Modul de saturație al unui tranzistor bipolar. Descriere completă a tranzistorilor bipolari. Principalele diferențe dintre cele două tipuri de tranzistoare bipolare

Tranzistorul bipolar este unul dintre cele mai vechi, dar cele mai faimoase tipuri de tranzistori și este încă folosit în electronice moderne. Un tranzistor este indispensabil atunci când trebuie să controlați o sarcină destul de puternică pentru care dispozitivul de control nu poate furniza suficient curent. Ele vin în diferite tipuri și capacități, în funcție de sarcinile îndeplinite. Cunoștințele de bază și formulele despre tranzistori pot fi găsite în acest articol.

Introducere

Înainte de a începe lecția, să fim de acord că discutăm doar un singur tip de modalitate de a porni un tranzistor. Un tranzistor poate fi utilizat într-un amplificator sau receptor și, de obicei, fiecare model de tranzistor este fabricat cu caracteristici specifice pentru a-l face mai specializat pentru munca mai bunaîntr-o anumită includere.

Tranzistorul are 3 terminale: bază, colector și emițător. Este imposibil să spunem fără ambiguitate care dintre ele este intrarea și care este ieșirea, deoarece toate sunt conectate și se influențează reciproc într-un fel sau altul. Când un tranzistor este pornit în modul comutator (controlul sarcinii), acesta acționează astfel: curentul de bază controlează curentul de la colector la emițător sau invers, în funcție de tipul de tranzistor.

Există două tipuri principale de tranzistoare: NPN și PNP. Pentru a înțelege acest lucru, putem spune că principala diferență dintre aceste două tipuri este direcția curentului electric. Acest lucru poate fi văzut în Figura 1.A, unde este indicată direcția curentului. Într-un tranzistor NPN, un curent curge de la bază în tranzistor, iar celălalt curent trece de la colector la emițător, dar într-un tranzistor PNP este adevărat opusul. Din punct de vedere funcțional, diferența dintre aceste două tipuri de tranzistoare este tensiunea pe sarcină. După cum puteți vedea în imagine, tranzistorul NPN oferă 0V atunci când este pornit, iar PNP oferă 12V. Veți înțelege mai târziu de ce acest lucru afectează selecția tranzistorului.

Pentru simplitate, vom studia doar tranzistoare NPN, dar toate acestea se aplică PNP, ținând cont de faptul că toți curenții sunt inversați.

Figura de mai jos arată analogia dintre un comutator (S1) și un comutator tranzistor, unde se poate observa că curentul de bază se închide sau deschide calea curentului de la colector la emițător:

Cunoscând exact caracteristicile tranzistorului, puteți obține de la acesta randament maxim. Parametrul principal este câștigul DC al tranzistorului, care este de obicei notat Hfe sau β. De asemenea, este important să cunoașteți curentul maxim, puterea și tensiunea tranzistorului. Acești parametri pot fi găsiți în documentația pentru tranzistor și ne vor ajuta să stabilim valoarea rezistenței de bază, care este descrisă mai jos.

Folosind un tranzistor NPN ca comutator

Figura arată includerea unui tranzistor NPN ca comutator. Veți întâlni această includere foarte des atunci când analizați diverse circuite electronice. Vom studia cum să rulăm un tranzistor în modul selectat, vom calcula rezistența de bază, câștigul de curent al tranzistorului și rezistența de sarcină. Vă sugerez cel mai simplu și cel mai mult mod exact pentru aceasta.

1. Să presupunem că tranzistorul este în modul de saturație:în care model matematic tranzistorul devine foarte simplu și cunoaștem tensiunea în punctul V c. Vom găsi valoarea rezistenței de bază la care totul va fi corect.

2. Determinarea curentului de saturație a colectorului: Tensiunea dintre colector și emițător (V ce) este preluată din documentația tranzistorului. Emițătorul este conectat la GND, respectiv V ce = V c - 0 = V c. Odată ce cunoaștem această valoare, putem calcula curentul de saturație a colectorului folosind formula:

Uneori, rezistența de sarcină R L este necunoscută sau nu poate fi la fel de precisă ca rezistența bobinei releului; În acest caz, este suficient să cunoașteți curentul necesar pentru pornirea releului.
Asigurați-vă că curentul de sarcină nu depășește curentul maxim de colector al tranzistorului.

3. Calculul curentului de bază necesar: Cunoscând curentul colectorului, puteți calcula curentul de bază minim necesar pentru a realiza acest lucru curent de colector folosind următoarea formulă:

Din aceasta rezultă că:

4. Depășirea valorilor admisibile: După ce ați calculat curentul de bază și dacă se dovedește a fi mai mic decât cel specificat în documentație, atunci puteți supraîncărca tranzistorul înmulțind curentul de bază calculat, de exemplu, cu 10 ori. Astfel, comutatorul tranzistorului va fi mult mai stabil. Cu alte cuvinte, performanța tranzistorului va scădea dacă sarcina crește. Aveți grijă să nu depășiți curentul de bază maxim menționat în documentație.

5. Calculul valorii necesare a lui R b: Având în vedere o suprasarcină de 10 ori, rezistența Rb poate fi calculată folosind următoarea formulă:

unde V 1 este tensiunea de control a tranzistorului (vezi Figura 2.a)

Dar dacă emițătorul este conectat la masă și este cunoscută tensiunea bază-emițător (aproximativ 0,7V pentru majoritatea tranzistoarelor) și presupunând că V 1 = 5V, formula poate fi simplificată la următoarea:

Se poate observa că curentul de bază este înmulțit cu 10 ținând cont de suprasarcină.
Când se cunoaște valoarea lui Rb, tranzistorul este „setat” să funcționeze ca un comutator, numit și „modul de saturație și tăiere”, unde „saturația” este atunci când tranzistorul este complet deschis și conduce curent, iar „tăierea” este atunci când este inchis si nu conduc curent .

Notă: Când spunem , nu spunem că curentul colectorului trebuie să fie egal cu . Aceasta înseamnă pur și simplu că curentul de colector al tranzistorului poate crește la acest nivel. Curentul va urma legile lui Ohm, la fel ca orice curent electric.

