Funktionsprincipen för en transistor. Bipolära transistorer. För dummies kan jag inte förstå hur en transistor fungerar

Transistorer är aktiva komponenter och används i hela elektroniska kretsar som förstärkare och omkopplingsanordningar (transistoromkopplare). Som förstärkningsenheter används de i hög- och lågfrekventa enheter, signalgeneratorer, modulatorer, detektorer och många andra kretsar. I digitala kretsar, switchande strömförsörjningar och styrda elektriska enheter fungerar de som omkopplare.

Bipolära transistorer

Detta är namnet på den vanligaste typen av transistor. De är indelade i npn- och pnp-typer. Materialet för dem är oftast kisel eller germanium. Till en början tillverkades transistorer av germanium, men de var mycket känsliga för temperatur. Silikonenheter är mycket mer motståndskraftiga mot vibrationer och är billigare att tillverka.

Olika bipolära transistorer visas på bilden nedan.

Lågeffektenheter är placerade i små rektangulära eller cylindriska plasthylsor av plast. De har tre terminaler: för basen (B), emitter (E) och kollektor (K). Var och en av dem är ansluten till ett av tre lager av kisel med ledningsförmåga av antingen n-typ (strömmen genereras av fria elektroner) eller p-typ (strömmen genereras av de så kallade positivt laddade "hålen"), vilket utgör transistorns struktur.

Hur fungerar en bipolär transistor?

Principerna för driften av en transistor måste studeras, med början med dess design. Tänk på strukturen hos en NPN-transistor, som visas i figuren nedan.

Som du kan se innehåller den tre lager: två med n-typ ledningsförmåga och ett med p-typ ledningsförmåga. Typen av ledningsförmåga hos skikten bestäms av graden av dopning av olika delar av kiselkristallen med speciella föroreningar. Emittern av n-typ är mycket kraftigt dopad för att tillhandahålla många fria elektroner som de flesta strömbärare. Den mycket tunna basen av p-typ är lätt dopad med föroreningar och har hög resistans, och kollektorn av n-typ är mycket kraftigt dopad för att ge den låg resistans.

Transistordriftsprinciper

Det bästa sättet att lära känna dem är genom att experimentera. Nedan är ett diagram över en enkel krets.

Den använder en krafttransistor för att styra glödlampan. Du behöver också ett batteri, en liten ficklampa på cirka 4,5 V/0,3 A, en variabel motståndspotentiometer (5K) och ett 470 ohm motstånd. Dessa komponenter måste anslutas enligt bilden till höger i diagrammet.

Vrid potentiometerreglaget till dess lägsta läge. Detta kommer att sänka basspänningen (mellan bas och jord) till noll volt (U BE = 0). Lampan tänds inte, vilket betyder att det inte går någon ström genom transistorn.

Om du nu vrider handtaget från sitt nedre läge, så ökar U BE gradvis. När den når 0,6 V börjar ström att flyta in i basen av transistorn och lampan börjar lysa. När handtaget flyttas vidare förblir spänningen U BE på 0,6 V, men basströmmen ökar och detta ökar strömmen genom kollektor-emitterkretsen. Om ratten flyttas till det övre läget kommer spänningen vid basen att öka något till 0,75 V, men strömmen kommer att öka avsevärt och lampan kommer att lysa starkt.

Vad händer om du mäter transistorströmmarna?

Om vi ​​kopplar en amperemeter mellan kollektorn (C) och lampan (för att mäta I C), en annan amperemeter mellan basen (B) och potentiometern (för att mäta I B), och en voltmeter mellan common och bas och upprepar hela experimentet, vi kan få intressanta uppgifter. När potentiometervredet är i sitt lägsta läge är U BE 0 V, liksom strömmarna IC och I B. När handtaget flyttas ökar dessa värden tills glödlampan börjar lysa, när de är lika: U BE = 0,6 V, I B = 0,8 mA och IC = 36 mA.

Som ett resultat får vi från detta experiment följande principer för transistordrift: i frånvaro av en positiv (för npn-typ) förspänning vid basen är strömmarna genom dess terminaler noll, och i närvaro av basspänning och ström, deras förändringar påverkar strömmen i kollektor-emitterkretsen.

Vad händer när du slår på strömmen till en transistor

Under normal drift fördelas spänningen på bas-emitterövergången så att potentialen för basen (p-typ) är ungefär 0,6 V högre än den för emittern (n-typ). I detta fall appliceras en framåtspänning på denna korsning, den är förspänd i framåtriktningen och är öppen för strömflödet från basen till emittern.

En mycket högre spänning appliceras över bas-kollektorövergången, där kollektorpotentialen (n-typ) är högre än den för basen (p-typ). Så en omvänd spänning appliceras på korsningen och den är omvänd förspänd. Detta resulterar i bildandet av ett ganska tjockt elektronutarmat lager i kollektorn nära basen när matningsspänning påläggs transistorn. Som ett resultat passerar ingen ström genom kollektor-emitterkretsen. Fördelningen av laddningar i kopplingszonerna för en npn-transistor visas i figuren nedan.

Vilken roll har basströmmen?

Hur kan vi få vår elektroniska enhet att fungera? Transistorns funktionsprincip är basströmmens inverkan på tillståndet för den slutna baskollektorövergången. När bas-emitterövergången är framåtspänd, kommer en liten ström att flyta in i basen. Här är dess bärare positivt laddade hål. Dessa kombineras med elektroner som kommer från sändaren för att producera en ström I BE. Men på grund av det faktum att emittern är mycket kraftigt dopad, strömmar många fler elektroner från den in i basen än vad som kan kombineras med hål. Det betyder att det finns en stor koncentration av elektroner i basen, och de flesta korsar den och går in i det elektronutarmade kollektorskiktet. Här kommer de under påverkan av ett starkt elektriskt fält som appliceras på bas-kollektorövergången, passerar genom det elektronutarmade skiktet och kollektorns huvudvolym till dess utgång.

