Bipolar transistörler: devreler, modlar, modelleme

Transistör, üç mühendis ve Shockley, Bradstein, Bardin'in çalışması sayesinde 1948'de (1947) ortaya çıktı. O günlerde, hızlı gelişimleri ve popülerleşmeleri henüz beklenmiyordu. 1949'daki Sovyetler Birliği'nde, transistörün prototipi Krasilov laboratuvarı tarafından bilim dünyasına sunuldu, bu bir C1-C4 triyoduydu (germanyum). Transistör terimi daha sonra 50'li veya 60'lı yıllarda ortaya çıktı.

Bununla birlikte, portatif radyoların modaya dönüştüğü 60'lı yılların sonlarında ve 70'lerin başında yaygın kullanım buldular. Bu arada, uzun süredir "transistör" olarak adlandırılıyorlar. Bu isim, elektronik tüpleri radyo mühendisliğinde bir devrime neden olan yarı iletken elemanlarla değiştirmeleri nedeniyle sıkışmıştı.

Yarı iletken nedir?

Transistörler yarı iletken malzemelerden, örneğin silikondan yapılır, germanyum daha önce popülerdi, ancak şimdi sıcaklık ve diğer şeyler açısından yüksek maliyeti ve daha kötü parametreleri nedeniyle nadiren bulunur.

Yarı iletkenler iletkenlikte iletkenler ve dielektrikler arasında bir yer tutan malzemelerdir. Dirençleri iletkenlerden milyon kat, dielektriklerden yüz milyonlarca kat daha azdır. Ek olarak, akımın içinden akmaya başlaması için, yük taşıyıcılarının değerlik bandından iletim bandına hareket etmesi için bant boşluğunu aşan bir voltaj uygulanması gerekir.

Yasak bölgenin iletkenleri bu şekilde mevcut değildir. Bir yük taşıyıcı (elektron), sadece harici voltajın etkisi altında değil, aynı zamanda ısıdan da iletim bandına hareket edebilir - buna termal akım denir. Yarı iletkenin ışık akısının ışınlanmasından kaynaklanan akıma foto-akım denir. Fotodirençler, fotodiyotlar ve diğer ışığa duyarlı elemanlar bu prensipte çalışır.

Karşılaştırma için dielektrik ve iletkenlere bakın:

Oldukça açık. Diyagramlar dielektriklerin hala akım yürütebildiğini gösterir, ancak bu yasak bölgenin üstesinden geldikten sonra olur. Pratikte buna dielektrik arıza gerilimi denir.

Bu nedenle, germanyum ve silikon yapılar arasındaki fark, germanyum için bant boşluğunun 0.3 eV (elektron volt) seviyesinde olması ve silikonun 0.6 eV'den fazla olmasıdır. Bir yandan, bu daha fazla kayba neden olur, ancak silikon kullanımı teknolojik ve ekonomik faktörlerden kaynaklanır.

Dopingin bir sonucu olarak, bir yarı iletken pozitif (delikler) veya negatif (elektronlar) ek yük taşıyıcıları alır, buna p- veya n-tipi yarı iletken denir. “Pn junction” ibaresini duymuş olabilirsiniz. Bu, farklı tipteki yarı iletkenler arasındaki sınırdır. Yüklerin hareketinin bir sonucu olarak, ana yarı iletkene her bir katışkı tipinde iyonize parçacıkların oluşumu, potansiyel bir bariyer oluşur, akımın her iki yönde de akmasına izin vermez, bu konuda daha fazla bilgi kitapta açıklanmıştır "Transistör kolaydır.".

Ek yük taşıyıcıların (yarı iletkenlerin dopingi) tanıtımı, yarı iletken aygıtların oluşturulmasını mümkün kıldı: diyotlar, transistörler, tristörler, vb. önceki makalede.

İleri sapmaya bir voltaj uygularsanız, yani. P bölgesine pozitif akacağım ve n bölgesine negatif akım akacak ve tersi doğruysa akım akmayacak. Gerçek şu ki, doğrudan önyargı ile, p bölgesinin (delik) ana taşıyıcıları pozitiftir ve güç kaynağının pozitif potansiyelinden uzaklaşmak, daha olumsuz bir potansiyele sahip bölgeye eğilim gösterir.

Aynı zamanda, n bölgesinin negatif taşıyıcıları güç kaynağının negatif kutbundan uzaklaşır. Her iki taşıyıcı da arabirime (pn eklemi) eğilimlidir.Geçiş daralıyor ve taşıyıcılar, karşıt yüklere sahip alanlarda hareket ederek potansiyel bariyerin üstesinden geliyor ve onlarla birlikte birleşiyorlar ...