Calculul sarcinii

Când am considerat că tranzistorul se află în modul de saturație, am presupus că unii dintre parametrii săi nu s-au modificat. Acest lucru nu este în întregime adevărat. De fapt, acești parametri au fost modificați în principal prin creșterea curentului de colector și, prin urmare, este mai sigur pentru suprasarcină. Documentația indică o modificare a parametrilor tranzistorului în timpul supraîncărcării. De exemplu, tabelul din Figura 2.B arată doi parametri care se modifică semnificativ:

H FE (β) variază în funcție de curentul și tensiunea colectorului V CEsat. Dar V CEsat în sine se modifică în funcție de colector și curent de bază, așa cum se arată în tabelul de mai jos.

Calculul poate fi foarte complex, deoarece toți parametrii sunt strâns și complex interrelaționați, deci este mai bine să luați cele mai proaste valori. Acestea. cel mai mic H FE, cel mai mare V CEsat și V CEsat.

Aplicație tipică a unui comutator tranzistor

În electronica modernă, un comutator tranzistor este utilizat pentru a controla releele electromagnetice, care consumă până la 200 mA. Dacă vrei să controlezi releul cip logic sau un microcontroler, atunci tranzistorul este de neînlocuit. În Figura 3.A, rezistența rezistenței de bază este calculată în funcție de curentul necesar releului. Dioda D1 protejează tranzistorul de impulsurile pe care le generează bobina atunci când este oprită.

2. Conectarea unui tranzistor cu colector deschis:

Multe dispozitive, cum ar fi familia 8051 de microcontrolere, au porturi open-collector. Rezistența rezistenței de bază a tranzistorului extern este calculată așa cum este descris în acest articol. Rețineți că porturile pot fi mai complexe și folosesc adesea FET-uri în loc de cele bipolare și sunt numite ieșiri open-drain, dar totul rămâne exact la fel ca în Figura 3.B

3. Crearea unui element logic OR-NOT (NOR):

Uneori, un circuit trebuie să folosească unul element logic, și nu doriți să utilizați un circuit integrat cu 4 elemente cu 14 pini, fie din cauza costului, fie din cauza spațiului pe placă. Poate fi înlocuit cu o pereche de tranzistori. Rețineți că caracteristicile de frecvență ale unor astfel de elemente depind de caracteristicile și tipul tranzistorilor, dar sunt de obicei sub 100 kHz. Reducerea rezistenței de ieșire (Ro) va crește consumul de energie, dar va crește curentul de ieșire.
Trebuie să găsiți un compromis între acești parametri.

Figura de mai sus prezintă o poartă NOR construită folosind 2 tranzistoare 2N2222. Acest lucru se poate face cu tranzistoare PNP 2N2907, cu mici modificări. Trebuie doar să iei în considerare că totul curenti electrici apoi curge în direcție opusă.

Găsirea erorilor în circuitele tranzistoarelor

Când apare o problemă în circuitele care conțin mulți tranzistori, poate fi destul de dificil să știi care dintre ele este proastă, mai ales când sunt toate lipite. Vă dau câteva sfaturi care vă vor ajuta să găsiți rapid problema într-o astfel de schemă:

1. Temperatura: Dacă tranzistorul devine foarte fierbinte, probabil că există o problemă pe undeva. Nu este necesar ca problema să fie un tranzistor fierbinte. De obicei, tranzistorul defect nici nu se încălzește. Această creștere a temperaturii poate fi cauzată de un alt tranzistor conectat la acesta.

2. Măsurarea V CE a tranzistorilor: Dacă toate sunt de același tip și funcționează, atunci ar trebui să aibă aproximativ același VCE. Căutați tranzistori care au V CE diferit cale rapidă detectarea tranzistoarelor defecte.

3. Măsurarea tensiunii pe rezistorul de bază: Tensiunea pe rezistorul de bază este destul de importantă (dacă tranzistorul este pornit). Pentru un driver de tranzistor NPN de 5V, căderea de tensiune pe rezistor ar trebui să fie mai mare de 3V. Dacă nu există nicio cădere de tensiune pe rezistor, atunci fie tranzistorul, fie dispozitivul de control al tranzistorului este defect. În ambele cazuri, curentul de bază este 0.

Tranzistorul PNP este dispozitiv electronic, într-un anumit sens opusul unui tranzistor NPN. În acest tip de proiectare a tranzistorului, joncțiunile sale PN sunt deschise de tensiuni de polaritate inversă față de tipul NPN. ÎN simbol instrument, săgeata, care determină și terminalul emițătorului, de această dată indică în interiorul simbolului tranzistorului.

Designul dispozitivului

Circuitul de proiectare al unui tranzistor de tip PNP constă din două regiuni de material semiconductor de tip p de fiecare parte a unei regiuni de material de tip n, așa cum se arată în figura de mai jos.

Săgeata identifică emițătorul și direcția general acceptată a curentului său („înăuntru” pentru un tranzistor PNP).

Tranzistorul PNP are caracteristici foarte asemănătoare cu omologul său bipolar NPN, cu excepția faptului că direcțiile curenților și polaritățile tensiunii din el sunt inversate pentru oricare dintre cele trei scheme de conexiune posibile: cu bază comună, Cu emițător comun si cu un colector comun.

Principalele diferențe dintre cele două tipuri de tranzistoare bipolare

Principala diferență dintre ele este că găurile sunt principalii purtători de curent pentru tranzistoarele PNP, tranzistoarele NPN au electroni în această capacitate. Prin urmare, polaritățile tensiunilor care alimentează tranzistorul sunt inversate, iar curentul său de intrare curge de la bază. În schimb, cu un tranzistor NPN, curentul de bază curge în el, așa cum se arată mai jos în schema de circuit pentru conectarea ambelor tipuri de dispozitive cu o bază comună și un emițător comun.

Principiul de funcționare al unui tranzistor de tip PNP se bazează pe utilizarea unui curent de bază mic (cum ar fi cel de tip NPN) și a unei tensiuni de polarizare de bază negative (spre deosebire de tipul NPN) pentru a controla un curent emițător-colector mult mai mare. Cu alte cuvinte, pentru un tranzistor PNP, emițătorul este mai pozitiv față de bază și, de asemenea, față de colector.

Să ne uităm la diferențele dintre tipul PNP în diagrama de conectare cu o bază comună

Într-adevăr, se poate observa că curentul de colector IC (în cazul unui tranzistor NPN) curge de la borna pozitivă a bateriei B2, trece prin borna colectorului, pătrunde în aceasta și trebuie apoi să iasă prin borna de bază pentru a reveni la borna negativă a bateriei. În același mod, privind circuitul emițătorului, puteți vedea cum curentul său de la borna pozitivă a bateriei B1 intră în tranzistor prin borna de bază și apoi pătrunde în emițător.