Förändringar i strömmen som flyter in i basen påverkar antalet elektroner som attraheras från emittern. Således kan transistorns driftsprinciper kompletteras med följande uttalande: mycket små förändringar i basströmmen orsakar mycket stora förändringar i strömmen som flyter från emittern till kollektorn, d.v.s. strömmen ökar.

Typer av fälteffekttransistorer

På engelska betecknas de FETs - Field Effect Transistors, vilket kan översättas som "fälteffekttransistorer". Även om det finns mycket förvirring i namnen på dem, finns det huvudsakligen två huvudtyper:

1. Med en kontroll-pn-övergång. I engelskspråkig litteratur betecknas de JFET eller Junction FET, vilket kan översättas som "junction field-effect transistor". Annars kallas de JUGFET eller Junction Unipolar Gate FET.

2. Med en isolerad gate (annars MOS- eller MOS-transistorer). På engelska benämns de IGFET eller Insulated Gate FET.

Utåt är de väldigt lika bipolära, vilket bekräftas av bilden nedan.

Fälteffekttransistoranordning

Alla fälteffekttransistorer kan kallas UNIPOLAR-enheter, eftersom laddningsbärarna som bildar strömmen genom dem är av en enda typ för en given transistor - antingen elektroner eller "hål", men inte båda samtidigt. Detta skiljer funktionsprincipen för en fälteffekttransistor från en bipolär, där strömmen genereras samtidigt av båda dessa typer av bärvågor.

Strömbärare flödar i korsningsfälteffekttransistorer genom ett lager av kisel utan korsningar, kallad en kanal, med antingen n- eller p-typ konduktivitet mellan två terminaler som kallas "källa" och "drain" - analoger till emitter och kollektor eller, mer exakt , katoden och anoden för en vakuumtriod. Den tredje terminalen - grinden (analog av triodgallret) - är ansluten till ett lager av kisel med en annan typ av ledningsförmåga än den för source-drain-kanalen. Strukturen för en sådan anordning visas i figuren nedan.

Hur fungerar en fälteffekttransistor? Dess funktionsprincip är att styra kanaltvärsnittet genom att applicera en spänning på gate-kanalövergången. Den är alltid omvänd förspänd, så transistorn förbrukar praktiskt taget ingen ström i grindkretsen, medan en bipolär enhet kräver en viss basström för att fungera. När inspänningen ändras kan grindområdet expandera, vilket blockerar käll-drain-kanalen tills den är helt stängd, vilket kontrollerar dräneringsströmmen.

I den här artikelserien kommer vi att försöka prata enkelt och tydligt om så komplexa komponenter som transistorer.

Idag finns detta halvledarelement på nästan alla kretskort, i alla elektroniska enheter (mobiltelefoner, radioapparater, datorer och annan elektronik). Transistorer är grunden för att bygga logikchips, minne, mikroprocessorer... Så låt oss ta reda på vad detta mirakel är, hur det fungerar och vad som orsakar ett så brett spektrum av dess tillämpningar.

En transistor är en elektronisk komponent gjord av halvledarmaterial, vanligtvis med tre terminaler, som tillåter en insignal att styra ström.

Många tror att en transistor förstärker insignalen. Jag skyndar mig att göra dig besviken - av sig själva, utan en extern strömkälla, kommer transistorer inte att förstärka någonting (lagen om bevarande av energi har ännu inte avbrutits). Du kan bygga en förstärkare med hjälp av en transistor, men detta är bara en av dess applikationer, och för att få en förstärkt signal behöver du en speciell krets, som är designad och beräknad under vissa förhållanden, plus en strömkälla.

I sig själv kan transistorn bara styra strömmen.

Vad är det viktigaste du behöver veta? Transistorer är indelade i 2 stora grupper: bipolär och fälteffekt. Dessa två grupper skiljer sig åt i struktur och funktionsprincip, så vi kommer att prata om var och en av dessa grupper separat.

Så den första gruppen är bipolära transistorer.

Dessa transistorer består av tre lager av halvledare och är indelade i 2 typer enligt deras struktur: pnp Och npn. Den första typen (pnp) kallas ibland framåttransistorer, och den andra typen (npn) kallas omvända transistorer.

Vad betyder dessa bokstäver? Hur skiljer sig dessa transistorer? Och varför just två konduktiviteter? Som vanligt finns sanningen där ute någonstans. Allt genialt är enkelt. N - negativ (engelska) - negativ. P - positiv (engelska) - positiv. Detta är en beteckning på konduktivitetstyperna för de halvledarskikt som transistorn består av. "Positiv" är ett lager av halvledare med "hål"-konduktivitet (där huvudladdningsbärarna har ett positivt tecken), "negativa" är ett lager av halvledare med "elektronisk" konduktivitet (där huvudladdningsbärarna har
negativt tecken).

Strukturen och beteckningen av bipolära transistorer i diagrammen visas i figuren till höger. Varje utgång har sitt eget namn. E - emitter, K - kollektor, B - bas. Hur får man reda på basutgången på diagrammet? Lätt. Det indikeras av plattformen som uppsamlaren och sändaren vilar på. Hur kan du ta reda på sändaren? Det är också enkelt, det här är utgången med en pil. Det återstående stiftet är samlaren. Pilen på sändaren visar alltid strömriktningen. Följaktligen, för npn-transistorer, flyter ström genom kollektorn och basen, och flyter ut ur emittern, för pnp-transistorer, tvärtom, flyter ström genom emittern och flyter ut genom kollektorn och basen.

Låt oss dyka djupare in i teorin... Tre lager av halvledare bildar två pn-övergångar i transistorn. Den ena är mellan sändaren och basen, den brukar kallas sändaren, den andra är mellan sändaren och basen, den brukar kallas collectorn.

