טרנזיסטורים דו קוטביים: מעגלים, מצבים, דוגמנות

הטרנזיסטור הופיע בשנת 1948 (1947), בזכות עבודתם של שלושה מהנדסים ושוקלי, ברדשטיין, ברדין. בימים ההם, טרם צפויים התפתחותם המהירה והפופולאריות שלהם. בברית המועצות בשנת 1949, אב הטיפוס של הטרנזיסטור הוצג בפני העולם המדעי על ידי מעבדת קרסילוב, זה היה טריודה C1-C4 (גרמניום). המונח טרנזיסטור הופיע מאוחר יותר, בשנות ה -50 או ה -60.

עם זאת, הם מצאו שימוש נרחב בסוף שנות ה -60, תחילת שנות ה -70, כאשר מכשירי רדיו ניידים נכנסו לאופנה. אגב, הם מכנים זה מכבר את ה"טרנזיסטור ". שם זה נתקע בגלל שהחליפו צינורות אלקטרוניים באלמנטים מוליכים למחצה, מה שגרם למהפכה בהנדסת הרדיו.

מה זה מוליך למחצה?

טרנזיסטורים עשויים מחומרים מוליכים למחצה, למשל, סיליקון, גרמניום היה בעבר פופולרי, אך כעת הוא נמצא לעיתים רחוקות, בגלל העלות הגבוהה שלו והפרמטרים הגרועים יותר, מבחינת הטמפרטורה ודברים אחרים.

מוליכים למחצה הם חומרים התופסים מקום בין מוליכים לדיאלקטריות במוליכות. ההתנגדות שלהם גדולה פי מיליון ממוליכים, ומאות מיליוני פעמים פחות מהדיאלקטרים. בנוסף, על מנת שהזרם יתחיל לזרום דרכם, יש צורך בהפעלת מתח החורג ממרווח הפס כך שמנשאי המטען יעברו מפס הערך ל פס ההולכה.

מוליכי האזור האסור אינם נוכחים ככאלה. נשא מטען (אלקטרון) יכול לנוע לתוך פס ההולכה לא רק תחת השפעת מתח חיצוני, אלא גם מחום - זה נקרא זרם תרמי. הזרם הנגרם על ידי הקרנת שטף האור של מוליכים למחצה נקרא זרם הצילום. פוטורסיסטורים, פוטודיודות ואלמנטים רגישים לאור אחרים עובדים על עיקרון זה.

לשם השוואה, התבוננו באלה שבדיאלקטרים ​​ומוליכים:

די ברור. מן התרשימים ניתן לראות כי הדיאלקטריקה עדיין יכולה להוביל זרם, אך זה קורה לאחר שהתגבר על האזור האסור. בפועל, זה נקרא מתח פירוק דיאלקטרי.

אז ההבדל בין מבני גרמניום לסיליקון הוא שעבור גרמניום פער הפס הוא בסדר גודל של 0.3 eV (אלקטרונים וולט), וזו של סיליקון עולה על 0.6 eV. מצד אחד זה גורם להפסדים רבים יותר, אך השימוש בסיליקון נובע מגורמים טכנולוגיים וכלכליים.

כתוצאה מסמים, מוליך למחצה מקבל נושאי מטען נוספים חיוביים (חורים) או שליליים (אלקטרונים), זה נקרא מוליכים למחצה מסוג p או n. יתכן ששמעת את הביטוי "צומת pn." אז זהו הגבול בין מוליכים למחצה מסוגים שונים. כתוצאה מתנועת המטענים, נוצרת חלקיקים מיוננים מכל סוג של טומאה למוליך המוליך הראשי, נוצר מחסום פוטנציאלי, הוא אינו מאפשר לזרם לזרם לשני הכיוונים, עוד על כך מתואר בספר. "הטרנזיסטור קל.".

הכנסת נושאי מטען נוספים (סמים של מוליכים למחצה) אפשרה ליצור התקני מוליכים למחצה: דיודות, טרנזיסטורים, תיריסטורים וכו '. הדוגמה הפשוטה ביותר היא דיודה, שפעולתה בדקנו. במאמר הקודם.

אם אתה מפעיל מתח בהטיה קדימה, כלומר אני אזרם באופן חיובי לאזור p, והזרם השלילי יזרום לאזור n, ולהיפך, הזרם לא יזרום. העובדה היא שעם הטייה ישירה, נשאי המטען העיקריים של אזור ה- p (חור) הם חיוביים, ודוחים מהפוטנציאל החיובי של מקור הכוח, נוטים לאזור בעל פוטנציאל שלילי יותר.

במקביל, נשאים שליליים של האזור n דוחים מהקוטב השלילי של מקור הכוח. שני הספקים נוטים לממשק (צומת pn).המעבר הופך להיות צר יותר, והמובילים מתגברים על המכשול הפוטנציאלי, נעים באזורים עם מטענים מנוגדים, שם הם מתחברים איתם מחדש ...

