iar regiunile exterioare au conductivitate electronică.

Tranzistoarele de tip pnp au o regiune medie cu conductivitate electronică și regiuni exterioare cu conductivitate electrică.

Regiunea de mijloc a tranzistorului se numește bază, o regiune extremă este emițătorul, iar cealaltă este colectorul. Astfel, tranzistorul are două joncțiuni p-n: emițătorul - între emițător și bază și colectorul - între bază și colector. Aria joncțiunii emițătorului este mai mică decât aria joncțiunii colectorului.

Emițătorul este regiunea tranzistorului al cărei scop este injectarea purtătorilor de sarcină în bază. Un colector este o regiune al cărei scop este extragerea purtătorilor de sarcină din bază. Baza este regiunea în care emițătorul injectează purtători de sarcină care nu sunt majoritari pentru această regiune.

Concentrația purtătorilor principali de sarcină în emițător este de multe ori mai mare decât concentrația purtătorilor principali de sarcină din bază, iar concentrația lor în colector este ceva mai mică decât concentrația în emițător. Prin urmare, conductivitatea emițătorului este cu câteva ordine de mărime mai mare decât conductivitatea de bază, iar conductivitatea colectorului este ceva mai mică decât conductivitatea emițătorului.

Se trag concluzii de la bază, emițător și colector. În funcție de care dintre borne este comună pentru circuitele de intrare și de ieșire, există trei circuite pentru conectarea tranzistorului: cu o bază comună (CB), un emițător comun (CE) și un colector comun (CC).

Circuitul de intrare sau de control servește la controlul funcționării tranzistorului. În circuitul de ieșire, sau controlat, se obțin oscilații amplificate. Sursa de oscilații amplificate este inclusă în circuitul de intrare, iar sarcina este conectată la circuitul de ieșire.

Să luăm în considerare principiul de funcționare al unui tranzistor folosind exemplul unui tranzistor de tip pnp conectat conform unui circuit cu o bază comună (Fig. 4.2).

Figura 4.2 – Principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar (tip pnp)

Tensiunile externe ale două surse de alimentare EE și Ek sunt conectate la tranzistor astfel încât joncțiunea emițătorului P1 este polarizată în direcția înainte (tensiune directă), iar joncțiunea colectorului P2 este polarizată în direcția inversă (tensiune inversă) .

Dacă se aplică o tensiune inversă joncțiunii colectorului și circuitul emițătorului este deschis, atunci un mic curent inversat Iko (unități de microamperi) curge în circuitul colectorului. Acest curent apare sub influența tensiunii inverse și este creat de mișcarea direcțională a purtătorilor de sarcină minoritari, a găurilor de bază și a electronilor colector prin joncțiunea colectorului. Curentul invers circulă prin circuit: +Ek, colector de bază, -Ek. Mărimea curentului invers al colectorului nu depinde de tensiunea colectorului, ci depinde de temperatura semiconductorului.

Când o tensiune constantă EE este conectată la circuitul emițătorului în direcția înainte, bariera de potențial a joncțiunii emițătorului scade. Începe injectarea găurilor în bază.

Tensiunea externă aplicată tranzistorului se dovedește a fi aplicată în principal tranzițiilor P1 și P2, deoarece au rezistență ridicată în comparație cu rezistența regiunilor de bază, emițător și colector. Prin urmare, găurile injectate în bază se deplasează prin aceasta prin difuzie. În acest caz, găurile se recombină cu electronii bazei. Deoarece concentrația purtătorului în bază este mult mai mică decât în ​​emițător, foarte puține găuri se recombină. Cu o grosime mică a bazei, aproape toate găurile vor ajunge la joncțiunea colectorului P2. În locul electronilor recombinați, electronii de la sursa de energie Ek intră în bază. Găurile care se recombină cu electronii din bază creează un curent de bază IB.

Sub influența tensiunii inverse Ek, bariera de potențial a joncțiunii colectorului crește, iar grosimea joncțiunii P2 crește. Dar bariera potențială a joncțiunii colectorului nu împiedică găurile să treacă prin ea. Găurile care intră în regiunea joncțiunii colectorului cad într-un câmp de accelerație puternic creat la joncțiune de tensiunea colectorului și sunt extrase (retrase) de colector, creând un curent de colector Ik. Curentul colectorului circulă prin circuit: +Ek, colector de bază, -Ek.

Astfel, în tranzistor curg trei curenți: emițător, colector și curent de bază.

În fir, care este terminalul de bază, curenții emițătorului și colectorului sunt direcționați în direcții opuse. Prin urmare, curentul de bază este egal cu diferența dintre curenții emițătorului și colectorului: IB = IE - IK.

Procesele fizice dintr-un tranzistor n-p-n decurg similar proceselor dintr-un tranzistor p-n-p.