Vid var och en av de två pn-övergångarna kan det finnas förspänning framåt eller bakåt, därför finns det fyra huvudlägen i driften av transistorn, beroende på förspänningen hos pn-övergångarna (kom ihåg att ja, om den är på sidan med konduktivitet av p-typ spänningen är högre än på sidan med n-typ konduktivitet, då är detta en direkt förspänning av pn-övergången, om det är tvärtom, då tvärtom). Nedan, i figurerna som illustrerar varje läge, visar pilar riktningen från högre spänning till lägre (detta är inte strömriktningen!). Detta gör det lättare att navigera: om pilen är riktad från "p" till "n", är detta en förspänning framåt av pn-övergången, om från "n" till "p", är detta en omvänd bias.

Driftlägen för en bipolär transistor:

1) Om emitter-pn-övergången är framåtspänd och kollektorövergången är omvänd förspänd, då är transistorn i normalt aktivt läge(ibland säger de helt enkelt "aktivt läge", och utelämnar ordet normal). I detta läge beror kollektorströmmen på basströmmen och är relaterad till den genom följande samband: Ik=Ib*β. Det aktiva läget används vid konstruktion av transistorförstärkare.

2) Om båda korsningarna är framåtspända är transistorn in mättnadsläge. I det här fallet upphör kollektorströmmen att bero på basströmmen i enlighet med ovanstående formel (där det fanns en koefficient β), den slutar att öka, även om basströmmen fortsätter att öka. I detta fall sägs transistorn vara helt öppen eller helt enkelt öppen. Ju djupare vi går in i mättnadsområdet, desto mer bryts beroendet Ik=Ib*β. Externt ser det ut som om koefficienten β minskar. Jag kommer också att säga att det finns en sådan sak som en mättnadskoefficient. Den definieras som förhållandet mellan den faktiska basströmmen (den du har för närvarande) och basströmmen vid gränstillståndet mellan aktiv och mättnad.

3) Om vi ​​har omvänd bias på båda korsningarna är transistorn in avstängningsläge. Samtidigt flyter ingen ström genom den (med undantag för mycket små läckströmmar - omvända strömmar genom pn-övergångar). I det här fallet sägs transistorn vara helt avstängd eller helt enkelt avstängd. Mättnads- och cutoff-lägen används vid konstruktion av transistoromkopplare.

4) Om emitterövergången är bakåtförspänd och kollektorövergången är framåtspänd, faller transistorn in i inverterat aktivt läge. Detta läge är ganska exotiskt och används sällan. Trots att sändaren i våra ritningar inte skiljer sig från samlaren och i själva verket borde vara likvärdiga (titta igen på den översta ritningen - vid första anblicken kommer ingenting att förändras om du byter samlare och sändare), i själva verket har de Det finns designskillnader (till exempel i storlek) och de är inte likvärdiga. Det är på grund av denna skillnad som det finns en uppdelning i "normalt aktivt läge" och "inverterat aktivt läge".

Ibland identifieras också en femte, så kallad ”barriärregim”. I detta fall är transistorns bas kortsluten till kollektorn. I själva verket skulle det vara mer korrekt att inte tala om något speciellt läge, utan om ett speciellt sätt att slå på. Läget här är ganska normalt - nära gränstillståndet mellan aktivt läge och mättnad. Det kan erhållas inte bara genom att kortsluta basen med kollektorn. I det här speciella fallet är tricket att med denna omkopplingsmetod, oavsett hur vi ändrar matningsspänningen eller belastningen, kommer transistorn fortfarande att förbli i just detta gränsläge. Det vill säga att transistorn i detta fall kommer att motsvara en diod.

Den bipolära transistorn styrs av ström. Det vill säga, för att ström ska flyta mellan kollektorn och emittern (med andra ord, för att transistorn ska öppnas), måste ström flyta mellan emittern och basen (eller mellan kollektorn och basen - för omvänt läge). Dessutom är storleken på basströmmen och den maximalt möjliga strömmen genom kollektorn (vid en sådan basström) relaterade till en konstant koefficient β (basströmöverföringskoefficient): I B * β = IK .

Förutom β-parametern används en annan koefficient: emitterströmöverföringskoefficienten (α). Det är lika med förhållandet mellan kollektorströmmen och emitterströmmen: α=Iк/Iе. Värdet på denna koefficient är vanligtvis nära en (ju närmare en, desto bättre). Koefficienterna α och β är relaterade till varandra genom följande samband: β=α/(1-α).

I inhemska uppslagsböcker, istället för koefficienten β, anges ofta koefficienten h 21E (strömförstärkning i en krets med en gemensam sändare) i utländsk litteratur, ibland istället för β kan du hitta h FE. Det är okej, vi kan vanligtvis anta att alla dessa koefficienter är lika, och de kallas ofta helt enkelt "transistorförstärkning".

Vad ger detta oss och varför behöver vi det? Bilden till vänster visar de enklaste kretsarna. De är likvärdiga, men är byggda med transistorer med olika konduktiviteter. Även närvarande: en belastning i form av en glödlampa, ett variabelt motstånd och ett fast motstånd.

Låt oss titta på det vänstra diagrammet. Vad händer där? Låt oss föreställa oss att skjutreglaget för variabelt motstånd är i det övre läget. I det här fallet är spänningen vid transistorns bas lika med spänningen vid emittern, basströmmen är noll, därför är kollektorströmmen också noll (IK = β*I B) - transistorn är stängd, lampan gör inte ljus. Vi börjar sänka reglaget nedåt
- spänningen på den börjar sjunka lägre än på emittern - en ström visas från emittern till basen (basström) och samtidigt - en ström från emittern till kollektorn (transistorn kommer att börja öppna). Lampan börjar lysa, men inte med full intensitet. Ju lägre vi flyttar skjutreglaget för variabelt motstånd, desto ljusare kommer lampan att brinna.