אם מופעל מתח הטיה הפוכה, אז המנשאים החיוביים של אזור p נעים לכיוון האלקטרודה השלילית של מקור הכוח, והאלקטרונים מאזור ה- n נעים לעבר האלקטרודה החיובית. המעבר מתרחב, הזרם לא זורם.

אם לא נכנסים לפרטים, די בכך כדי להבין את התהליכים המתרחשים במוליך למחצה.

ייעוד גרפי מותנה של הטרנזיסטור

בפדרציה הרוסית אומץ ייעוד טרנזיסטור כזה כפי שאתה רואה בתמונה למטה. האספן הוא ללא חץ, הפולט נמצא עם חץ, והבסיס הוא בניצב לקו שבין הפולט לאספן. החץ בפולט מציין את כיוון זרימת הזרם (פלוס מינוס). עבור מבנה ה- NPN, חץ הפולט מופנה מהבסיס, ועבור ה- PNP הוא מופנה לבסיס.

יתר על כן, אותה ייעוד נמצאת לרוב בסכימות, אך ללא מעגל. יישום האותיות הסטנדרטי הוא "VT" והמספר לפי הסדר בתרשים, לפעמים הם פשוט כותבים "T".

 

תמונה של טרנזיסטורים ללא מעגל

מהו טרנזיסטור?

טרנזיסטור הוא התקן מוליכים למחצה פעיל שנועד להגביר את האות ולייצר תנודות. הוא החליף את צינורות הוואקום - שלשות. לטרנזיסטורים יש לרוב שלוש רגליים - אספן, פולט ובסיס. הבסיס הוא אלקטרודת הבקרה, המספקת זרם אליו, אנו שולטים בזרם האספן. כך, בעזרת זרם בסיס קטן, אנו מווסתים זרמים גדולים במעגל הכוח, והאות מוגברת.

טרנזיסטורים דו קוטביים הם קדימה ישירה (PNP) ומוליכות הפוכה (NPN). המבנה שלהם מתואר למטה. בדרך כלל הבסיס תופס נפח קטן יותר של גביש המוליכים למחצה.

מאפיינים

המאפיינים העיקריים של טרנזיסטורים דו קוטביים:

• Ic - זרם אספן מרבי (לא יכול להיות גבוה יותר - הוא יישרף);

• Ucemax - מתח מרבי שניתן להחיל בין האספן לפולט (אי אפשר למעלה - הוא ישבר);

• Ucesat הוא מתח הרוויה של הטרנזיסטור. ירידת מתח במצב רוויה (ככל שקטן יותר, כך פחות הפסדים במצב הפתוח וחימום);

• Β או H21E - רווח של הטרנזיסטור, שווה ל- Ik / Ib. תלוי בדגם הטרנזיסטור. לדוגמה, ברווח של 100, בזרם דרך הבסיס של 1 mA, זרם של 100 mA יזרום דרך הקולט וכו '.

כדאי לומר על זרמי הטרנזיסטור, יש שלושה מהם:

1. זרם הבסיס.

2. זרם אספן.

3. זרם פולט - מכיל את זרם הבסיס וזרם הפולט.

לרוב, זרם הפולט יורד מכיוון זה כמעט לא שונה מזרם האספן בעוצמתו. ההבדל היחיד הוא שזרם האספנים פחות מזרם הפולט בערך של זרם הבסיס, ומאז לטרנזיסטורים יש רווח גבוה (נניח 100), אז בזרם של 1A דרך הפולט, 10mA יזרום דרך הבסיס, ו -990mA דרך האספן. מסכים, זה הבדל מספיק מספיק כדי לבזבז עליו זמן בלימוד אלקטרוניקה. לכן, במאפיינים המצוינים Icmax.

מצבי הפעלה

הטרנזיסטור יכול לעבוד במצבים שונים:

1. מצב רוויה. במילים פשוטות, זהו המצב בו הטרנזיסטור נמצא במצב הפתוח המרבי (שני המעברים מוטים בכיוון קדימה).

2. מצב הניתוק הוא כאשר הזרם אינו זורם והטרנזיסטור סגור (שני המעברים מוטים בכיוון ההפוך).

3. מצב פעיל (בסיס אספן מוטה בכיוון ההפוך, ובסיס הפולט מוטה בכיוון קדימה).

4. במצב פעיל הפוך (בסיס אספן מוטה בכיוון קדימה, ובסיס הפולט מוטה בכיוון ההפוך), אך לעתים רחוקות משתמשים בו.

מעגלי מיתוג טרנזיסטור אופייניים

ישנם שלושה מעגלי מיתוג טרנזיסטורים טיפוסיים:

1. הבסיס הכללי.

2. פולט כללי.

3. האספן המשותף.