Curentul total al emițătorului IE este determinat de numărul de purtători de sarcină principale injectați de emițător. Partea principală a acestor purtători de sarcină care ajung la colector creează un curent de colector Ik. O mică parte din purtătorii de sarcină injectați în bază se recombină în bază, creând un curent de bază IB. În consecință, curentul emițătorului va fi împărțit în curenți de bază și de colector, adică. IE = IB + Ik.

Curentul emițătorului este curentul de intrare, curentul colectorului este curentul de ieșire. Curentul de ieșire face parte din curentul de intrare, adică.

unde a este coeficientul de transfer de curent pentru circuitul OB;

Deoarece curentul de ieșire este mai mic decât curentul de intrare, coeficientul a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

Într-un circuit emițător comun, curentul de ieșire este curentul colectorului, iar curentul de intrare este curentul de bază. Câștig de curent pentru circuitul OE:

(4.3)

În consecință, câștigul de curent pentru circuitul OE este de zeci de unități.

Curentul de ieșire al tranzistorului depinde de curentul de intrare. Prin urmare, un tranzistor este un dispozitiv controlat de curent.

Modificările curentului emițătorului cauzate de modificările tensiunii joncțiunii emițătorului sunt complet transmise circuitului colectorului, provocând o modificare a curentului colectorului. Și pentru că Tensiunea sursei de alimentare a colectorului Ek este semnificativ mai mare decât emițătorul Ee, atunci puterea consumată în circuitul colector Pk va fi semnificativ mai mare decât puterea în circuitul emițător Re. Astfel, este posibil să se controleze puterea mare în circuitul colector al tranzistorului cu putere scăzută cheltuită în circuitul emițător, adică are loc o creștere a puterii.

4.2 Circuite pentru conectarea tranzistoarelor bipolare

Tranzistorul este conectat la circuitul electric astfel încât unul dintre bornele sale (electrodul) este intrarea, al doilea este ieșirea, iar al treilea este comun circuitelor de intrare și ieșire. În funcție de electrodul comun, există trei circuite de comutare a tranzistorului: OB, OE și OK. Aceste circuite pentru un tranzistor pnp sunt prezentate în Fig. 4.3. Pentru un tranzistor n-p-n în circuitele de comutare, se modifică doar polaritatea tensiunilor și direcția curenților. Pentru orice circuit de comutare a tranzistorului (în modul activ), polaritatea surselor de alimentare trebuie selectată astfel încât joncțiunea emițătorului să fie pornită în direcția înainte, iar joncțiunea colectorului în direcția inversă.

Figura 4.3 – Circuite de conectare pentru tranzistoare bipolare: a) OB; b) OE; c) OK

4.3 Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare

Modul static de funcționare al tranzistorului este modul în care nu există sarcină în circuitul de ieșire.

Caracteristicile statice ale tranzistoarelor sunt dependențele exprimate grafic ale tensiunii și curentului circuitului de intrare (caracteristicile curent-tensiune de intrare) și ale circuitului de ieșire (caracteristicile curent-tensiune de ieșire). Tipul de caracteristici depinde de metoda de pornire a tranzistorului.

4.3.1 Caracteristicile unui tranzistor conectat conform circuitului OB

IE = f(UEB) cu UKB = const (Fig. 4.4, a).

IK = f(UKB) cu IE = const (Fig. 4.4, b).

Figura 4.4 – Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar conectat conform circuitului OB

Caracteristicile curent-tensiune de ieșire au trei regiuni caracteristice: 1 – dependență puternică a lui Ik de UKB (regiune inițială neliniară); 2 – dependența slabă a lui Ik de UKB (regiune liniară); 3 – defectarea joncțiunii colectorului.

O caracteristică a caracteristicilor din regiunea 2 este creșterea ușoară a acestora odată cu creșterea tensiunii UKB.

4.3.2 Caracteristicile unui tranzistor conectat conform circuitului OE:

Caracteristica de intrare este dependența:

IB = f(UBE) cu UKE = const (Fig. 4.5, b).

Caracteristica de ieșire este dependența:

IK = f(UKE) cu IB = const (Fig. 4.5, a).

Figura 4.5 – Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar conectat conform circuitului OE

Tranzistorul din circuitul OE asigură amplificarea curentului. Câștig de curent în circuitul OE: Dacă coeficientul a pentru tranzistori este a = 0,9¸0,99, atunci coeficientul b = 9¸99. Acesta este cel mai important avantaj al comutării tranzistorului conform circuitului OE, care, în special, determină aplicarea practică mai largă a acestui circuit de comutare în comparație cu circuitul OB.