Och sedan, uppmärksamhet! Om vi ​​börjar flytta skjutreglaget för det variabla motståndet uppåt, kommer transistorn att börja stänga, och strömmarna från emittern till basen och från emittern till kollektorn kommer att börja minska. I det högra diagrammet är allt sig likt, bara med en transistor med en annan konduktivitet.

Transistorns övervägda driftläge är aktivt. Vad är poängen? Styr strömmen ström? Exakt, men tricket är att koefficienten β kan mätas i tiotal och
till och med hundratals. Det vill säga, för att kraftigt ändra strömmen som flyter från emittern till kollektorn behöver vi bara ändra strömmen som flyter från emittern till basen något.

I aktivt läge används transistorn (med lämplig ledning) som en förstärkare.

Vi är trötta... låt oss vila lite...

Och framåt igen!

Låt oss nu titta på hur en transistor fungerar som nyckel. Låt oss titta på det vänstra diagrammet. Låt omkopplaren S vara stängd i läge 1. I detta fall dras transistorns bas genom motståndet R till den positiva effekten, så det finns ingen ström mellan emittern och basen och transistorn är stängd. Låt oss föreställa oss att vi flyttade omkopplaren S till position 2. Spänningen vid basen blir mindre än vid emittern - en ström uppstår mellan emittern och basen (dess värde bestäms av motståndet R). En FE-ström uppstår omedelbart. Transistorn öppnas och lampan tänds. Om vi ​​återställer omkopplaren S till läge 1 igen, stängs transistorn och lampan slocknar. (i det högra diagrammet är allt sig likt, bara transistorn har en annan konduktivitet)

I det här fallet sägs transistorn fungera som en switch. Vad är poängen? Transistorn växlar mellan två tillstånd - öppen och stängd. Vanligtvis, när man använder en transistor som omkopplare, försöker de se till att transistorn i öppet tillstånd är nära mättnad (samtidigt är spänningsfallet mellan kollektorn och emittern, och därför förlusterna på transistorn, minimal). För detta ändamål beräknas begränsningsmotståndet i baskretsen på ett speciellt sätt. Tillstånd av djup mättnad och djup cutoff undviks vanligtvis, eftersom tiden för att byta nyckel från ett tillstånd till ett annat ökar i detta fall.

Ett litet exempel på beräkningar. Låt oss föreställa oss att vi styr en 12V, 50mA glödlampa genom en transistor. Vår transistor fungerar som en omkopplare, så i öppet tillstånd bör den vara nära mättnad. Vi kommer inte att ta hänsyn till spänningsfallet mellan kollektorn och emittern, eftersom det för mättnadsläget är en storleksordning mindre än matningsspänningen. Eftersom en ström på 50 mA flyter genom lampan måste vi välja en transistor med en maximal EC-ström på minst 62,5 mA (vanligtvis rekommenderas det att använda komponenter med 75% av deras maximala parametrar, detta är en slags reserv) . Öppna katalogen och leta efter en lämplig pnp-transistor. Till exempel KT361. I vårt fall, när det gäller ström, är de lämpliga med bokstavsindexen "a, b, c, d", eftersom den maximala spänningen för EC är 20V, men i vårt problem är det bara 12V.

Låt oss anta att vi kommer att använda KT361A, med en förstärkning från 20 till 90. Eftersom vi behöver att transistorn garanteras öppnas helt, kommer vi att använda minimum Kus = 20 i beräkningen. Nu tänker vi. Vilken minimiström måste flyta mellan emittern och basen för att ge en ström på 50 mA genom EC?

50 mA / 20 gånger = 2,5 mA

Vilket strömbegränsande motstånd ska installeras för att passera en ström på 2,5 mA genom BE?

Allt är enkelt här. Ohms lag: I=U/R. Därför R = (12 V matning - 0,65 V förlust vid pn-övergången BE) / 0,0025 A = 4540 Ohm. Eftersom 2,5 mA är den minsta strömmen som i vårt fall ska flyta från emittern till basen, måste du välja närmaste motstånd med lägre resistans från standardområdet. Till exempel, med en 5% avvikelse skulle det vara ett 4,3 kOhm motstånd.

Nu om strömmen. För att tända en lampa med en märkström på 50 mA behöver vi byta en ström på endast 2,5 mA. Och detta är när man använder en konsumentvara, billig transistor, med låg Kus, utvecklad för 40 år sedan. Känner du skillnaden? Hur mycket kan dimensionerna på omkopplare (och därmed deras kostnad) minskas vid användning av transistorer.

Låt oss gå tillbaka till teorin igen.

I exemplen som diskuterats ovan använde vi endast en av transistoromkopplingskretsarna. Totalt, beroende på var vi levererar styrsignalen och var vi tar utsignalen från (på vilken elektrod som är gemensam för dessa signaler), finns det 3 huvudkretsar för att slå på bipolära transistorer (nåja, logiskt, eller hur? - transistorn) har 3 utgångar, Detta betyder att om du delar upp kretsarna enligt principen att en av terminalerna är gemensam, så kan det bli 3 kretsar totalt):

1) Gemensam emitterkrets.

Om vi ​​antar att inströmmen är basströmmen, inspänningen är spänningen vid BE-övergången, utströmmen är kollektorströmmen och utspänningen är spänningen mellan kollektorn och emittern, så kan vi skriva att: Iut/Iin=IK/Ib= β, Rin=Ube/Ib.

Dessutom, eftersom Uout = Epit-IK*R, är det tydligt att för det första kan utspänningen lätt göras mycket högre än ingången, och för det andra att utspänningen är inverterad i förhållande till ingången (när Ube = Uin ökar och inströmmen ökar - utströmmen ökar också, men Uke = Uout minskar).