מעגל הקלט נחשב לבסיס הפולט, ומעגל הפלט הוא הפולט-אספן. ואילו זרם הכניסה הוא זרם הבסיס, והפלט הוא זרם האספנים בהתאמה.

בהתאם למעגל המיתוג, אנו מגבירים זרם או מתח.בספרי לימוד נהוג לקחת בחשבון רק תוכניות הכללה כאלה, אך בפועל הם לא נראים כל כך ברורים.

ראוי לציין שכשמחוברים למעגל עם אספן משותף אנו מגבירים את הזרם ומקבלים מתח (זהה לזה של הכניסה בקוטביות) במתח הכניסה והפלט, ובמעגל עם פולט משותף, אנו מקבלים את המתח ואת הרווח המתח ההפוך (הפלט הוא הפוך ביחס ל קלט). בסוף המאמר, אנו מדמים מעגלים כאלה ונראה זאת בבירור.

דוגמנות מפתח טרנזיסטור

המודל הראשון שנבחן הוא טרנזיסטור מצב מפתח. לשם כך עליכם לבנות מעגל כמו בתמונה למטה. נניח כי נכלול עומס עם זרם של 0.1A, תפקידו ישחק על ידי הנגד R3 המותקן במעגל האספנים.

כתוצאה מניסויים, מצאתי כי h21E של דגם הטרנזיסטור שנבחר הוא בערך 20, אגב, בגיליון הנתונים ב- MJE13007 כתוב עליו 8-40.

זרם הבסיס צריך להיות סביב 5mA. המחלק מחושב כך שלזרם הבסיס יש השפעה מינימלית על זרם המחלק. כך שהמתח שצוין לא צף כאשר הטרנזיסטור מופעל. לכן, המחלק הנוכחי קבע 100mA.

Rbrosch = (12V - 0.6v) /0.005= 2280 אוהם

זהו ערך מחושב, הזרמים כתוצאה מכך יצאו כדלקמן:

עם זרם בסיס של 5mA, הזרם בעומס היה בערך 100mA, המתח יורד ל 0.27V בטרנזיסטור. החישובים נכונים.

מה קיבלנו?

אנו יכולים לשלוט בעומס שהזרם שלו הוא פי 20 מזרם הבקרה. כדי להגביר עוד יותר, תוכלו לשכפל את המפל, ולהפחית את זרם השליטה. או השתמש בטרנזיסטור אחר.

זרם האספן הוגבל על ידי עמידות העומס, לצורך הניסוי החלטתי לעשות את התנגדות העומס 0 אוהם, ואז הזרם דרך הטרנזיסטור מוגדר על ידי זרם הבסיס ורווח. כתוצאה מכך, הזרמים למעשה אינם שונים, כפי שניתן לראות.

כדי להתחקות אחר השפעת סוג הטרנזיסטור והרווח שלו על זרמים, אנו מחליפים אותו מבלי לשנות את פרמטרי המעגל.

לאחר החלפת הטרנזיסטור מ- MJE13007 ל- MJE18006, המעגל המשיך לעבוד, אך 0.14 וולט יורד על הטרנזיסטור, מה שאומר שבאותו זרם הטרנזיסטור הזה יתחמם פחות, מכיוון יבלוט בחום

סיר = 0.14V * 0.1A = 0.014W,

ובמקרה הקודם:

Potprevious = 0.27V * 0.1A = 0.027W

ההבדל כמעט כפול, אם הוא לא כל כך משמעותי בעשיריות וואט, דמיין מה יקרה בזרמים של עשרות אמפר, אז כוח ההפסדים יגדל פי 100. זה מוביל לעובדה שהמפתחות מתחממים יתר על המידה ונכשלים.

החום שמשתחרר במהלך החימום מתפשט דרך המכשיר ויכול לגרום לבעיות בהפעלת הרכיבים הסמוכים. לשם כך, כל רכיבי הכוח מותקנים ברדיאטורים ולעיתים משתמשים במערכות קירור אקטיביות (מצנן, נוזל וכו ').

יתר על כן, עם עליית הטמפרטורה, מוליכות המוליכים למחצה עולה, וכך גם הזרם שזורם דרכם, מה שגורם שוב לעלייה בטמפרטורה. התהליך דמוי מפולת של העלאת הזרם והטמפרטורה יהרוג בסופו של דבר את המפתח.

המסקנה היא כזו: ככל שירידה במתח על הטרנזיסטור במצב הפתוח קטנה יותר, כך חימוםו נמוך יותר ויעילות המעגל כולו גבוהה יותר.

צניחת המתח במפתח הפכה קטנה יותר מכיוון שהנחנו מפתח חזק יותר, עם רווח גבוה יותר, כדי לוודא זאת, אנו מסירים את העומס מהמעגל. לשם כך, קבעתי שוב R3 = 0 אוהם. זרם האספן הפך ל 219mA, ב- MJE13003 באותו מעגל הוא היה בערך 130mA, מה שאומר שה- H21E בדגם הטרנזיסטור הזה גדול כפליים.