Astfel, atât curentul de colector I C cât și curentul de emițător I E trec prin borna de bază. Deoarece circulă de-a lungul circuitelor lor în direcții opuse, curentul de bază rezultat este egal cu diferența lor și este foarte mic, deoarece IC este puțin mai mic decât I E. Dar, deoarece acesta din urmă este încă mai mare, direcția de curgere a curentului diferențial (curent de bază) coincide cu I E și, prin urmare, un tranzistor bipolar de tip PNP are un curent care curge din bază, iar unul de tip NPN are un flux de intrare. actual.

Diferențele dintre tipul PNP folosind exemplul unui circuit de conectare cu un emițător comun

În acest nou circuit, joncțiunea PN bază-emițător este deschisă de tensiunea bateriei B1, iar joncțiunea colector-bază este polarizată direcție inversă prin tensiunea bateriei B2. Borna emițătorului este astfel comună pentru circuitele de bază și colectoare.

Curentul total al emițătorului este dat de suma a doi curenți I C și I B; trecând prin terminalul emițătorului într-o direcție. Astfel, avem I E = I C + I B.

În acest circuit, curentul de bază I B pur și simplu „se ramifică” de curentul emițătorului I E, de asemenea, coincizând cu acesta în direcție. În acest caz, un tranzistor de tip PNP are încă un curent care curge de la baza I B, iar un tranzistor de tip NPN are un curent de intrare.

În al treilea dintre circuitele de comutare a tranzistoarelor cunoscute, cu un colector comun, situația este exact aceeași. Prin urmare, nu îl prezentăm pentru a economisi spațiu și timp pentru cititori.

Tranzistor PNP: conectarea surselor de tensiune

Sursa de tensiune de la bază la emițător (V BE) este conectată negativ la bază și pozitivă la emițător, deoarece tranzistorul PNP funcționează atunci când baza este polarizat negativ față de emițător.

Tensiunea de alimentare a emițătorului este de asemenea pozitivă față de colector (V CE). Astfel, cu un tranzistor de tip PNP, terminalul emițătorului este întotdeauna mai pozitiv în raport cu atât bază cât și colector.

Sursele de tensiune sunt conectate la tranzistorul PNP, așa cum se arată în figura de mai jos.

De această dată, colectorul este conectat la tensiunea de alimentare VCC printr-un rezistor de sarcină, R L, care limitează curentul maxim care trece prin dispozitiv. O tensiune de bază VB, care o polarizează negativ față de emițător, îi este aplicată printr-un rezistor RB, care din nou este folosit pentru a limita curentul de bază maxim.

Funcționarea unui etaj tranzistor PNP

Deci, pentru a determina curgerea curentului de bază într-un tranzistor PNP, baza trebuie să fie mai negativă decât emițătorul (curentul trebuie să părăsească baza) cu aproximativ 0,7 volți pentru un dispozitiv cu siliciu sau 0,3 volți pentru un dispozitiv cu germaniu. Formulele utilizate pentru a calcula rezistența de bază, curentul de bază sau curentul de colector sunt aceleași cu cele utilizate pentru un tranzistor NPN echivalent și sunt prezentate mai jos.

Noi vedem asta diferenta fundamentalaîntre tranzistorul NPN și PNP este polarizarea corectă a joncțiunilor pn, deoarece direcțiile curenților și polaritatea tensiunilor din ele sunt întotdeauna opuse. Astfel, pentru circuitul de mai sus: I C = I E - I B, deoarece curentul trebuie să circule de la bază.

În general, un tranzistor PNP poate fi înlocuit cu un tranzistor NPN în majoritatea circuitelor electronice, singura diferență fiind polaritatea tensiunii și direcția curentului. Astfel de tranzistori pot fi, de asemenea, utilizați ca dispozitive de comutare, iar mai jos este prezentat un exemplu de comutator tranzistor PNP.

Caracteristicile tranzistorului

Caracteristicile de ieșire ale unui tranzistor PNP sunt foarte asemănătoare cu cele ale unui tranzistor NPN echivalent, cu excepția faptului că sunt rotite la 180° pentru a permite polaritatea inversă a tensiunilor și curenților (curenții de bază și de colector ai unui tranzistor PNP sunt negativi). În mod similar, pentru a găsi punctele de funcționare ale unui tranzistor PNP, linia de sarcină dinamică poate fi reprezentată în al treilea trimestru al sistemului de coordonate carteziene.

Caracteristicile tipice ale tranzistorului 2N3906 PNP sunt prezentate în figura de mai jos.

Perechi de tranzistori în trepte de amplificator

S-ar putea să vă întrebați care este motivul pentru a utiliza tranzistoarele PNP atunci când există multe tranzistoare NPN disponibile care pot fi folosite ca amplificatoare sau comutatoare cu stare solidă? Cu toate acestea, prezența a doi tipuri variate tranzistoare - NPN și PNP - dă mari beneficii la proiectarea circuitelor amplificatoarelor de putere. Aceste amplificatoare folosesc perechi de tranzistori „complementare” sau „potrivite” (reprezentând un tranzistor PNP și un tranzistor NPN conectați împreună, așa cum se arată în figura de mai jos) în treapta de ieșire.

Două tranzistoare NPN și PNP corespondente cu caracteristici similare, identice între ele, se numesc complementare. De exemplu, TIP3055 (tip NPN) și TIP2955 (tip PNP) sunt bun exemplu tranzistoare de putere complementare cu siliciu. Amândoi au câștig curent continuuβ=I C /I B s-au potrivit cu 10% și curentul ridicat al colectorului de aproximativ 15A, făcându-le ideale pentru controlul motoarelor sau aplicații robotizate.

În plus, amplificatoarele de clasa B folosesc perechi de tranzistoare potrivite în treptele lor de putere de ieșire. În ele, tranzistorul NPN conduce doar jumătatea de undă pozitivă a semnalului, iar tranzistorul PNP conduce doar jumătatea sa negativă.

Acest lucru permite amplificatorului să treacă puterea necesară prin difuzor în ambele direcții la un anumit moment putere nominală si impedanta. Ca urmare, curentul de ieșire, care este de obicei de ordinul mai multor amperi, este distribuit uniform între cele două tranzistoare complementare.