Detta anslutningsschema (för korthetens skull betecknas det OE) är det vanligaste, eftersom det låter dig förstärka både ström och spänning, det vill säga det låter dig få maximal effektförstärkning. Jag noterar att denna extra effekt från den förstärkta signalen inte tas ur luften och inte från själva transistorn, utan från strömkällan (Epit), utan vilken transistorn inte kommer att kunna förstärka någonting och det kommer inte att finnas någon ström i utgångskretsen överhuvudtaget. (Jag tror - vi kommer att skriva mer detaljerat senare, i en separat artikel, om exakt hur transistorförstärkare fungerar och hur man beräknar dem).

2) Schema med en gemensam bas.

Här är ingångsströmmen emitterströmmen, ingångsspänningen är spänningen vid BE-övergången, utströmmen är kollektorströmmen och utspänningen är spänningen vid belastningen som är ansluten till kollektorkretsen. För denna krets: Iout≈Iin, eftersom Ik≈Ie, Rin=Ube/Ie.

En sådan krets (OB) förstärker bara spänningen och förstärker inte strömmen. Signalen i detta fall skiftar inte i fas.

3) Gemensam kollektorkrets(sändarföljare).

Här är ingångsströmmen basströmmen, och inspänningen är ansluten till förbindelsen mellan BE-transistorn och lasten, utströmmen är emitterströmmen och utspänningen är spänningen över lasten ansluten till emitterkretsen . För denna krets: Iut/Iin=Ie/Ib=(IK +I B)/I B =β+1, eftersom Vanligtvis är koefficienten β ganska stor, men ibland övervägs Iout/Iin≈β. Rin=Ube/Ib+R. Uout/Uin=(Ube+Uout)/Uout≈1.

Som du kan se förstärker en sådan krets (OK) strömmen och förstärker inte spänningen. Signalen i detta fall skiftar inte i fas. Dessutom har denna krets den högsta ingångsresistansen.

De orange pilarna i diagrammen ovan visar strömkretsarna som skapas av strömkällan till utgångskretsen (Epit) och själva insignalen (Uin). Som du kan se, i en krets med OB flyter strömmen som skapas av Epit inte bara genom transistorn, utan också genom källan till den förstärkta signalen, och i en krets med OK, tvärtom, strömmen som skapas av insignalen flödar inte bara genom transistorn utan också genom lasten (med dessa tecken kan du enkelt skilja ett anslutningsschema från ett annat).

Och slutligen, låt oss prata om hur man kontrollerar en bipolär transistor för användbarhet. I de flesta fall kan transistorns hälsa bedömas av tillståndet för pn-övergångarna. Om vi ​​betraktar dessa pn-övergångar oberoende av varandra, kan transistorn representeras som en kombination av två dioder (som i bilden till vänster). I allmänhet är den ömsesidiga påverkan av pn-övergångar det som gör en transistor till en transistor, men vid kontroll kan denna ömsesidiga påverkan ignoreras, eftersom vi applicerar spänning på transistorns terminaler i par (till två terminaler av tre). Följaktligen kan du kontrollera dessa pn-övergångar med en vanlig multimeter i diodtestläge. När du ansluter den röda sonden (+) till diodens katod, och den svarta till anoden, stängs pn-övergången (multimetern visar ett oändligt högt motstånd), om du byter sonderna kommer pn-övergången vara öppen (multimetern visar spänningsfallet över den öppna pn-övergången, vanligtvis 0,6-0,8 V). Vid anslutning av sonder mellan kollektorn och emittern kommer multimetern att visa oändligt högt motstånd, oavsett vilken sond som är ansluten till kollektorn och vilken till emittern.

Fortsättning följer…

Oavsett funktionsprincipen innehåller en halvledartransistor en enda kristall av huvudhalvledarmaterialet, oftast är det kisel, germanium eller galliumarsenid. Legeringstillsatser för bildning av p-n-övergångar, metallkablar tillsätts till basmaterialet.

Kristallen placeras i ett metall-, plast- eller keramikhölje för att skydda den från yttre påverkan. Det finns dock också oförpackade transistorer.

Funktionsprincipen för en bipolär transistor.

En bipolär transistor kan vara antingen p-n-p eller n-p-n beroende på växlingen av halvledarskikt i kristallen. Stiften kallas i alla fall bas, kollektor och emitter. Halvledarskiktet som motsvarar basen är inklämt mellan emitter- och kollektorskikten. Den har en i grunden mycket liten bredd. Laddningsbärare rör sig från sändaren genom basen till uppsamlaren. Villkoret för uppkomsten av ström mellan kollektorn och emittern är närvaron av fria bärare i basområdet. Dessa bärare tränger in där när en emitter-basström uppstår. orsaken till detta kan vara spänningsskillnaden mellan dessa elektroder.

De där. - för normal drift av en bipolär transistor som signalförstärkare är närvaron av en spänning på en viss miniminivå alltid nödvändig för att förspänna emitter-basövergången i framåtriktningen. Den direkta förspänningen av bas-emitterövergången, öppnar transistorn något, ställer in den så kallade driftspunkten för läget. För att harmoniskt förstärka signalen i spänning och ström används läge A I detta läge är spänningen mellan kollektorn och belastningen ungefär lika med halva matningsspänningen - det vill säga transistorns och belastningens utgångsresistans är ungefär. likvärdig. Om du nu applicerar en växelströmssignal till bas-emitterövergången, kommer emitter-kollektor RESISTANCE att ändras, vilket grafiskt upprepar formen på ingångssignalen. Följaktligen kommer samma sak att hända med strömmen som flyter genom emittern till kollektorn. Dessutom kommer strömmens amplitud att vara större än amplituden för insignalen - kommer att inträffa få signal.

Om du ökar bas-emitterförspänningen ytterligare kommer detta att leda till en ökning av strömmen i denna krets, och som ett resultat, en ännu större ökning av emitter-kollektorströmmen. Så småningom slutar strömmen att växa - transistorn går in i ett helt öppet tillstånd (mättnad). Om man sedan tar bort förspänningen kommer transistorn att stänga, emitter-kollektorströmmen minskar, nästan försvinner. Så transistorn kan fungera som elektronisk nyckel. Detta läge är det mest effektiva när det gäller effektkontroll när ström flyter genom en helt öppen transistor, är spänningsfallet minimalt. Följaktligen är strömförluster och uppvärmning av transistorövergångar små.