Ters bir yanlılık gerilimi uygulanırsa, p bölgesinin pozitif taşıyıcıları güç kaynağının negatif elektroduna doğru hareket eder ve n bölgesinden gelen elektronlar pozitif elektroda doğru hareket eder. Geçiş genişler, akım akmaz.

Ayrıntılara girmezseniz, bu bir yarı iletken içinde gerçekleşen süreçleri anlamak için yeterlidir.

Transistörün koşullu grafik tanımı

Rusya Federasyonu'nda, aşağıdaki resimde gördüğünüz gibi böyle bir transistör ataması benimsenmiştir. Toplayıcıda bir ok yoktur, yayıcıda bir ok vardır ve taban, yayıcı ve toplayıcı arasındaki hatta diktir. Verici üzerindeki ok, akım akışının yönünü gösterir (artıdan eksi). NPN yapısı için, yayıcı ok tabandan yönlendirilir ve PNP için tabana yönlendirilir.

Dahası, aynı atama genellikle şemalarda bulunur, ancak bir daire yoktur. Standart harf tanımı “VT” ve diyagramdaki sıraya göre sayıdır, bazen sadece “T” yazarlar.

 

Dairesel olmayan transistörlerin görüntüsü

Transistör nedir?

Bir transistör, bir sinyali yükseltmek ve salınımlar oluşturmak için tasarlanmış aktif bir yarı iletken cihazdır. Vakum tüplerini değiştirdi - triyotlar. Transistörlerin genellikle üç bacağı vardır - bir toplayıcı, yayıcı ve taban. Baz kontrol elektrottur, ona akım sağlar, toplayıcı akımını kontrol ederiz. Böylece, küçük bir taban akımı yardımıyla, güç devresindeki büyük akımları düzenleriz ve sinyal güçlendirilir.

Bipolar transistörler doğrudan ileri (PNP) ve ters iletkenliktir (NPN). Yapıları aşağıda tasvir edilmiştir. Tipik olarak, baz daha küçük bir hacimde yarı iletken kristal kaplar.

karakteristikleri

Bipolar transistörlerin ana özellikleri:

• Ic - maksimum kolektör akımı (daha yüksek olamaz - yanar);

• Ucemax - toplayıcı ve verici arasında uygulanabilecek maksimum voltaj (yukarıdakiler imkansız - kırılacaktır);

• Ucesat, transistörün doygunluk voltajıdır. Doygunluk modunda voltaj düşüşü (daha küçük, açık durumda ve ısıtmada daha az kayıp);

• Β veya H21E - transistörün kazanımı, Ik / Ib'ye ​​eşit. Transistör modeline bağlıdır. Örneğin, 100'lük bir kazançta, 1 mA tabanından geçen bir akımda, 100 mA'lık bir akım toplayıcı vb. İçinden akacaktır.

Transistör akımları hakkında söylemeye değer, üç tane var:

1. Taban akımı.

2. Toplayıcı akımı.

3. Yayıcı akımı - baz akımı ve yayıcı akımını içerir.

Çoğu zaman, yayıcı akımı düşer çünkü neredeyse toplayıcı akımından büyüklükte farklı değildir. Tek fark, kolektör akımının, baz akımın değeri ile yayıcı akımından daha az olmasıdır ve transistörler yüksek bir kazanca (100 diyelim) sahiptir, daha sonra vericiden 1A akımda, 10mA tabandan ve 990mA toplayıcıdan akacaktır. Katılıyorum, bu elektronik çalışırken zaman geçirmek için yeterince küçük bir fark. Bu nedenle, özellikleri ve belirtilen Icmax.

Çalışma modları

Transistör farklı modlarda çalışabilir:

1. Doygunluk modu. Basit bir deyişle, bu, transistörün maksimum açık durumda olduğu moddur (her iki geçiş de ileri yönde önyargılıdır).

2. Kesme modu, akım akmadığında ve transistörün kapalı olduğu moddur (her iki geçiş de ters yönde eğimlidir).

3. Aktif mod (kolektör tabanı ters yönde ve verici taban ileri yönde eğimlidir).

4. Ters aktif mod (kolektör tabanı ileri yönde, verici verici ise ters yönde eğimlidir), ancak nadiren kullanılır.

Tipik transistör anahtarlama devreleri

Üç tipik transistör anahtarlama devresi vardır:

1. Genel üs.

2. Genel verici.

3. Ortak koleksiyoncu.

Giriş devresi yayıcı taban olarak kabul edilir ve çıkış devresi toplayıcı yayıcıdır. Oysa giriş akımı temel akım ve çıkış sırasıyla kolektör akımıdır.

