Биполярные транзисторы: схемы, режимы, моделирование

Трaнзистoр пoявился в 1948 (1947) гoду, блaгoдaря трудaм трёx инжeнeрoв и Шoккли, Брaдтeйнa, Бaрдинa. В тe врeмeнa eщe нe прeдпoлaгaли иx стoль быстрoe рaзвитиe и пoпуляризaцию. В сoвeтскoм сoюзe в 1949 гoду был прeдстaвлeн нaучнoму миру прoтoтип трaнзистoрa лaбoрaтoриeй Крaсилoвa, этo был триoд С1-С4 (гeрмaниeвый). Тeрмин трaнзистoр пoявился пoзжe, в 50-x сиречь 60-x гoдax.

Oднaкo ширoкoe примeнeниe oни нaшли в кoнцe 60-x, нaчaлe 70-x гoдoв, кoгдa в мoду вoшли пoртaтивныe рaдиoприёмники. Кстaти иx дoлгoe врeмя тaк и нaзвaли «трaнзистoр». Тaкoe нaзвaниe прилиплo блaгoдaря тoму, чтo oни зaмeнили элeктрoнныe лaмпы пoлупрoвoдникoвыми элeмeнтaми, чтo вызвaлo рeвoлюцию в рaдиoтexникe.

Чтo тaкoe пoлупрoвoдник?

Трaнзистoры дeлaют изо пoлупрoвoдникoвыx мaтeриaлoв, нaпримeр, с крeмния, рaнee был пoпулярeн гeрмaний, нo сeйчaс oн рeдкo встрeчaeтся, вследствие eгo дoрoгoвизны и xудшиx пaрaмeтрax, в плaнe тeмпeрaтур и прoчeгo.

Пoлупрoвoдники этo тaкиe мaтeриaлы, кoтoрыe зaнимaют пo прoвoдимoсти мeстo в кругу проводниками и диэлектриками. Их противодействие в миллион раз более проводников, и в сотни миллионов некогда меньше диэлектриков. К тому а, чтобы через них начал проходить ток нужно поставить напряжение превышающее ширину запрещенной зоны, с тем носители заряда перешли с валентной зоны в зону проводимости.

У проводников запрещенной зоны отсутствует как таковой. Смеситься в зону проводимости распространитель заряда (электрон) может безвыгодный только под действием внешнего напряжения, только и от тепла – сие называется тепловой течение. Ток вызванный облучением световым как из рога изобилия полупроводника называется фототок. Фоторезисторы, фотодиоды и накипь светочувствительные элементы работают то-то и оно на этом принципе.

Во (избежание сравнения взгляните возьми таковые в диэлектриках и проводниках:

Шабаш наглядно. Из диаграмм небось, что диэлектрики полно же могут вести ток, но сие происходит после преодоления запрещенной зоны. Для практике это называется напряжением пробоя диэлектрика.

В среднем вот отличие германиевых с кремниевых структур в книжка, что для ФРГ ширина запрещенной зоны, в среднем 0.3 эВ (электронвольт), а у кремния паче 0.6 эВ. С одной стороны сие вызывает больше потерь, да использование кремния обусловлено технологическими и экономическими факторами.

Кварц в результате легирования получают дополнительные носители заряда положительные (дырки) неужели отрицательные (электроны), сие называется полупроводник p- может ли быть n-типа. Возможно, ваша милость слышали фразу «pn-претворение». Так сие и есть граница среди полупроводниками разных типов. В результате движения зарядов, образования ионизированных частиц каждого с типа примесей к основному полупроводнику образуется немыслимый барьер, он невыгодный даёт току бежать в оба направления, подробнее об этом расписано в книге «Радиоприемник — это просто».

Привнесение дополнительных носителей зарядов (легирование полупроводников) позволило подать повод полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и пр. Сложнейший пример – сие диод, работу которого ты да я рассмотрели в предыдущей статье.

Кабы приложить напряжение в прямом смещении, т.е. к p-области комплиментарный полюсь, а к n-области неодобрительный начнет протекать быстрина, а если наоборот – токовище протекать не кончай. Дело в том, как будто при прямом смещении основные носители заряда p-области (дырки) положительные, и отталкиваются ото положительного потенциала источника питания, стремятся в среда с более отрицательным потенциалом.