Det finns tre typer av anslutning av en bipolär transistor. Med en gemensam emitter (CE) - utförs förstärkning i både ström och spänning - den mest använda kretsen.
Förstärkarsteg byggda på detta sätt är lättare att matcha med varandra, eftersom värdena på deras ingångs- och utgångsresistans är relativt nära jämfört med de andra två typerna av anslutningar (även om de ibland skiljer sig tiotals gånger).

Med en gemensam kollektor (CC) utförs förstärkning endast av ström - den används för att matcha signalkällor med hög intern resistans (impedans) och låg resistansbelastning. Till exempel i slutsteg för förstärkare och styrenheter.

Med en gemensam bas (CB) utförs förstärkning endast med spänning. Den har låg ingångs- och hög utgångsimpedans och ett bredare frekvensområde. Detta gör det möjligt att använda en sådan anslutning för att matcha signalkällor med låg intern resistans (impedans) till det efterföljande förstärkningssteget. Till exempel i ingångskretsarna för radiomottagare.

Funktionsprincipen för en fälteffekttransistor.

En fälteffekttransistor, som en bipolär transistor, har tre elektroder. De kallas drain, source och gate. Om det inte finns någon spänning vid grinden och en positiv spänning appliceras på avloppet i förhållande till källan, flyter den maximala strömmen genom kanalen mellan källan och avloppet.

Det vill säga att transistorn är helt öppen. För att ändra det appliceras en negativ spänning på grinden, i förhållande till källan. Under påverkan av ett elektriskt fält (därav transistorns namn) smalnar kanalen, dess motstånd ökar och strömmen genom den minskar. Vid ett visst spänningsvärde smalnar kanalen av så mycket att strömmen praktiskt taget försvinner - transistorn stänger.

Figuren visar enheten för en fälteffekttransistor med isolerad grind (IGF).

Om en positiv spänning inte appliceras på porten till denna enhet, finns det ingen kanal mellan källan och avloppet och strömmen är noll. Transistorn är helt avstängd. Kanalen visas vid en viss minimispänning vid grinden (tröskelspänning). Sedan minskar kanalmotståndet tills transistorn öppnar helt.

Fälteffekttransistorer, både med p-n-övergång (kanal) och MOS (MDS), har följande anslutningskretsar: med en gemensam källa (CS) - en analog till en OE bipolär transistor; med ett gemensamt avlopp (OC) - en analog till en OK bipolär transistor; med en gemensam grind (OG) - en analog till OB för en bipolär transistor.

Baserat på kraften som försvinner i form av värme, särskiljs de:
lågeffekttransistorer - upp till 100 mW;
medeleffekttransistorer - från 0,1 till 1 W;
kraftfulla transistorer - mer än 1 W.

Viktiga parametrar för bipolära transistorer.

1. Strömöverföringskoefficient (förstärkning) - från 1 till 1000 vid konstant ström. När frekvensen ökar minskar den gradvis.
2. Den maximala spänningen mellan kollektorn och emittern (med basen öppen) För speciella högspänningstransistorer når tiotusentals volt.
3. Begränsa frekvensen till vilken strömöverföringskoefficienten är högre än 1. Upp till 100 000 Hz. för lågfrekventa transistorer, över 100 000 Hz. - i högfrekventa sådana.
4. Emitter-kollektormättnadsspänning - storleken på spänningsfallet mellan dessa elektroder för en helt öppen transistor.

Viktiga parametrar för fälteffekttransistorer.

De förstärkande egenskaperna hos en fälteffekttransistor bestäms av förhållandet mellan kollektorströmökningen och gate-source-spänningsökningen som orsakade det, dvs.

AId/AUGS

Detta förhållande kallas vanligtvis enhetens transkonduktans, men i själva verket är det överföringskonduktiviteten och mäts i milliampere per volt (mA / V).

Andra viktiga parametrar för fälteffekttransistorer ges nedan:
1. I Dmax - maximal dräneringsström.

2.U DSmax - maximal drain-source spänning.

3.U GSmax - maximal gate-source spänning.

4.Р Dmax - den maximala effekten som kan frigöras av enheten.

5.t on - typisk stigtid för dräneringsströmmen med en perfekt rektangulär insignal.

6.t off - typisk avklingningstid för avloppsström för en perfekt rektangulär insignal.

7.R DS(on)max - maximalt värde för käll-drain-motstånd i påslaget (öppet) tillstånd.

Användning av material från denna sida är tillåten förutsatt att det finns en länk till webbplatsen

Hälsningar, kära vänner! Idag kommer vi att prata om bipolära transistorer och informationen kommer att vara användbar främst för nybörjare. Så om du är intresserad av vad en transistor är, dess funktionsprincip och i allmänhet vad den används till, ta en bekvämare stol och kom närmare.

Låt oss fortsätta, och vi har innehåll här, det kommer att vara bekvämare att navigera i artikeln :)

Typer av transistorer

Transistorer är huvudsakligen av två typer: bipolära transistorer och fälteffekttransistorer. Naturligtvis var det möjligt att överväga alla typer av transistorer i en artikel, men jag vill inte laga gröt i ditt huvud. Därför kommer vi i den här artikeln uteslutande att titta på bipolära transistorer, och jag kommer att prata om fälteffekttransistorer i en av följande artiklar. Låt oss inte klumpa ihop allt, utan uppmärksamma var och en individuellt.

Bipolär transistor

Den bipolära transistorn är en ättling till tubtrioder, de som fanns i tv-apparater på 1900-talet. Trioder gick i glömska och gav plats för mer funktionella bröder - transistorer, eller snarare bipolära transistorer.

Med sällsynta undantag används trioder i utrustning för musikälskare.