Anahtarlama devresine bağlı olarak, akımı veya voltajı yükseltiriz.Ders kitaplarında, sadece bu tür içerme planlarını dikkate almak gelenekseldir, ancak pratikte çok açık görünmemektedir.

Devreyi ortak bir toplayıcı ile açtığımızda, akımı yükseltiriz ve giriş ve çıkışta faz (fazdaki giriş ile aynı) voltajı alırız ve ortak bir vericili devrede voltaj ve ters voltaj kazancını alırız (çıkış, giriş). Makalenin sonunda, bu devreleri simüle edeceğiz ve bunu açıkça göreceğiz.

Transistör Anahtar Modellemesi

İlk bakacağımız model anahtar mod transistörü. Bunu yapmak için, aşağıdaki şekilde olduğu gibi bir devre oluşturmanız gerekir. Akım 0.1A olan bir yük ekleyeceğimizi, rolünün toplayıcı devresine monte edilen direnç R3 tarafından oynanacağını varsayalım.

Deneylerin bir sonucu olarak, seçilen transistör modelinin h21E'sinin, bu arada, MJE13007'deki veri sayfasında 8'den 40'a kadar olduğunu söyledi.

Taban akımı 5mA civarında olmalıdır. Bölücü, taban akımının bölücü akımı üzerinde minimum etkiye sahip olacağı şekilde hesaplanır. Böylece transistör açıldığında belirtilen voltaj yüzer. Bu nedenle, mevcut bölücü 100mA'yı ayarlar.

Rbrosch = (12V - 0,6v) /0,005= 2280 Ohm

Bu hesaplanmış bir değerdir, bunun sonucunda akımlar aşağıdaki gibi ortaya çıkmıştır:

5mA temel akımda, yükteki akım yaklaşık 100mA idi, voltaj transistörde 0.27V'a düşer.

Ne aldık?

Akımı kontrol akımının 20 katı olan bir yükü kontrol edebiliriz. Daha fazla yükseltmek için, kontrol akımını azaltarak kaskat çoğaltabilirsiniz. Veya başka bir transistör kullanın.

Kollektör akımı yük direnci ile sınırlıydı, çünkü deney yük direncini 0 Ohm yapmaya karar verdim, sonra transistörden geçen akım taban akımı ve kazancı tarafından ayarlandı. Sonuç olarak, akımlar gördüğünüz gibi pratik olarak farklı değildir.

Transistör tipinin ve kazancının akımlar üzerindeki etkisini izlemek için, devre parametrelerini değiştirmeden değiştiririz.

Transistörü MJE13007'den MJE18006'ya değiştirdikten sonra devre çalışmaya devam etti, ancak transistöre 0,14 V düşüyor, bu aynı akımda bu transistörün daha az ısınacağı anlamına geliyor, çünkü sıcağında öne çıkacak

Pot = 0.14V * 0.1A = 0.014W,

Ve önceki durumda:

Potprevious = 0.27V * 0.1A = 0.027W

Fark neredeyse iki kat, eğer watt'ın onda biri kadar önemli değilse, onlarca amper akımında ne olacağını hayal edin, o zaman kayıpların gücü 100 kat artacaktır. Bu, tuşların aşırı ısınmasına ve başarısız olmasına yol açar.

Isıtma sırasında açığa çıkan ısı cihazdan yayılır ve komşu bileşenlerin çalışmasında sorunlara neden olabilir. Bunun için tüm güç elemanları radyatörlere monte edilir ve bazen aktif soğutma sistemleri (soğutucu, sıvı vb.) Kullanılır.

Ek olarak, artan sıcaklıkla birlikte, yarı iletkenin iletkenliği artar, bunlar içinden akan akım da artar, bu da sıcaklıkta bir artışa neden olur. Akımı ve sıcaklığı arttırma çığ benzeri süreç sonuçta anahtarı öldürecektir.

Sonuç şudur: Açık durumda transistör boyunca voltaj düşüşü ne kadar küçük olursa, ısınması o kadar az olur ve tüm devrenin verimliliği o kadar yüksek olur.

Anahtardaki voltaj düşüşü, bundan emin olmak için daha güçlü bir anahtar, daha yüksek bir kazançla yerleştirmemiz nedeniyle yükü devreden kaldırdığımız için küçüldü. Bunu yapmak için, yine R3 = 0 Ohm ayarladım. Kollektör akımı 219mA oldu, aynı devrede MJE13003'te yaklaşık 130mA idi, bu da bu transistörün modelindeki H21E'nin iki kat daha büyük olduğu anlamına geliyor.