Perechi de tranzistori în circuitele de comandă a motoarelor electrice

Ele sunt, de asemenea, utilizate în circuitele de comandă H-bridge pentru motoarele reversibile de curent continuu, care fac posibilă reglarea uniformă a curentului prin motor în ambele sensuri de rotație a acestuia.

Circuitul H-bridge de mai sus este numit așa deoarece configurația de bază a celor patru comutatoare cu tranzistori seamănă cu litera „H” cu motorul situat pe linia transversală. Puntea H a tranzistorului este probabil unul dintre cele mai utilizate tipuri de circuite reversibile de control al motorului de curent continuu. Folosește perechi „complementare” de tranzistori NPN și PNP în fiecare ramură pentru a acționa ca întrerupătoare pentru a controla motorul.

Intrarea de control A permite motorului să funcționeze într-o singură direcție, în timp ce intrarea B este utilizată pentru rotația inversă.

De exemplu, când tranzistorul TR1 este pornit și TR2 este oprit, intrarea A este conectată la tensiunea de alimentare (+Vcc), iar dacă tranzistorul TR3 este oprit și TR4 este pornit, atunci intrarea B este conectată la 0 volți (GND). Prin urmare, motorul se va roti într-o direcție, corespunzătoare potențialului pozitiv al intrării A și potențialului negativ al intrării B.

Dacă stările comutatorului sunt modificate astfel încât TR1 este oprit, TR2 este pornit, TR3 este pornit și TR4 este oprit, curentul motorului va curge în direcția opusă, determinând inversarea acestuia.

Folosind niveluri logice opuse „1” sau „0” pe intrările A și B, puteți controla sensul de rotație al motorului.

Determinarea tipului de tranzistori

Orice tranzistor bipolar poate fi considerat ca fiind alcătuit în principal din două diode conectate împreună spate în spate.

Putem folosi această analogie pentru a determina dacă un tranzistor este de tip PNP sau NPN testându-i rezistența între cele trei terminale ale sale. Testând fiecare pereche în ambele direcții cu ajutorul unui multimetru, după șase măsurători obținem următorul rezultat:

1. Emițător - Bază. Aceste concluzii ar trebui să acționeze ca diodă obișnuităși conduc curentul doar într-o singură direcție.

2.Colector - Baza. Aceste cabluri ar trebui, de asemenea, să acționeze ca o diodă normală și să conducă curentul doar într-o singură direcție.

3. Emițător - Colector. Aceste concluzii nu trebuie trase în nicio direcție.

Valorile rezistenței de tranziție ale tranzistorilor de ambele tipuri

Apoi putem determina tranzistorul PNP să fie sănătos și închis. Un curent mic de ieșire și o tensiune negativă la baza sa (B) în raport cu emițătorul său (E) îl vor deschide și vor permite să curgă mult mai mult curent emițător-colector. Tranzistoarele PNP conduc la un potențial de emițător pozitiv. Cu alte cuvinte, un tranzistor bipolar PNP va conduce numai dacă bornele de bază și colector sunt negative în raport cu emițătorul.

Exista tipuri diferite dispozitive semiconductoare - tiristoare, triode, acestea sunt clasificate în funcție de scopul și tipul de proiectare. Tranzistoarele bipolare cu semiconductor sunt capabile să transporte două tipuri de sarcini simultan, în timp ce tranzistoarele cu efect de câmp poartă doar una.

Principiul de proiectare și funcționare

Anterior, în loc de tranzistori scheme electrice special cu zgomot redus tuburi vid, dar erau mari ca dimensiuni și funcționau prin incandescență. Tranzistorul bipolar GOST 18604.11-88 este un semiconductor aparat electric, care este un element controlat și se caracterizează printr-o structură cu trei straturi, este utilizat pentru controlul microundelor. Poate fi în carcasă sau fără ea. Ele vin în tipuri p-n-p și n-p-n. În funcție de ordinea straturilor, baza poate fi o placă p sau n pe care se topește un anumit material. Datorită difuziei în timpul producției, se obține un strat de acoperire foarte subțire, dar durabil.

Fotografii - diagrame schematice de conectare

Pentru a determina ce tranzistor se află în fața dvs., trebuie să găsiți săgeata joncțiunii emițătorului. Dacă direcția sa se îndreaptă spre bază, atunci structura este pnp, dacă este departe de ea, atunci npn. Unii analogi polari importați (IGBT și alții) pot avea desemnarea literei tranziție. În plus, există și tranzistori complementari bipolari. Acestea sunt dispozitive care au aceleași caracteristici, dar tipuri diferite conductivitate. O astfel de pereche și-a găsit aplicație în diferite circuite radio. Această caracteristică trebuie luate în considerare dacă este necesară înlocuirea elementelor individuale ale circuitului.

Foto - design

Zona care este situată în centru se numește bază, pe ambele părți ale acesteia sunt emițătorul și colectorul. Baza este foarte subțire, adesea grosimea sa nu depășește câțiva 2 microni. În teorie, există un astfel de lucru ca un tranzistor bipolar ideal. Acesta este un model în care distanța dintre regiunile emițător și colector este aceeași. Dar, adesea, joncțiunea emițătorului (zona dintre bază și emițător) este de două ori mai mare decât joncțiunea colectorului (zona dintre bază și colector).

Fotografii - tipuri de triode bipolare

În funcție de tipul de conexiune și de nivelul puterii transmise, acestea sunt împărțite în:

Frecventa inalta;
Frecventa joasa.

Prin putere:

Putere redusă;
Putere medie;
Putere (este necesar un driver de tranzistor pentru control).

Principiul de funcționare al tranzistoarelor bipolare se bazează pe faptul că cele două joncțiuni din mijloc sunt situate în imediata apropiere una de cealaltă. Acest lucru vă permite să îmbunătățiți semnificativ impulsurile electrice care trec prin ele. Dacă se aplică în diferite zone (zone) energie electrica potențiale diferite, atunci o anumită zonă a tranzistorului se va deplasa. În acest fel sunt foarte asemănătoare cu diodele.

Foto - exemplu

De exemplu, când este pozitiv, se deschide regiune p-n, iar când este negativ se închide. Caracteristica principală Acțiunea tranzistoarelor este aceea că, atunci când orice zonă este deplasată, baza este saturată cu electroni sau locuri libere (găuri), acest lucru permite reducerea potențialului și creșterea conductivității elementului.