Bipolära transistorer kan se ut så här.

Som du kan se har bipolära transistorer tre terminaler och deras design kan se helt annorlunda ut. Men på elektriska diagram ser de enkla ut och alltid likadana. Och all denna grafiska prakt ser ut ungefär så här.

Denna bild av transistorer kallas också UGO (Conventional graphic symbol).

Dessutom kan bipolära transistorer ha olika typer av konduktivitet. Det finns transistorer av NPN-typ och PNP-typ.

Skillnaden mellan en n-p-n-transistor och en p-n-p-transistor är bara att den är en "bärare" av elektrisk laddning (elektroner eller "hål"). De där. För en pnp-transistor rör sig elektroner från emittern till kollektorn och drivs av basen. För en n-p-n-transistor går elektroner från kollektorn till emittern och styrs av basen. Som ett resultat kommer vi till slutsatsen att för att ersätta en transistor av en konduktivitetstyp med en annan i en krets är det tillräckligt att ändra polariteten hos den applicerade spänningen. Eller dumt ändra polariteten på strömkällan.

Bipolära transistorer har tre terminaler: kollektor, emitter och bas. Jag tror att det kommer att bli svårt att bli förvirrad med UGO, men i en riktig transistor är det lättare än någonsin att bli förvirrad.

Vanligtvis var vilken utgång som bestäms är från referensboken, men du kan helt enkelt. Transistorns terminaler låter som två dioder anslutna till en gemensam punkt (i området för transistorns bas).

Till vänster finns en bild för en transistor av p-n-p-typ när du testar, får du känslan (genom multimeteravläsningar) att framför dig finns två dioder som är sammankopplade i en punkt med sina katoder. För en n-p-n transistor är dioderna vid baspunkten förbundna med sina anoder. Jag tror att det blir tydligare efter att ha experimenterat med en multimeter.

Funktionsprincipen för en bipolär transistor

Nu ska vi försöka ta reda på hur en transistor fungerar. Jag kommer inte att gå in på detaljer om transistorernas interna struktur eftersom denna information bara kommer att förvirra. Bättre ta en titt på den här ritningen.

Denna bild förklarar bäst arbetsprincipen för en transistor. På den här bilden styr en person kollektorströmmen med hjälp av en reostat. Han tittar på basströmmen, om basströmmen ökar, så ökar personen också kollektorströmmen, med hänsyn till förstärkningen av transistorn h21E. Om basströmmen sjunker, kommer kollektorströmmen också att minska - personen kommer att korrigera det med en reostat.

Denna analogi har ingenting att göra med den faktiska driften av en transistor, men den gör det lättare att förstå principerna för dess funktion.

För transistorer kan regler noteras för att göra saker lättare att förstå. (Dessa regler är hämtade från boken).

1. Samlaren har en mer positiv potential än emittern
2. Som jag redan sa fungerar baskollektor- och basemitterkretsarna som dioder
3. Varje transistor kännetecknas av gränsvärden som kollektorström, basström och kollektor-emitterspänning.
4. Om reglerna 1-3 följs, är kollektorströmmen Ik direkt proportionell mot basströmmen Ib. Detta förhållande kan skrivas som en formel.

Från denna formel kan vi uttrycka huvudegenskapen hos en transistor - en liten basström styr en stor kollektorström.

Nuvarande vinst.

Det betecknas också som

Baserat på ovanstående kan transistorn fungera i fyra lägen:

1. Transistoravstängningsläge— i detta läge är bas-emitterövergången stängd, detta kan hända när bas-emitterspänningen är otillräcklig. Som ett resultat finns det ingen basström och därför blir det heller ingen kollektorström.
2. Transistor aktivt läge- detta är det normala driftsättet för transistorn. I detta läge är bas-emitterspänningen tillräcklig för att få bas-emitterövergången att öppnas. Basströmmen är tillräcklig och kollektorströmmen finns också tillgänglig. Kollektorströmmen är lika med basströmmen multiplicerad med förstärkningen.
3. Transistormättnadsläge - Transistorn växlar till detta läge när basströmmen blir så stor att kraftkällans effekt helt enkelt inte räcker till för att ytterligare öka kollektorströmmen. I detta läge kan kollektorströmmen inte öka efter en ökning av basströmmen.
4. Inverterat transistorläge— detta läge används extremt sällan. I detta läge byts transistorns kollektor och emitter. Som ett resultat av sådana manipulationer lider förstärkningen av transistorn mycket. Transistorn var ursprungligen inte konstruerad för att fungera i ett sådant speciellt läge.

För att förstå hur en transistor fungerar måste du titta på specifika kretsexempel, så låt oss titta på några av dem.

Transistor i switchläge

En transistor i switchläge är ett av fallen med transistorkretsar med en gemensam emitter. Transistorkretsen i omkopplingsläge används mycket ofta. Denna transistorkrets används till exempel när det är nödvändigt att styra en kraftfull belastning med hjälp av en mikrokontroller. Styrbenet är inte kapabelt att dra en kraftig last, men transistorn kan. Det visar sig att styrenheten styr transistorn, och transistorn styr en kraftfull belastning. Tja, först till kvarn.

Huvudidén med detta läge är att basströmmen styr kollektorströmmen. Dessutom är kollektorströmmen mycket större än basströmmen. Här kan du med blotta ögat se att den aktuella signalen förstärks. Denna förstärkning utförs med hjälp av energin från strömkällan.

Figuren visar ett diagram över driften av en transistor i omkopplingsläge.

För transistorkretsar spelar spänningar ingen stor roll, bara strömmar är viktiga. Därför, om förhållandet mellan kollektorströmmen och basströmmen är mindre än transistorns förstärkning, är allt okej.

I det här fallet, även om vi har en spänning på 5 volt på basen och 500 volt i kollektorkretsen, kommer inget dåligt att hända, transistorn kommer lydigt att byta högspänningsbelastningen.

