Prvý bipolárny tranzistor bol vynájdený v roku 1947 v laboratóriách Bell. „Dve polarity“ sa skratkou označuje ako bipolárny, preto sa nazýva bipolárny spojovací tranzistor. BJT je trojkoncové zariadenie so zberačom (C), základňou (B) a vysielačom (E). Identifikácia terminálov tranzistora vyžaduje pinový diagram konkrétnej BJT časti, bude k dispozícii v údajovom liste. Existujú dva typy tranzistorov BJT - NPN a PNP. V tomto návode si povieme o tranzistoroch NPN. Uvažujme o dvoch príkladoch tranzistorov NPN - BC547A a PN2222A, ktoré sú zobrazené na obrázkoch vyššie.
Na základe procesu výroby sa zmení konfigurácia kolíkov a podrobnosti budú k dispozícii v príslušnom údajovom liste. Pretože sa výkon tranzistora zvyšuje, je potrebné k telu tranzistora pripojiť nevyhnutný chladič. Nestranný tranzistor alebo tranzistor bez potenciálu použitého na svorkách je podobný dvom diódam zapojeným navzájom zozadu, ako je to znázornené na obrázku nižšie.
Dióda D1 má vlastnosť spätného vedenia na základe dopredného vedenia diódy D2. Keď prúd preteká diódou D2, dióda D1 sníma prúd a proporcionálny prúd bude môcť tiecť v opačnom smere z terminálu kolektora na terminál emitora, ak sa na terminál kolektora použije vyšší potenciál. Proporcionálna konštanta je zisk (β).
Fungovanie NPN tranzistorov:
Ako bolo diskutované vyššie, tranzistor je prúdom riadené zariadenie, ktoré má dve vyčerpávajúce vrstvy so špecifickým bariérovým potenciálom potrebným na rozptýlenie vyčerpávajúcej vrstvy. Bariérový potenciál pre kremíkový tranzistor je 0,7 V pri 25 ° C a 0,3 V pri 25 ° C pre germániový tranzistor. Najčastejšie sa používa bežný typ tranzistora kremíkového typu, pretože kremík je po kyslíku najhojnejším prvkom na zemi.
Interná prevádzka:
Konštrukcia tranzistora NPN je, že kolektorom a emitorom oblasti sú dotované n typu materiálu a oblasť bázy je dopovaný s malou vrstvou p-typu materiálu. Emitorová oblasť je v porovnaní s kolektorovou oblasťou výrazne dotovaná. Tieto tri regióny tvoria dva spojovacie body. Sú to spojenie kolektor-základňa (CB) a spojenie základňa-vysielač.
Keď sa potenciálny VBE aplikuje na križovatku Base-Emitter od 0 V, elektróny a otvory sa začnú hromadiť v oblasti vyčerpania. Keď sa potenciál zvýši nad 0,7 V, dosiahne sa bariérové napätie a dôjde k difúzii. Preto elektróny prúdia smerom ku kladnému pólu a toky základného prúdu (IB) sú proti toku elektrónov. Okrem toho začne prúdiť prúd z kolektora do emitora za predpokladu, že sa na svorke kolektora použije napätie VCE. Tranzistor môže fungovať ako prepínač a zosilňovač.
Prevádzková oblasť verzus režim činnosti:
1. Aktívna oblasť, IC = β × IB - prevádzka zosilňovača
2. Oblasť nasýtenia, IC = Saturačný prúd - prevádzka spínača (úplne zapnutá)
3. Oblasť cut-off, IC = 0 - prepínanie (úplne vypnuté)
Tranzistor ako prepínač:
Pre vysvetlenie bol vybraný model PSPICE BC547A. Prvá dôležitá vec, ktorú treba mať na pamäti, je použitie rezistora obmedzujúceho prúd v základni. Vyššie základné prúdy poškodia BJT. Z technického listu je maximálny prúd kolektora 100 mA a je daný zodpovedajúci zisk (hFE alebo β).
Kroky na výber komponentov, 1. Nájdite prúd kolektora prúd, ktorý spotrebuje vaša záťaž. V tomto prípade to bude 60 mA (reléová cievka alebo paralelné LED) a odpor = 200 Ohmov.
2. Aby sa tranzistor dostal do stavu nasýtenia, musí sa dodať dostatočný základný prúd, aby bol tranzistor úplne zapnutý. Výpočet základného prúdu a zodpovedajúci odpor, ktorý sa má použiť.