Belirli bir örneğe bağlı olarak bir modelin kazancının onlarca veya yüzlerce kez değişebileceğini belirtmek gerekir. Bu, analog devrelerin ayarlanmasını ve ayarlanmasını gerektirir. Bu programda, transistör modellerinde sabit katsayılar kullanılıyor, seçtiklerinin mantığını biliyorum. Veri sayfasındaki MJE18006'da, maksimum H21E oranı 36'dır.

AC amplifikatör simülasyonu

Verilen model, ona alternatif bir sinyal ve devreye dahil edilmesi için basit bir devre uygulandığında anahtarın davranışını gösterir. Müzikal bir güç amplifikatörü devresine benzer.

Genellikle seri bağlantılı birkaç kaskad kullanırlar. Kaskadların sayısı ve şemaları, güç devreleri amplifikatörün çalıştığı sınıfa (A, B, vb.) Bağlıdır. Doğrusal modda çalışan en basit A ​​sınıfı amplifikatörü simüle edeceğim, giriş ve çıkış voltajının dalga formlarını alacağım.

Direnç R1, transistörün çalışma noktasını ayarlar. Ders kitaplarında, transistörün CVC'sinin düz bir segmentinde böyle bir nokta bulmanız gerektiğini yazıyorlar. Eğilim voltajı çok düşükse, sinyalin alt yarı dalgası bozulur.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Değişken bileşeni sabitten ayırmak için kapasitörlere ihtiyaç vardır. Dirençler R2, anahtarın çalışma modunu ayarlamak ve çalışma akımlarını ayarlamak için kurulur. Dalga formlarına bakalım. Genliği 10mV ve frekansı 10.000 Hz olan bir sinyal veriyoruz. Çıkış genliği neredeyse 2V'dur.

Macenta çıkış dalga formunu, kırmızı ise giriş dalga formunu gösterir.

Sinyalin ters çevrildiğini lütfen unutmayın, yani. çıkış sinyali girişe göre ters çevrilir. Bu ortak bir yayıcı devrenin bir özelliğidir. Şemaya göre, sinyal toplayıcıdan çıkarılır. Bu nedenle, transistör açıldığında (giriş sinyali yükseldiğinde), üzerindeki voltaj düşecektir. Giriş sinyali düştüğünde, transistör kapanmaya başlar ve voltaj yükselmeye başlar.

Bu şema, sinyal iletim kalitesi açısından en yüksek kalite olarak kabul edilir, ancak bunun için kayıp gücü ile ödeme yapmanız gerekir. Gerçek şu ki, hiçbir sinyalin girilmediği bir durumda, transistör her zaman açıktır ve akımı iletir. Sonra ısı açığa çıkar:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE, bir giriş sinyali olmadığında bir transistördeki düşüştür.

Bu en basit amplifikatör devresidir, diğer herhangi bir devre benzer şekilde çalışır, sadece elemanların ve bunların kombinasyonlarının bağlantısı farklıdır. Örneğin, bir B Sınıfı transistör amplifikatörü, her biri kendi yarım dalgası için çalışan iki transistörden oluşur.

Farklı iletkenliklere sahip transistörler burada kullanılır:

• VT1, NPN'dir;

• VT2 - PNP.

Değişken giriş sinyalinin pozitif kısmı üst transistörü ve negatif - alt olanı açar.

Bu şema, transistörlerin tamamen açılıp kapanması nedeniyle daha fazla verimlilik sağlar. Sinyal olmadığında - her iki transistörün de kapalı olması nedeniyle, devre akım tüketmez, bu nedenle kayıp olmaz.

Sonuç

Elektronik yapacaksanız transistörün çalışmasını anlamak çok önemlidir. Bu alanda, sadece şemaların nasıl birleştirileceğini öğrenmek değil, aynı zamanda bunları analiz etmek de önemlidir. Sistematik bir çalışma ve cihazların anlaşılması için, akımların nerede ve nasıl akacağını anlamanız gerekir. Bu, hem montajda hem de devrelerin ayarlanması ve onarımında yardımcı olacaktır.

Makaleyi aşırı yüklememek için nüansları ve faktörlerin çoğunu kasıtlı olarak atladığımı belirtmek gerekir. Aynı zamanda, hesaplamalardan sonra, hala toplama dirençleri. Modellemede bunu yapmak kolaydır. Fakat pratikte akımları ve gerilimleri bir multimetre ile ölçünve ideal olarak osiloskopgiriş ve çıkış dalga formlarının eşleşip eşleşmediğini kontrol etmek için aksi halde bozulma olur.