Huvudsaken är att dessa spänningar inte överstiger gränsvärdena för en specifik transistor (inställd i transistoregenskaperna).

Så vitt vi vet är det aktuella värdet ett kännetecken för lasten.

Vi vet inte glödlampans resistans, men vi vet att glödlampans driftsström är 100 mA. För att transistorn ska öppna och tillåta sådan ström att flöda måste du välja lämplig basström. Vi kan justera basströmmen genom att ändra värdet på basmotståndet.

Eftersom minimivärdet för transistorförstärkningen är 10, måste basströmmen bli 10 mA för att transistorn ska öppnas.

Den ström vi behöver är känd. Spänningen över basmotståndet blir Detta spänningsvärde över motståndet beror på att 0,6V-0,7V tappas vid bas-emitterövergången och vi får inte glömma att ta hänsyn till detta.

Som ett resultat kan vi enkelt hitta motståndet i motståndet

Allt som återstår är att välja ett specifikt värde från ett antal motstånd och det är klart.

Nu tror du säkert att transistoromkopplaren kommer att fungera som den ska? Att när basmotståndet är kopplat till +5 V så lyser glödlampan, när den släcks slocknar glödlampan? Svaret kan eller kanske inte är ja.

Saken är den att det finns en liten nyans här.

Glödlampan slocknar när motståndets potential är lika med jordpotentialen. Om motståndet helt enkelt kopplas bort från spänningskällan är allt inte så enkelt. Spänningen på basmotståndet kan mirakulöst uppstå som ett resultat av störningar eller någon annan utomjordisk ond ande :)

För att förhindra att denna effekt inträffar, gör följande. Ett annat motstånd Rbe är anslutet mellan basen och emittern. Detta motstånd är valt med ett värde som är minst 10 gånger större än basmotståndet Rb (I vårt fall tog vi ett 4,3 kOhm motstånd).

När basen är ansluten till valfri spänning fungerar transistorn som den ska, motståndet Rbe stör den inte. Detta motstånd förbrukar endast en liten del av basströmmen.

I det fall då spänning inte läggs på basen, dras basen upp till jordpotentialen, vilket räddar oss från alla typer av störningar.

Så i princip har vi räknat ut transistorns funktion i nyckelläget, och som du kan se är nyckelläget en slags spänningsförstärkning av signalen. Trots allt styrde vi en spänning på 12 V med en lågspänning på 5V.

Emitterföljare

En emitterföljare är ett specialfall av transistorkretsar med gemensamma kollektorer.

Ett utmärkande drag för en krets med en gemensam kollektor från en krets med en gemensam emitter (tillval med en transistoromkopplare) är att denna krets inte förstärker spänningssignalen. Det som gick in genom basen kom ut genom emittern, med samma spänning.

Sannerligen, låt oss säga att vi applicerade 10 volt på basen, medan vi vet att vid bas-emitterövergången någonstans runt 0,6-0,7V tappas. Det visar sig att vid utgången (vid sändaren, vid belastningen Rн) kommer det att finnas en basspänning på minus 0,6V.

Det blev 9,4V, med ett ord, nästan lika mycket som gick in och ut. Vi såg till att denna krets inte kommer att öka signalen för oss vad gäller spänning.

"Vad är meningen med att slå på transistorn så här?" frågar du. Men det visar sig att detta system har en annan mycket viktig egenskap. Kretsen för att ansluta en transistor med en gemensam kollektor förstärker signalen i termer av effekt. Effekt är produkten av ström och spänning, men eftersom spänningen inte ändras, alltså effekten ökar endast på grund av ström! Belastningsströmmen är summan av basströmmen plus kollektorströmmen. Men om man jämför basströmmen och kollektorströmmen är basströmmen väldigt liten jämfört med kollektorströmmen. Det visar sig att belastningsströmmen är lika med kollektorströmmen. Och resultatet är denna formel.

Nu tror jag att det är klart vad kärnan i emitterföljarkretsen är, men det är inte allt.

Emitterföljaren har en annan mycket värdefull kvalitet - hög ingångsimpedans. Detta innebär att denna transistorkrets nästan inte förbrukar någon inström och skapar ingen belastning på signalkällans krets.

För att förstå principen för driften av en transistor kommer dessa två transistorkretsar att vara ganska tillräckliga. Och om du experimenterar med en lödkolv i dina händer, kommer uppenbarelsen helt enkelt inte att ta lång tid att komma fram, eftersom teori är teori, och praktik och personlig erfarenhet är hundratals gånger mer värdefull!

Var kan jag köpa transistorer?

Precis som alla andra radiokomponenter kan transistorer köpas i alla närliggande radiodelarbutiker. Om du bor någonstans i utkanten och inte har hört talas om sådana butiker (som jag gjorde tidigare), så återstår det sista alternativet - beställ transistorer från en onlinebutik. Själv beställer jag ofta radiokomponenter genom webbutiker, eftersom något kanske helt enkelt inte finns i en vanlig offlinebutik.

Men om du monterar en enhet enbart för dig själv, kan du inte oroa dig för det, utan extrahera den från den gamla och, så att säga, blåsa nytt liv i den gamla radiokomponenten.

Vänner, det är allt för mig. Jag berättade allt jag planerat idag. Om du har några frågor, ställ dem i kommentarerna, om du inte har några frågor, skriv kommentarer ändå, din åsikt är alltid viktig för mig. Förresten, glöm inte att alla som lämnar en kommentar för första gången kommer att få en gåva.

Se också till att prenumerera på nya artiklar, eftersom många intressanta och användbara saker väntar dig längre.

Jag önskar dig lycka till, framgång och ett soligt humör!

Från n/a Vladimir Vasiliev

P.S. Vänner, se till att prenumerera på uppdateringar! Genom att prenumerera får du nytt material direkt till din e-post! Och förresten, alla som anmäler sig får en användbar present!