Există următoarele specii cheie lucrări:

Modul activ;
a tăia calea;
Dublu sau saturație;
Inversiunea.

Înainte de a determina modul de funcționare în triode bipolare, trebuie să înțelegeți cum diferă între ele. Cele de înaltă tensiune funcționează cel mai adesea în modul activ (cunoscut și ca mod cheie), aici, când este pornită alimentarea, joncțiunea emițătorului este deplasată, iar în secțiunea colector există tensiune inversă. Modul de inversare este opusul celui activ; aici totul este deplasat direct proporțional. Datorită acestui fapt, semnalele electronice sunt mult amplificate.

În timpul întreruperii, toate tipurile de tensiune sunt excluse, nivelul curentului tranzistorului este redus la zero. În acest mod, comutatorul tranzistorului sau trioda cu efect de câmp cu o poartă izolată se deschide, iar dispozitivul se oprește. Există, de asemenea, un mod dual sau funcționare în saturație; cu acest tip de operare, tranzistorul nu poate acționa ca un amplificator. Pe baza acestui principiu de conectare, circuitele funcționează acolo unde nu este necesară amplificarea semnalelor, ci deschiderea și închiderea contactelor.

Datorită diferenței dintre nivelurile de tensiune și curent în diverse moduri, pentru a le determina, puteți verifica tranzistorul bipolar cu un multimetru, de exemplu, în modul de amplificare, un tranzistor n-p-n de lucru ar trebui să arate o schimbare în trepte de la 500 la 1200 ohmi. Principiul de măsurare este descris mai jos.

Scopul principal al tranzistorilor este schimbarea anumite semnale reteaua electricaîn funcţie de indicatorii de curent şi tensiune. Proprietățile lor fac posibilă controlul câștigului prin schimbarea frecvenței curentului. Cu alte cuvinte, este un convertor de rezistență și un amplificator de semnal. Folosit în diverse echipamente audio și video pentru a controla fluxurile de energie electrică de mică putere și ca UMZCH, transformatoare, controlul motoarelor echipamentelor mașini-unelte etc.

Video: cum funcționează tranzistoarele bipolare

Examinare

Cel mai simplu mod de a măsura h21e ale tranzistoarelor bipolare puternice este să le testați cu un multimetru. Pentru a porni o triodă semiconductoare pnp, la bază se aplică o tensiune negativă. Pentru a face acest lucru, multimetrul este comutat în modul ohmmetru la -2000 Ohm. Norma pentru fluctuațiile rezistenței este de la 500 la 1200 ohmi.

Pentru a verifica alte zone, trebuie să aplicați rezistență pozitivă la bază. În timpul acestui test, indicatorul ar trebui să arate mai multă rezistență, altfel trioda este defectă.

Uneori, semnalele de ieșire sunt întrerupte de rezistențe, care sunt instalate pentru a reduce rezistența, dar acum această tehnologie de bypass este rar folosită. Pentru a verifica caracteristicile de rezistență ale impulsurilor n-p-n tranzistoare trebuie să conectați plusul la bază, iar minusul la bornele emițătorului și colectorului.

Caracteristici tehnice și marcaje

Principalii parametri prin care sunt selectate aceste elemente semiconductoare sunt pinout și marcarea culorii.

Fotografie - pinout al triodelor bipolare de putere redusă

Foto - pinout de alimentare

Se folosește și codificarea culorilor.

Fotografii - exemple cod de culoare

Foto - tabel de culori

Multe tranzistoare domestice moderne sunt, de asemenea, desemnate printr-un cod de literă, care include informații despre grup (efect de câmp, bipolar), tip (siliciu etc.), anul și luna de fabricație.

Fotografie - transcriere

Proprietățile de bază (parametrii) triodelor:

Câștig de tensiune;
Tensiune de intrare;
Caracteristici compozite ale frecvenței.

De asemenea, sunt folosite pentru a selecta caracteristici statice, care includ o comparație a caracteristicilor curent-tensiune de intrare și ieșire.

Parametrii necesari pot fi calculați prin calcularea principalelor caracteristici (distribuția curenților în cascadă, calculul modului cheie). Curent colector: Ik=(Ucc-Ukanas)/Rн

Ucc – tensiunea rețelei;
Ukenas – saturație;
Rн – rezistența rețelei.

Pierderi de putere în timpul funcționării:

P=Ik*Ukanas

Puteți cumpăra tranzistoare bipolare SMD, IGBT și altele de la orice magazin de electricitate. Prețul acestora variază de la câțiva cenți la zeci de dolari, în funcție de scop și caracteristici.

Tranzistor bipolar— electronică dispozitiv semiconductor, un tip de tranzistor conceput pentru a amplifica, genera și converti semnale electrice. Tranzistorul este numit bipolar, deoarece două tipuri de purtători de încărcare participă simultan la funcționarea dispozitivului - electroniiȘi găuri. Acesta este modul în care diferă de unipolar tranzistor (cu efect de câmp), în care este implicat un singur tip de purtător de sarcină.

Principiul de funcționare al ambelor tipuri de tranzistoare este similar cu funcționarea unui robinet de apă care reglează fluxul de apă, doar un flux de electroni trece prin tranzistor. În tranzistoarele bipolare, prin dispozitiv trec doi curenți - curentul principal „mare” și curentul „mic” de control. Puterea curentului principal depinde de puterea de control. La tranzistoarele cu efect de câmp, prin dispozitiv trece un singur curent, a cărui putere depinde de câmpul electromagnetic. În acest articol vom arunca o privire mai atentă asupra funcționării unui tranzistor bipolar.

Design tranzistor bipolar.

Un tranzistor bipolar este format din trei straturi semiconductoare și două joncțiuni PN. Tranzistoarele PNP și NPN se disting prin tipul de alternanță a găurii și a conductivității electronilor. Este similar cu două diode conectate față în față sau invers.

Un tranzistor bipolar are trei contacte (electrozi). Contactul care iese din stratul central este numit baza. Electrozii extremi se numesc colectorȘi emițător (colectorȘi emițător). Stratul de bază este foarte subțire față de colector și emițător. În plus, regiunile semiconductoare de la marginile tranzistorului sunt asimetrice. Stratul semiconductor de pe partea colectorului este puțin mai gros decât pe partea emițătorului. Acest lucru este necesar pentru operatiune adecvata tranzistor.