Din principiul de funcționare al tranzistorului, se știe că două componente de curent curg prin borna de bază în sens opus (Fig. 4.6): curentul invers al joncțiunii colectorului IKO și o parte din curentul emițătorului (1 - a) IE. În acest sens, valoarea zero a curentului de bază (IB = 0) este determinată de egalitatea componentelor curente specificate, adică. (1 − a)IE = IKO. Curentul de intrare zero corespunde curentului emițătorului IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO și curentului colectorului. Cu alte cuvinte, la curent de bază zero (IB = 0), un curent trece prin tranzistorul din circuitul OE, numit curent inițial sau curent IKO(E) și egal cu (1+ b) IKO.

Figura 4.6 – Circuit de conectare pentru un tranzistor cu un emițător comun (circuit OE)

4.4 Parametrii de bază

Pentru a analiza și calcula circuite cu tranzistoare bipolare, se folosesc așa-numiții parametri h - ai tranzistorului conectat conform circuitului OE.

Starea electrică a unui tranzistor conectat conform circuitului OE este caracterizată de valorile IB, IBE, IK, UKE.

Sistemul de parametri h − include următoarele mărimi:

1. Impedanta de intrare

h11 = DU1/DI1 la U2 = const. (4,4)

reprezintă rezistența tranzistorului la curentul de intrare alternativ la care apare un scurtcircuit la ieșire, adică în absenţa tensiunii de ieşire AC.

2. Coeficient de feedback de tensiune:

h12 = DU1/DU2at I1= const. (4,5)

arată ce proporție din tensiunea AC de intrare este transferată la intrarea tranzistorului datorită feedback-ului din acesta.

3. Coeficient de forță de curent (coeficient de transfer de curent):

h21 = DI2/DI1at U2= const. (4,6)

arată amplificarea curentului alternativ de către tranzistor în regim fără sarcină.

4. Conductivitate de ieșire:

h22 = DI2/DU2 la I1 = const. (4,7)

reprezintă conductanţa pentru curent alternativ între bornele de ieşire ale tranzistorului.

Rezistența de ieșire Rout = 1/h22.

Pentru un circuit emițător comun, se aplică următoarele ecuații:

(4.8)

Pentru a preveni supraîncălzirea joncțiunii colectorului, este necesar ca puterea eliberată în aceasta în timpul trecerii curentului colectorului să nu depășească o anumită valoare maximă:

(4.9)

În plus, există limitări ale tensiunii colectorului:

și curent de colector:

4.5 Moduri de operare ale tranzistoarelor bipolare

Tranzistorul poate funcționa în trei moduri, în funcție de tensiunea la joncțiunile sale. Când funcționează în modul activ, tensiunea la joncțiunea emițătorului este directă, iar la joncțiunea colectorului este inversă.

Modul de întrerupere sau blocare este realizat prin aplicarea tensiunii inverse la ambele joncțiuni (ambele joncțiuni p-n sunt închise).

Dacă tensiunea la ambele joncțiuni este directă (ambele joncțiuni p-n sunt deschise), atunci tranzistorul funcționează în modul de saturație.

În modul cutoff și modul de saturație, nu există aproape niciun control al tranzistorului. În modul activ, un astfel de control este efectuat cel mai eficient, iar tranzistorul poate îndeplini funcțiile unui element activ al unui circuit electric (amplificare, generare etc.).

4.6 Domeniul de aplicare

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive semiconductoare pentru scopuri universale și sunt utilizate pe scară largă în diverse amplificatoare, generatoare, dispozitive de impuls și comutare.

4.7 Cea mai simplă etapă de amplificare folosind un tranzistor bipolar

Cel mai utilizat circuit este pornirea unui tranzistor conform unui circuit cu un emițător comun (Fig. 4.7)

Elementele principale ale circuitului sunt sursa de alimentare Ek, elementul controlat - tranzistorul VT și rezistența Rk. Aceste elemente formează circuitul principal (de ieșire) al etapei amplificatorului, în care, datorită fluxului de curent controlat, se creează o tensiune alternativă amplificată la ieșirea circuitului.

Elementele rămase joacă un rol suport. Condensatorul Cp este un condensator de separare. În absența acestui condensator în circuitul sursei de semnal de intrare, un curent continuu ar fi creat de la sursa de alimentare Ek.

Figura 4.7 – Diagrama celui mai simplu etaj de amplificare pe un tranzistor bipolar conform unui circuit cu emițător comun

Rezistorul RB, conectat la circuitul de bază, asigură funcționarea tranzistorului în regim de repaus, adică. în absenţa unui semnal de intrare. Modul de repaus este asigurat de curentul de bază de repaus IB » Ek/RB.

Cu ajutorul rezistorului Rk se creează o tensiune de ieșire, adică. Rк îndeplinește funcția de a crea o tensiune variabilă în circuitul de ieșire datorită fluxului de curent în acesta, controlat prin circuitul de bază.