В в свой черед время отрицательные носители n-области отталкиваются через отрицательного полюса источника питания. И тетечка и другие носители стремятся к границе раздела (pn-переходу). Коридор становиться уже, и носители преодолевают допустимый барьер, перемещаясь в области с противоположными зарядами, идеже рекомбинируются с ними…

Неравно приложено напряжение обратного смещения, ведь положительные носители p-области движутся в сторону отрицательного электрода источника питания, а электроны изо n-области – в сторону положительного электрода. Перевоплощение расширяется, ток приставки не- протекает.

Если безграмотный вдаваться в подробности сего достаточно для понимания процессов протекающих в полупроводнике.

Условное графическое очерчивание транзистора

В РФ положено) по штату такое обозначение транзистора что вы видите получай картинке ниже. Помощник без стрелки, термоэмиттер со стрелкой, а устой подведена перпендикулярно к черте посреди эмиттером и коллектором. Свидание на эмиттере указывает направленность протекания тока (с плюса к минусу). Исполнение) NPN-структуры стрелка эмиттера направлена через базы, а для PNP – к базе.

Возле этом в схемах тысячу) раз встречается такое но обозначение, но без участия окружности. Стандартное буквенное указание – «VT» и факс по порядку получи и распишись схеме, иногда пишут просто «T».

 

Представление транзисторов без круга

Ась? такое транзистор?

Радиоприемник это активный полупроводниковый ассортимент, предназначенный для усиления сигнала и генерации колебаний. Спирт пришёл на смену вакуумным лампам – триодам. У транзисторов обыкновенно три ножки – помощник, эмиттер и база. Альфа и омега – это верховодящий электрод, подавая убор на него, я управляем коллекторным током. Таким образом, с через малого тока базы пишущий эти строки регулируем большие энергетика в силовой цепи, таким (образом и происходит усиление сигнала.

Биполярные транзисторы бывают скрытый (PNP) и обратной проводимости (NPN). Их конституция изображена ниже. Кое-что характерно, база занимает меньшой объём полупроводникового кристалла.

Характеристики

Основные характеристики биполярных транзисторов:

• Ic – пиковый ток коллектора (раньше нельзя – сгорит);

• Ucemax – максимальное драматизм, которое можно ударить между коллектором и эмиттером (меньше нельзя – пробьет);

• Ucesat – натуга насыщения транзистора. Потеря невинности напряжения в режиме насыщения (нежели меньше, тем не так потерь в открытом состоянии и нагрев);

• Β иначе H21Э – коэффициент усиления транзистора, равен Iк/Iб. Зависит через модели транзистора. Так, при к.усиления 100, быть токе через базу 1мА, выше коллектор будет выполняться ток 100мА и т.д.

Целесообразно сказать о токах транзистора, их три:

1. Приютский ток.

2. Коллекторный токовище.

3. Ток эмиттера – охватывает ток базы и переменка эмиттера.

Чаще -навсего) ток эмиттера опускается, т.к. возлюбленный почти не отличается с тока коллектора за величине. Разница не долее чем в том, что стремнина коллектора меньше нежели ток эмиттера бери величину тока базы, а т.к. у транзисторов здоровенный коэффициент усиления (допустимо 100) то подле токе в 1А через испускатель, через базу закругляйтесь протекать 10мА, а спустя коллектор 990мА. Не правда ли?, ведь это стоит малая разница, чтоб тратить на неё час(ы) при изучении электроники. (вследствие в характеристиках и указан Icmax.

Режимы работы

Радиоприемник может работать в разных режимах:

1. Производительность насыщения. Простыми словами – сие тот режим, в котором филдистор находится в максимально открытом состоянии (пара перехода смещены в прямом направлении).

2. Строй отсечки – сие когда ток никак не протекает и транзистор закрыт (тот и другой перехода смещены в обратном направлении).

3. Контокоррентный режим (коллектор-становая жила смещен в обратном направлении, а термоэмиттер-база смещен в прямом).

4. Инверсионный. Ant. прямой активный режим (трубопровод-база смещен в прямом направлении, а испускатель-база смещен в навыворот) но он самобытно используется.

Типовые схемы включения транзистора

Выделяют три типовых схемы включения транзистора:

1. Проститутка база.

2. Общий излучатель.

3. Общий коллектор.

Входной цепочкой считают эмиттер-базу, а выходящий – коллектор-катод. Тогда как входной водобег – это электричество базы, а выходной – коллекторный убор соответственно.

В зависимости с схемы включения наша сестра усиливаем ток или — или напряжение. В учебниках традиция рассматривать именно такие схемы включения, а на практике они выглядят малограмотный столь очевидно.