Sa luam in considerare procese fizice, care apare în timpul funcționării tranzistorului bipolar. Să luăm ca exemplu modelul NPN. Principiul de funcționare al unui tranzistor PNP este similar, doar polaritatea tensiunii dintre colector și emițător va fi opusă.

După cum sa menționat deja în articolul despre tipurile de conductivitate în semiconductori, substanțele de tip P conțin ioni încărcați pozitiv - găuri. Substanța de tip N este saturată cu electroni încărcați negativ. Într-un tranzistor, concentrația de electroni în regiunea N depășește semnificativ concentrația de găuri din regiunea P.

Să conectăm o sursă de tensiune între colector și emițător V CE (V CE). Sub acțiunea sa, electronii din partea superioară N vor începe să fie atrași de plus și să se adune lângă colector. Totuși, curentul nu va putea circula deoarece câmpul electric al sursei de tensiune nu ajunge la emițător. Acest lucru este prevenit printr-un strat gros de semiconductor colector plus un strat de semiconductor de bază.

Acum să conectăm tensiunea dintre bază și emițător V BE , dar semnificativ mai mică decât V CE (pentru tranzistoarele cu siliciu, V BE minim necesar este de 0,6 V). Deoarece stratul P este foarte subțire, plus o sursă de tensiune conectată la bază, va putea „atinge” cu câmpul său electric regiunea N a emițătorului. Sub influența sa, electronii vor fi direcționați către bază. Unii dintre ei vor începe să umple găurile situate acolo (recombine). Cealaltă parte nu va găsi o gaură liberă, deoarece concentrația de găuri din bază este mult mai mică decât concentrația de electroni din emițător.

Ca urmare, stratul central al bazei este îmbogățit cu electroni liberi. Majoritatea vor merge spre colector, deoarece acolo tensiunea este mult mai mare. Acest lucru este facilitat și de grosimea foarte mică a stratului central. O parte din electroni, deși mult mai mică, va curge în continuare spre partea plus a bazei.

Ca urmare, obținem doi curenți: unul mic - de la bază la emițătorul I BE și unul mare - de la colector la emițătorul I CE.

Dacă creșteți tensiunea la bază, atunci și mai mulți electroni se vor acumula în stratul P. Ca urmare, curentul de bază va crește ușor, iar curentul colectorului va crește semnificativ. Prin urmare, cu o ușoară modificare a curentului de bază I B , curentul colectorului I se modifică foarte mult S. Așa se întâmplă. amplificarea semnalului într-un tranzistor bipolar. Raportul dintre curentul colectorului I C și curentul de bază I B se numește câștig de curent. Desemnat β , hfe sau h21e, in functie de specificul calculelor efectuate cu tranzistorul.

Cel mai simplu amplificator cu tranzistor bipolar

Să luăm în considerare mai detaliat principiul amplificării semnalului în plan electric folosind exemplul unui circuit. Permiteți-mi să fac o rezervă în avans că această schemă nu este în întregime corectă. Nimeni nu conectează o sursă de tensiune DC direct la o sursă AC. Dar în în acest caz,, acest lucru va fi mai ușor și mai clar pentru înțelegerea mecanismului de amplificare în sine folosind un tranzistor bipolar. De asemenea, tehnica de calcul în sine din exemplul de mai jos este oarecum simplificată.

1.Descrierea elementelor principale ale circuitului

Deci, să presupunem că avem un tranzistor cu un câștig de 200 (β = 200). Din partea colectorului ne conectăm relativ sursă puternică alimentare la 20V, datorită energiei căreia se va produce amplificarea. De la baza tranzistorului conectăm o sursă slabă de alimentare de 2V. Vom conecta la acesta în serie o sursă de tensiune alternativă sub formă de undă sinusoidală, cu o amplitudine de oscilație de 0,1V. Acesta va fi un semnal care trebuie amplificat. Rezistorul Rb lângă bază este necesar pentru a limita curentul provenit de la sursa semnalului, de obicei cu putere redusă.

2. Calculul curentului de intrare de bază I b

Acum să calculăm curentul de bază I b. Deoarece avem de-a face cu tensiune alternativă, trebuie să calculăm două valori ale curentului - la tensiune maxima(V max) și minim (V min). Să numim aceste valori curente, respectiv - I bmax și I bmin.

De asemenea, pentru a calcula curentul de bază, trebuie să cunoașteți tensiunea bază-emițător V BE. Există o joncțiune PN între bază și emițător. Se pare că curentul de bază „se întâlnește” pe drum dioda semiconductoare. Tensiunea la care o diodă semiconductoare începe să conducă este de aproximativ 0,6 V. Nu vom intra în detalii despre caracteristicile curent-tensiune ale diodei și, pentru simplitatea calculelor, vom lua un model aproximativ, conform căruia tensiunea pe dioda purtătoare de curent este întotdeauna 0,6V. Aceasta înseamnă că tensiunea dintre bază și emițător este V BE = 0,6 V. Și deoarece emițătorul este conectat la masă (V E = 0), tensiunea de la bază la masă este de asemenea de 0,6 V (V B = 0,6 V).

Să calculăm I bmax și I bmin folosind legea lui Ohm:

2. Calculul curentului de ieșire al colectorului I C

Acum, cunoscând câștigul (β = 200), puteți calcula cu ușurință maximul și valoarea minima curent de colector (I cmax si I cmin).

3. Calculul tensiunii de ieșire V out

Curentul colectorului trece prin rezistorul Rc, pe care l-am calculat deja. Rămâne să înlocuim valorile:

4. Analiza rezultatelor

După cum se poate observa din rezultate, V Cmax sa dovedit a fi mai mic decât V Cmin. Acest lucru se datorează faptului că tensiunea pe rezistorul V Rc este scăzută din tensiunea de alimentare VCC. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, acest lucru nu contează, deoarece suntem interesați de componenta variabilă a semnalului - amplitudinea, care a crescut de la 0,1 V la 1 V. Frecvența și forma sinusoidală a semnalului nu s-au schimbat. Desigur, raportul V out / V în zece ori este departe de cel mai bun indicator pentru un amplificator, dar este destul de potrivit pentru ilustrarea procesului de amplificare.