Pentru circuitul colector al etapei amplificatorului, putem scrie următoarea ecuație a stării electrice:

Ek = Uke + IkRk, (4,10)

adică suma căderii de tensiune pe rezistorul Rk și tensiunea colector-emițător Uke a tranzistorului este întotdeauna egală cu o valoare constantă - fem-ul sursei de alimentare Ek.

Procesul de amplificare se bazează pe conversia energiei unei surse de tensiune constantă Ek în energia unei tensiuni alternative în circuitul de ieșire prin modificarea rezistenței elementului controlat (tranzistor) conform legii specificate de semnalul de intrare.

Când o tensiune alternativă uin este aplicată la intrarea etajului amplificatorului, o componentă de curent alternativ IB~ este creată în circuitul de bază al tranzistorului, ceea ce înseamnă că curentul de bază se va schimba. O modificare a curentului de bază duce la o modificare a valorii curentului de colector (IK = bIB) și, prin urmare, la o modificare a valorilor tensiunii pe rezistența Rk și Uke. Abilitățile de amplificare se datorează faptului că modificarea valorilor curentului colectorului este de b ori mai mare decât curentul de bază.

4.8 Calculul circuitelor electrice cu tranzistoare bipolare

Pentru circuitul colector al etajului amplificator (Fig. 4.7), în conformitate cu cea de-a doua lege a lui Kirchhoff, ecuația (4.10) este valabilă.

Caracteristica volt-amper a rezistorului colector RK este liniară, iar caracteristicile volt-ampere ale tranzistorului sunt caracteristici neliniare ale colectorului tranzistorului (Fig. 4.5, a) conectate conform circuitului OE.

Calculul unui astfel de circuit neliniar, adică determinarea IK, URK și UKE pentru diferite valori ale curenților de bază IB și rezistența rezistenței RK, poate fi efectuat grafic. Pentru a face acest lucru, pe familia caracteristicilor colectorului (Fig. 4.5, a) este necesar să se deseneze din punctul EK pe axa absciselor caracteristica volt-ampere a rezistenței RK, satisfăcând ecuația:

Uke = Ek − RkIk. (4,11)

Această caracteristică este construită în două puncte:

Uke = Ek cu Ik = 0 pe abscisă și Ik = Ek/Rk cu Uke = 0 pe ordonată. Caracteristica I-V a rezistenței colectorului Rk astfel construită se numește linie de sarcină. Punctele în care se intersectează cu caracteristicile colectorului oferă o soluție grafică a ecuației (4.11) pentru o rezistență dată Rк și diferite valori ale curentului de bază IB. Din aceste puncte puteți determina curentul colectorului Ik, care este același pentru tranzistorul și rezistența Rk, precum și tensiunea UKE și URK.

Punctul de intersecție al liniei de sarcină cu una dintre caracteristicile statice curent-tensiune se numește punctul de funcționare al tranzistorului. Schimbând IB, îl puteți muta de-a lungul liniei de încărcare. Poziția inițială a acestui punct în absența unui semnal alternativ de intrare se numește punct de repaus - T0.

a) b)

Figura 4.8 – Calcul grafic-analitic al modului de funcționare al unui tranzistor utilizând caracteristicile de ieșire și intrare.

Punctul de repaus (punctul de operare) T0 determină ICP curent și tensiunea UCP în regim de repaus. Folosind aceste valori, puteți găsi puterea RKP eliberată în tranzistor în modul de repaus, care nu trebuie să depășească puterea maximă RK maximă, care este unul dintre parametrii tranzistorului:

RKP = IKP ×UKEP £ RK max. (4,12)

Cărțile de referință de obicei nu oferă o familie de caracteristici de intrare, ci doar caracteristici pentru UKE = 0 și pentru unele UKE > 0.

Caracteristicile de intrare pentru diferite UCE-uri care depășesc 1V sunt situate foarte aproape unele de altele. Prin urmare, calculul curenților și tensiunilor de intrare se poate face aproximativ folosind caracteristica de intrare pentru UCE > 0, preluată din cartea de referință.

Punctele A, To și B ale caracteristicii de funcționare de ieșire sunt transferate la această curbă și se obțin punctele A1, T1 și B1 (Fig. 4.8, b). Punctul de operare T1 determină tensiunea de bază constantă UBES și curentul de bază constant IUPS.

Rezistența rezistorului RB (asigură funcționarea tranzistorului în regim de repaus), prin care se va furniza o tensiune constantă de la sursa EK la bază:

(4.13)

În modul activ (amplificare), punctul de repaus al tranzistorului To este situat aproximativ în mijlocul secțiunii liniei de sarcină AB, iar punctul de operare nu se extinde dincolo de secțiunea AB.