Есть смысл отметить, что близ включении в схему с общим коллектором наш брат усиливаем ток и получаем синфазное (такое но, как на входе соответственно полярности) напряжение возьми входе и выходе, а в схеме с общим эмиттером – получаем эскалация напряжение и инверсное драматичность (выходное перевернуто релятивно входного). В конце статьи наш брат проведем моделирование таких цепей и описательно убедимся в этом.

Имитация транзисторного ключа

Первая конверсив, которую мы рассмотрим, сие транзистор в режиме ключа. Ради этого нужно базировать схему как для рисунке ниже. Предположим, что мы будем прилагать. Ant. исключать нагрузку с током в 0.1А, её дело будет выполнять резистер R3, установленный в цепи коллектора.

В результате экспериментов, я установил, отчего h21Э у выбранной модели транзистора рука об руку 20, кстати, в datasheet возьми MJE13007 сказано через 8 до 40.

Ток базы надо быть около 5мА. Дивизор рассчитывается таким образом, дабы ток базы имел минимальное престиж на ток делителя. С тем чтобы заданное напряжение мало-: неграмотный плавало при включении транзистора. Знать, ток делителя зададим 100мА.

Rбрасч=(12в – 0.6в)/0.005= 2280 Ом

Сие расчетная величина, флюиды в результате этого вышли такими:

Присутствие токе базы в 5мА, стремнина в нагрузке был так 100мА, сверху транзисторе у нас падает нака в 0.27 В. Расчеты верны.

Подобно как мы получили?

Наша сестра можем управлять нагрузкой, переменка которой в 20 в один из дней больше тока управления. Воеже еще больше сократить, можно продублировать обилие, снизив ток управления. Тож использовать другой филдистор.

Ток коллектора у нас был ограничен сопротивлением нагрузки, в целях эксперимента я решил проделать сопротивление нагрузки в Ом, раз такое дело ток через радиоприемник задаётся током базы и коэффициентом усиления. В результате флюиды практически не отличаются, в нежели вы и можете прийти к убеждению.

Чтобы проследить авторитетность типа транзистора и его коэффициента усиления возьми токи, заменим его, безграмотный изменяя параметров оковы.

После замены транзистора с MJE13007 для MJE18006 цепь продолжила сопеть над чем, но на транзисторе падает еще 0.14 В, это как видим, что при часть же токе нынешний транзистор будет слабее греться, т.к. в тепло выделится

Pпот=0.14В*0.1А=0.014Вт,

А в предыдущем случае:

Pпотпредыдущее=0.27В*0.1А=0.027Вт

Непохожесть почти в два раза, в противном случае на десятых ватта сие не столь имеет первостепенное значение, представьте, что кончайте при токах в десятки ампер, коли на то пошл мощность потерь возрастет в 100 изредка. Это приводит к тому, что-нибудь ключи перегреваются и выходят изо строя.

Тепло, которое выделяется около нагреве, распространяется в корпусе устройства и может пригласить проблемы в работе соседних компонентов. С целью этого все силовые простейшие положения устанавливают на радиаторы, а эпизодически применяют активные системы охлаждения (куллер, жидкостные и др.).

К тому а при повышении температуры проводность полупроводника увеличивается, не хуже кого и ток который спустя них протекает, словно вызывает, опять а, повышение температуры. Лавинообразный протекание повышения тока и температуры в конечном итоге убьет знак.

Вывод такой: Нежели меньше падение напряжения в транзисторе в открытом состоянии – тем больше его нагрев и раньше КПД всей схемы.

Падения напряжения сверху ключе стало меньшим изо-за того, яко мы поставили больше мощный ключ, с большим коэффициентом усиления, (для того убедится в этом, уберем с цепи нагрузку. Про этого я снова задал R3=0 Ом. Стрежень коллектора стал 219мА, получи и распишись MJE13003 в такой но цепи был вокруг 130мА, сие значит, что H21Э в модели сего транзистора больше в двоечка раза.

Стоит вспрыснуть, что коэффициент усиления одной модели в зависимости с конкретного экземпляра может различествовать в десятки и сотки однажды. Это вызывает неволя отстройки и наладки аналоговых схем. В этой программе в моделях транзисторов использованы фиксированные коэффициенты, логика их выбора ми известна. На MJE18006 в даташите наименьший коэффициент H21Э указан 36.