Deci, să rezumăm principiul de funcționare al unui amplificator bazat pe un tranzistor bipolar. Un curent I b circulă prin bază, purtând componente constante și variabile. Este necesară o componentă constantă, astfel încât joncțiunea PN dintre bază și emițător să înceapă să conducă - „se deschide”. Componenta variabilă este, de fapt, semnalul însuși (informații utile). Curentul colector-emițător din interiorul tranzistorului este rezultatul curentului de bază înmulțit cu câștigul β. La rândul său, tensiunea pe rezistorul Rc deasupra colectorului este rezultatul înmulțirii curentului amplificat al colectorului cu valoarea rezistorului.

Astfel, pinul V out primește un semnal cu o amplitudine de oscilație crescută, dar cu aceeași formă și frecvență. Este important de subliniat că tranzistorul preia energie pentru amplificare de la sursa de alimentare VCC. Dacă tensiunea de alimentare este insuficientă, tranzistorul nu va putea funcționa complet, iar semnalul de ieșire poate fi distorsionat.

Moduri de funcționare ale unui tranzistor bipolar

În conformitate cu nivelurile de tensiune de pe electrozii tranzistorului, există patru moduri de funcționare a acestuia:

Modul Cut off.
Modul activ.
Modul de saturație.
Modul invers.

Modul de întrerupere

Când tensiunea bază-emițător este mai mică de 0,6 V - 0,7 V, joncțiunea PN dintre bază și emițător este închisă. În această stare, tranzistorul nu are curent de bază. Ca urmare, nu va exista nici un curent de colector, deoarece nu există electroni liberi în bază gata să se deplaseze către tensiunea colectorului. Se pare că tranzistorul este, parcă, blocat și ei spun că este înăuntru modul de întrerupere.

Modul activ

ÎN modul activ Tensiunea de la bază este suficientă pentru ca joncțiunea PN dintre bază și emițător să se deschidă. În această stare, tranzistorul are curenți de bază și de colector. Curentul colectorului este egal cu curentul de bază înmulțit cu câștigul. Adică, modul activ este modul normal de funcționare al tranzistorului, care este utilizat pentru amplificare.

Modul de saturație

Uneori, curentul de bază poate fi prea mare. Ca rezultat, puterea de alimentare pur și simplu nu este suficientă pentru a furniza o astfel de mărime a curentului de colector care ar corespunde câștigului tranzistorului. În modul de saturație, curentul colectorului va fi maximul pe care îl poate furniza sursa de alimentare și nu va depinde de curentul de bază. În această stare, tranzistorul nu este capabil să amplifice semnalul, deoarece curentul colectorului nu răspunde la modificările curentului de bază.

În modul de saturație, conductivitatea tranzistorului este maximă și este mai potrivită pentru funcționarea unui comutator (comutator) în starea „pornit”. În mod similar, în modul de întrerupere, conductivitatea tranzistorului este minimă, iar aceasta corespunde comutării în starea oprită.

Modul invers

ÎN acest mod colectorul și emițătorul își schimbă rolurile: joncțiunea PN a colectorului este polarizată în direcția înainte, iar joncțiunea emițătorului este polarizată în direcția opusă. Ca urmare, curentul curge de la bază la colector. Regiunea semiconductorului colector este asimetrică față de emițător, iar câștigul în modul invers este mai mic decât în modul activ normal. Tranzistorul este proiectat în așa fel încât să funcționeze cât mai eficient posibil în modul activ. Prin urmare, tranzistorul practic nu este utilizat în modul invers.

Parametrii de bază ai unui tranzistor bipolar.

Câștig curent– raportul dintre curentul colectorului I C și curentul de bază I B. Desemnat β , hfe sau h21e, in functie de specificul calculelor efectuate cu tranzistoare.

β este o valoare constantă pentru un tranzistor și depinde de structura fizică a dispozitivului. Un câștig mare este calculat în sute de unități, un câștig scăzut - în zeci. Pentru două tranzistoare separate de același tip, chiar dacă au fost „vecini de conductă” în timpul producției, β poate fi ușor diferit. Această caracteristică a unui tranzistor bipolar este poate cea mai importantă. Dacă alți parametri ai dispozitivului pot fi adesea neglijați în calcule, atunci câștigul curent este aproape imposibil.

Impedanta de intrare– rezistența în tranzistor care „întâlnește” curentul de bază. Desemnat Rin (R în). Cu cât este mai mare, cu atât este mai bine pentru caracteristicile de amplificare ale dispozitivului, deoarece sursa este de obicei situată pe partea de bază. semnal slab, care trebuie să consume cât mai puțin curent. Opțiunea ideală este atunci când impedanța de intrare este infinită.

Intrarea R pentru un tranzistor bipolar mediu este de câteva sute de KΩ (kilo-ohmi). Aici tranzistorul bipolar pierde foarte mult tranzistor cu efect de câmp, unde impedanța de intrare atinge sute de GΩ (gigaohmi).

Conductivitate la ieșire- conductivitatea tranzistorului dintre colector și emițător. Cu cât conductivitatea de ieșire este mai mare, cu atât mai actuale iar colectorul-emițător va putea trece prin tranzistor la putere mai mică.

De asemenea, cu o creștere a conductibilității de ieșire (sau o scădere a rezistenței de ieșire), capacitate maximă, pe care amplificatorul le poate rezista cu pierderi minore în câștigul total. De exemplu, dacă un tranzistor cu conductivitate scăzută de ieșire amplifică semnalul de 100 de ori fără sarcină, atunci când este conectată o sarcină de 1 KΩ, acesta va amplifica deja de numai 50 de ori. Un tranzistor cu același câștig, dar o conductanță de ieșire mai mare va avea o scădere a câștigului mai mică. Opțiunea ideală este atunci când conductivitatea de ieșire este infinită (sau rezistența de ieșire R out = 0 (R out = 0)).

Denumirea tranzistorului dispozitivului semiconductor este format din două cuvinte: transfer - transfer+ rezista - rezistenta. Pentru că poate fi într-adevăr reprezentată sub forma unei rezistențe, care va fi reglată de tensiunea unui electrod. Un tranzistor este uneori numit și triodă semiconductoare.

Primul tranzistor bipolar a fost creat în 1947, iar în 1956, trei oameni de știință au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru invenția sa.

Un tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor care constă din trei semiconductori cu tipuri alternative de conductivitate a impurităților. Un electrod este conectat și scos la fiecare strat. Un tranzistor bipolar folosește simultan sarcini ai căror purtători sunt electroni ( n - „negativ”) și găuri (p – „pozitiv "), adică purtători de două tipuri, de unde formarea prefixului numelui „bi” - doi.