Pre úplnú saturáciu je základný prúd približne 0,6 mA (nie príliš vysoký alebo príliš nízky). Ďalej je uvedený obvod s 0 V na základňu, počas ktorého je spínač v stave VYPNUTÉ.
a) PSPICE Simulácia BJT ako prepínača ab) ekvivalentná podmienka prepínača
Teoreticky je spínač úplne otvorený, ale prakticky je možné pozorovať tok unikajúceho prúdu. Tento prúd je zanedbateľný, pretože sú v pA alebo nA. Pre lepšie pochopenie riadenia prúdu možno tranzistor považovať za premenný rezistor cez kolektor (C) a emitor (E), ktorého odpor sa líši v závislosti na prúde cez bázu (B).
Spočiatku, keď základňou nepreteká žiadny prúd, je odpor cez CE veľmi vysoký, takže ňou nepreteká žiadny prúd. Keď sa na svorku základne použije potenciál 0,7 V a viac, spoj BE sa rozptýli a spôsobí rozptyl spojenia CB. Teraz prúd preteká z kolektora do emitora na základe zisku.
a) PSPICE Simulácia BJT ako prepínača ab) ekvivalentná podmienka prepínača
Teraz sa pozrime, ako riadiť výstupný prúd riadením základného prúdu. Ak vezmeme do úvahy IC = 42mA a podľa rovnakého vyššie uvedeného vzorca dostaneme IB = 0,35mA; RB = 14,28 kOhm ≈ 15 kOhm.
a) PSPICE Simulácia BJT ako prepínača ab) ekvivalentná podmienka prepínača
Odchýlka praktickej hodnoty od vypočítanej hodnoty je spôsobená poklesom napätia na tranzistore a použitou odporovou záťažou.
Tranzistor ako zosilňovač:
Zosilnenie je prevádzanie slabého signálu do použiteľnej formy. Proces zosilnenia bol dôležitým krokom v mnohých aplikáciách, ako sú bezdrôtové vysielané signály, bezdrôtové prijímané signály, MP3 prehrávače, mobilné telefóny atď., Tranzistor môže zosilňovať výkon, napätie a prúd v rôznych konfiguráciách.
Niektoré konfigurácie používané v obvodoch zosilňovača sú
- Spoločný emitorový zosilňovač
- Spoločný kolektorový zosilňovač
- Spoločný základný zosilňovač
Z vyššie uvedených typov je bežným typom vysielača populárna a väčšinou používaná konfigurácia. Operácia sa vyskytuje v aktívnej oblasti. Príkladom je jednostupňový obvod spoločného zosilňovača emitorov. Stabilný bod predpätia DC a stabilný zisk AC sú dôležité pri návrhu zosilňovača. Pomenujte jednostupňový zosilňovač, keď sa používa iba jeden tranzistor.
Vyššie je uvedený jednostupňový obvod zosilňovača, kde sa slabý signál aplikovaný na základnej svorke prevádza na β-násobok skutočného signálu na svorke kolektora.
Účel časti:
CIN je väzbový kondenzátor, ktorý spája vstupný signál so základňou tranzistora. Tento kondenzátor teda izoluje zdroj od tranzistora a umožňuje prechod iba striedavého signálu. CE je obtokový kondenzátor, ktorý slúži ako cesta s nízkym odporom pre zosilnený signál. COUT je väzbový kondenzátor, ktorý spája výstupný signál z kolektora tranzistora. Tento kondenzátor teda izoluje výstup od tranzistora a umožňuje prechod iba striedavého signálu. R2 a RE poskytujú stabilitu zosilňovača, zatiaľ čo R1 a R2 spoločne zaisťujú stabilitu v predpätom bode DC pôsobením ako delič potenciálu.
Prevádzka:
Okruh pracuje okamžite pre každý časový interval. Jednoducho pochopiteľné, keď sa striedavé napätie na základnej svorke zvýši, príslušné zvýšenie prúdu tečie cez odpor emitora. Toto zvýšenie prúdu emitora teda zvyšuje vyšší prúd kolektora pretekajúci tranzistorom, ktorý znižuje pokles kolektora emitora VCE. Podobne, keď vstupné striedavé napätie exponenciálne klesá, napätie VCE sa začne zvyšovať v dôsledku poklesu prúdu emitora. Všetky tieto zmeny napätia sa odrazia okamžite na výstupe, ktorý bude obráteným tvarom signálu na vstupe, ale zosilní sa.
|
Charakteristiky |
Spoločná základňa |
Vysielač obyčajný |
Spoločný zberateľ |
|
Zisk napätia |
Vysoký |
Stredná |
Nízka |
|
Aktuálny zisk |
Nízka |
Stredná |
Vysoký |
|
Zisk sily |
Nízka |
Veľmi vysoko |
Stredná |
Tabuľka: Porovnávacia tabuľka ziskov
Na základe vyššie uvedenej tabuľky je možné použiť zodpovedajúcu konfiguráciu.