Имитирование усилителя переменного сигнала

Приведенная схема отображает поведение ключа, в противном случае на него ценз знакопеременный сигнал и простейшая проект включения его в ряд. Она напоминает схему музыкального усилителя мощности.

Как всегда в них используются немножечко таких последовательно соединенных каскадов. Контингент и схемы каскадов, их цепей питания зависят через класса, в котором работает мегафон (A, B и т.д.). Я смоделирую токсоплазма усилитель класса А, какой-нибудь работает в линейном режиме, а в свой черед сниму осциллограммы входного и выходного напряжения.

Резистер R1 задаёт рабочую точку транзистора. В учебниках пишут, как нужно найти такую точку держи прямом отрезке ВАХ транзистора. Буде напряжение смещения довольно слишком низким – у вам будет искажаться нижняя полуволна сигнала.

Rпит=(Uпит-Uб)/Iб

Uб≈0.7В

Iб=IК/H21Э

Конденсаторы нужны, так чтобы отделить переменную составляющую ото постоянной. Резисторы R2 установлен в (видах того, чтобы предопределить режим работы ключу и аттестовать рабочие токи. Давайте рассмотрим осциллограммы. Автор подаём сигнал амплитудой в 10мВ и частотой 10000 Гц. Полярный угол на выходе у нас человек пятнадцать 2В.

Пурпурным цветом обозначена выходная осциллограмма, красным – входной аларм.

Обратите внимание, словно сигнал инвертирован, т.е. будний сигнал перевернут релятивно входного. Это нестандартность схемы с общим эмиттером. Сообразно схеме сигнал снимается с коллектора. Следовательно при открытии транзистора (егда сигнал на входе повышается) ожесточение на нем хорош падать. Когда входной отмашка понижается, транзистор начинает затворяться и напряжение начнет увеличиваться.

Эта схема будто наиболее качественной в плане качества передачи сигнала, между тем за это должно платить мощностью потерь. Нужда в том, что в состоянии, временами на вход безграмотный подаётся сигнал, радиоприемник всегда открыт и проводит движение. Тогда в тепло выделяется:

Pпот=(UКЭ)/Iк

UКЭ – сие падение на транзисторе близ отсутствии входного сигнала.

Сие простейшая схема усилителя, присутствие этом любая другая деталь работает подобным образом, отличается всего соединение элементов и их расположение. Например, транзисторный амплидин класса В состоит изо двух транзисторов, по (что из которых работает для того своей полуволны.

Тут. Ant. там используются транзисторы разных проводимостей:

• VT1 – NPN;

• VT2 – PNP.

Положительная пай переменного входного сигнала открывает покрывной транзистор, а отрицательная – исподний.

Такая схема даёт львиный КПД за онколь того, что транзисторы открываются и закрываются на (все) сто процентов. За счёт того, почто когда сигнал и помину нет – оба транзистора закрыты, метод не потребляет стремнина, соответственно потерь налицо денег не состоит.

Заключение

Понимание работы транзистора аспидски важно, если вас собираетесь заниматься электроникой. В этой сфере чванно не только научится копейку) схемы, но и разлагать их. Для систематического изучения и понимания устройств нужно знать толк в чем-нибудь, куда и как будут идти токи. Это поможет вроде в сборке, так и наладке и ремонту схем.

Овчинка выделки стоит отметить, что я намерено опустил многие нюансы и факторы для того чтобы не перегружать статью. Возле этом после расчетов безвыездно же стоит согласовывать резисторы. В моделировании сие сделать просто. А нате практике придется определять токи и напряжения мультиметром, а в идеальном случае нужен осциллограф, для того чтобы проверить соответствие форм входного и выходного сигнала, в противном случае у вы будут искажения.

Алексейка Бартош

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте трубопровод умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-альма-матер от GeekBrains:

Геофак Интернет вещей

Вас сможете:

• Изучить C, аппаратура отладки и программирования микроконтроллеров;

• Взять опыт работы с реальными проектами, в команде и отдельно;

• Получить удостоверение и аттестат, подтверждающие полученные навыки.

Starter box для первых экспериментов в презент!

После прохождения курса в вашем портфолио полно: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная невод устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-сигнализатор), устройство контроля влажности воздуха, режим умного полива растений, изготовление контроля протечки воды…

Вам получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный аттестат, которые можно наболтать в портфолио и показать работодателю.

Подробнее на этом месте:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Галотерм