Tranzistoarele diferă prin tipul de alternanță a stratului:

P n p -tranzistor (conductie directa);

Npn- tranzistor (conducție inversă).

Baza (B) este un electrod care este conectat la stratul central al tranzistorului bipolar. Electrozii din straturile exterioare se numesc emițător (E) și colector (K).

Figura 1 – Proiectarea tranzistorului bipolar

Diagramele indică „ VT „, în documentația veche în limba rusă puteți găsi denumirile „T”, „PP” și „PT”. Tranzistoarele bipolare sunt reprezentate pe circuitele electrice, în funcție de alternanța conductivității semiconductoarelor, după cum urmează:

Figura 2 – Denumirea tranzistoarelor bipolare

În figura 1 de mai sus, diferența dintre colector și emițător nu este vizibilă. Dacă vă uitați la o reprezentare simplificată în secțiune transversală a unui tranzistor, puteți vedea că zona p-n Tranziția colectorului este mai mare decât cea a emițătorului.

Figura 3 – Secțiunea transversală a tranzistorului

Baza este realizată dintr-un semiconductor cu conductivitate slabă, adică rezistența materialului este mare. Condiție obligatorie– un strat de bază subțire pentru a permite producerea unui efect de tranzistor. Din zona de contact p-n Deoarece joncțiunile colectorului și emițătorului sunt diferite, polaritatea conexiunii nu poate fi schimbată. Această caracteristică clasifică tranzistorul ca un dispozitiv asimetric.

Un tranzistor bipolar are două caracteristici curent-tensiune (caracteristici volt-ampere): intrare și ieșire.

Caracteristica curent-tensiune de intrare este dependența curentului de bază ( eu B ) de la tensiunea bază-emițător ( U FI).

Figura 4 – Caracteristica curent-tensiune de intrare a unui tranzistor bipolar

Caracteristica curent-tensiune de ieșire este dependența de curentul colectorului ( eu K ) de la tensiunea colector-emițător ( U KE).

Figura 5 – Caracteristica curent-tensiune de ieșire a tranzistorului

Să ne uităm la principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar. tip npn, pentru pnp în mod similar, numai că nu electronii sunt considerați, ci găurile.Tranzistorul are două joncțiuni p-n. În modul de funcționare activ, unul dintre ele este conectat cu polarizare directă, iar celălalt cu polarizare inversă. Când joncțiunea EB este deschisă, electronii de la emițător se deplasează cu ușurință la bază (are loc recombinarea). Dar, așa cum am menționat mai devreme, stratul de bază este subțire și conductivitatea sa este scăzută, astfel încât unii electroni au timp să se deplaseze la joncțiunea bază-colector. Câmpul electric ajută la depășirea (întărirea) barierei de tranziție a stratului, deoarece electronii sunt purtători minoritari aici. Pe măsură ce curentul de bază crește, joncțiunea emițător-bază se va deschide din ce în ce mai mulți electroni vor putea curge de la emițător la colector. Curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază și cu o mică modificare a acestuia din urmă (control), curentul colectorului se modifică semnificativ. Acesta este modul în care semnalul este amplificat într-un tranzistor bipolar.

Figura 6 – Modul activ de funcționare a tranzistorului

Privind poza, poți explica principiul de funcționare al unui tranzistor putin mai simplu. Imaginează-ți că KE este o conductă de apă, iar B este un robinet cu ajutorul căruia poți controla debitul de apă. Adică, cu cât aplicați mai mult curent la bază, cu atât veți obține mai mult la ieșire.

Valoarea curentului de colector este aproape egală cu curentul emițătorului, excluzând pierderile de recombinare în bază, care formează curentul de bază, deci formula este valabilă:

I E = I B + I K.

Parametrii de bază ai tranzistorului:

Câștigul de curent este raportul dintre valoarea efectivă a curentului de colector și curentul de bază.

Rezistența de intrare - urmând legea lui Ohm, va fi egală cu raportul de tensiune emițător-bază U EB pentru a controla curentul I B .

Câștig de tensiune – parametrul este determinat de raportul dintre tensiunea de ieșire U EC pentru a introduce U BE.

Răspunsul în frecvență descrie capacitatea unui tranzistor de a funcționa până la un anumit frecvența de tăiere semnal de intrare. După depășirea frecvenței maxime, procesele fizice din tranzistor nu vor avea timp să apară, iar abilitățile sale de amplificare se vor reduce la nimic.

Circuite de comutare pentru tranzistoare bipolare

Pentru a conecta tranzistorul, avem la dispoziție doar cele trei terminale ale sale (electrozi). Prin urmare pentru el operatie normala Sunt necesare două surse de alimentare. Un electrod al tranzistorului se va conecta la două surse simultan. În consecință, există 3 scheme de conectare pentru un tranzistor bipolar: OE - cu un emițător comun, OB - o bază comună, OK - un colector comun. Fiecare are atât avantaje, cât și dezavantaje; în funcție de aplicație și de caracteristicile necesare, alegerea conexiunii se face.

Circuitul de conectare cu un emițător comun (CE) se caracterizează prin cea mai mare amplificare a curentului, respectiv a tensiunii și a puterii. La această legătură tensiunea alternativă de ieșire este deplasată cu 180 de grade electrice față de intrare. Principalul dezavantaj este răspunsul la frecvență joasă, adică valoarea scăzută a frecvenței de tăiere, care nu face posibilă utilizarea acestuia cu un semnal de intrare de înaltă frecvență.

(OB) oferă excelent raspuns in frecventa. Dar nu oferă un câștig de tensiune a semnalului atât de mare ca în cazul OE. Și amplificarea curentului nu are loc deloc, așadar această diagramă numit adesea adept curent deoarece are proprietatea de stabilizare a curentului.

Circuitul cu un colector comun (CC) are aproape același câștig de curent ca și cu OE, dar câștigul de tensiune este aproape egal cu 1 (puțin mai mic). Decalajul de tensiune nu este tipic pentru această diagramă de conectare. De asemenea, îl numesc un adept emițător, deoarece tensiunea de ieșire ( U EB ) corespund tensiunii de intrare.

Aplicarea tranzistoarelor:

Circuite amplificatoare;

Generatoare de semnal;

Chei electronice.