ראוי לציין כי הרווח של דגם אחד, תלוי במופע ספציפי, יכול להשתנות בעשרות או מאות פעמים. זה מחייב כוונון והתאמה של מעגלים אנלוגיים. בתוכנית זו משתמשים במקדמים קבועים במודלים טרנזיסטורים, אני יודע את ההיגיון שבחרתם. ב- MJE18006 בגליון הנתונים היחס המרבי של H21E הוא 36.

סימולציה של מגבר AC

המודל הנתון מציג את התנהגות המפתח אם מוחלים עליו אות מתחלף ומעגל פשוט להכללתו במעגל. זה דומה למעגל מגבר כוח מוסיקלי.

בדרך כלל הם משתמשים בכמה מפלים מחוברים בסדרות כאלה. המספר והסכימה של מפלים, מעגלי הכוח שלהם תלויים בכיתה בה מגבר פועל (A, B וכו '). אני אדמה את המגבר הפשוט ביותר מסוג A, הפועל במצב ליניארי, וכן אקח צורות גל של מתח כניסה ויציאה.

נגד R1 קובע את נקודת הפעולה של הטרנזיסטור. בספרי הלימוד הם כותבים שאתה צריך למצוא נקודה כזו על קטע ישר של ה- CVC של הטרנזיסטור. אם מתח ההטיה נמוך מדי, חצי הגל האות התחתון יעוות.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

יש צורך בקבלים כדי להפריד את הרכיב המשתנה מהקבוע. נגדים R2 מותקנים על מנת לקבוע את מצב ההפעלה של המקש ולהגדיר את זרמי ההפעלה. בואו נסתכל על צורות הגל. אנו נותנים איתות עם אמפליטודה של 10 מגה וולט ותדר של 10,000 הרץ. משרעת הפלט היא כמעט 2 וולט.

מג'נטה מציינת את צורת גל הפלט, אדום מציין את צורת גל הקלט.

שימו לב כי האות הפוך, כלומר אות הפלט הפוך ביחס לכניסה. זוהי תכונה של מעגל פולט נפוץ. על פי התוכנית, האות מוסר מהאספן. לכן, כאשר הטרנזיסטור נפתח (כאשר אות הכניסה עולה), המתח שמעליו יירד. כאשר אות הכניסה צונח, הטרנזיסטור מתחיל להיסגר והמתח מתחיל לעלות.

תוכנית זו נחשבת לאיכותית ביותר מבחינת איכות העברת האות, אך עליכם לשלם עליה בכוח ההפסד. העובדה היא שבמצב בו לא נקלט שום אות, הטרנזיסטור תמיד פתוח ומוליך זרם. ואז משתחרר החום:

קופה = (UKE) / Ik

UKE הוא טיפה על טרנזיסטור בהעדר אות קלט.

זהו מעגל המגבר הפשוט ביותר, בעוד שכל מעגל אחר פועל בצורה זו, רק חיבור האלמנטים והשילוב שלהם שונה. לדוגמא, מגבר טרנזיסטור Class B מורכב משני טרנזיסטורים, שכל אחד מהם עובד עבור חצי גל משלו.

כאן משתמשים בטרנזיסטורים בעלי מוליכות שונה:

• VT1 הוא NPN;

• VT2 - PNP.

החלק החיובי של אות הקלט המשתנה פותח את הטרנזיסטור העליון, והשלילי - זה התחתון.

תוכנית זו מעניקה יעילות רבה יותר בשל העובדה שהטרנזיסטורים נפתחים ונסגרים לחלוטין. בשל העובדה שכאשר האות נעדר - שני הטרנזיסטורים סגורים, המעגל אינו צורך זרם, ולכן אין הפסדים.

מסקנה

הבנת פעולת הטרנזיסטור חשובה מאוד אם אתה מתכוון לעשות אלקטרוניקה. בתחום זה, חשוב לא רק ללמוד כיצד להרכיב ערכות, אלא גם לנתח אותן. למחקר שיטתי והבנת המכשירים, עליכם להבין לאן ואיך יזרמו זרמים. זה יעזור הן בהרכבה והן בהתאמת מעגלים.

ראוי לציין שהשמטתי במכוון רבים מהניואנסים והגורמים כדי לא להעמיס על המאמר. יחד עם זאת, לאחר החישובים, זה עדיין להרים נגדים. במודלים קל לעשות זאת. אבל בפועל למדוד זרמים ומתחים בעזרת מודד, ובאופן אידיאלי צריך אוסצילוסקופכדי לבדוק אם צורות גל הקלט והפלט תואמות, אחרת יהיה לכם עיוות.