Pierwszy bipolarny tranzystor złączowy został wynaleziony w 1947 roku w laboratoriach Bell. „Dwie polaryzacje” są w skrócie bipolarne, stąd nazwa tranzystor bipolarny. BJT to urządzenie z trzema zaciskami z kolektorem (C), podstawą (B) i emiterem (E). Identyfikacja końcówek tranzystora wymaga schematu pinów konkretnej części BJT, będzie on dostępny w arkuszu danych. Istnieją dwa rodzaje tranzystorów BJT - NPN i PNP. W tym samouczku porozmawiamy o tranzystorach NPN. Rozważmy dwa przykłady tranzystorów NPN - BC547A i PN2222A, pokazane na powyższych obrazkach.
W zależności od procesu produkcyjnego konfiguracja pinów ulegnie zmianie, a szczegóły będą dostępne w odpowiednim arkuszu danych. W miarę wzrostu mocy znamionowej tranzystora do korpusu tranzystora należy podłączyć niezbędny radiator. Nieobciążony tranzystor lub tranzystor bez potencjału przyłożonego na zaciskach jest podobny do dwóch diod połączonych plecami do siebie, jak pokazano na poniższym rysunku.
Dioda D1 ma właściwość przewodzenia wstecznego opartą na przewodzeniu do przodu diody D2. Kiedy prąd przepływa przez diodę D2, dioda D1 wyczuwa prąd i proporcjonalny prąd będzie mógł płynąć w odwrotnym kierunku od zacisku kolektora do zacisku emitera, pod warunkiem przyłożenia wyższego potencjału do zacisku kolektora. Stała proporcjonalności to Wzmocnienie (β).
Działanie tranzystorów NPN:
Jak omówiono powyżej, tranzystor jest urządzeniem sterowanym prądem, które ma dwie warstwy zubożenia o określonym potencjale bariery wymaganym do rozproszenia warstwy zubożonej. Potencjał bariery dla tranzystora krzemowego wynosi 0,7 V przy 25 ° C i 0,3 V przy 25 ° C dla tranzystora germanowego. Najczęściej stosowanym typem tranzystora jest krzem, ponieważ krzem jest po tlenie najpowszechniejszym pierwiastkiem na Ziemi.
Obsługa wewnętrzna:
Budowa tranzystora npn jest to, że obszary kolektora i emitera są domieszkowane materiałem typu n a rejonem podstawnym jest domieszkowany małą warstwą materiału typu p. Obszar emitera jest silnie domieszkowany w porównaniu z obszarem kolektora. Te trzy regiony tworzą dwa skrzyżowania. Są to złącze kolektor-podstawa (CB) i połączenie baza-emiter.
Kiedy potencjalne VBE jest przyłożone do złącza podstawa-emiter, wzrastając od 0 V, elektrony i dziury zaczynają gromadzić się w regionie zubożenia. Gdy potencjał wzrośnie powyżej 0,7 V, napięcie bariery zostaje osiągnięte i następuje dyfuzja. Stąd elektrony płyną w kierunku dodatniego bieguna, a prąd bazowy (IB) jest przeciwny do przepływu elektronów. Poza tym prąd z kolektora do emitera zaczyna płynąć pod warunkiem przyłożenia napięcia VCE do zacisku kolektora. Tranzystor może działać jako przełącznik i wzmacniacz.
Region pracy a tryb pracy:
1. Obszar aktywny, IC = β × IB - Działanie wzmacniacza
2. Region nasycenia, IC = prąd nasycenia - operacja przełączania (całkowicie włączona)
3. Obszar odcięcia, IC = 0 - operacja przełączania (całkowicie WYŁĄCZONA)
Tranzystor jako przełącznik:
W celu wyjaśnienia z modelem PSPICE wybrano BC547A. Pierwszą ważną rzeczą, o której należy pamiętać, jest użycie rezystora ograniczającego prąd u podstawy. Wyższe prądy bazowe spowodują uszkodzenie BJT. Z arkusza danych maksymalny prąd kolektora wynosi 100 mA i podano odpowiednie wzmocnienie (hFE lub β).
Kroki, aby wybrać komponenty, 1. Znajdź kreator prądu kolektora prąd pobierany przez obciążenie. W tym przypadku będzie to 60 mA (cewka przekaźnika lub równoległe diody LED), a rezystor = 200 omów.
2. Aby wprowadzić tranzystor w stan nasycenia, należy dostarczyć wystarczający prąd bazowy, tak aby tranzystor był całkowicie włączony. Obliczenie prądu bazowego i odpowiedniego rezystora, który ma być użyty.
Aby uzyskać pełne nasycenie, prąd bazowy jest przybliżony do 0,6 mA (nie za wysoki ani za niski). Poniżej znajduje się obwód z 0 V do bazy, podczas którego przełącznik jest w stanie WYŁĄCZENIA.
a) PSPICE Symulacja BJT jako przełącznika oraz b) równoważny stan przełącznika
Teoretycznie łącznik jest całkowicie otwarty, ale praktycznie można zaobserwować przepływ prądu upływu. Ten prąd jest pomijalny, ponieważ są w pA lub nA. Aby lepiej zrozumieć sterowanie prądem, tranzystor można uznać za rezystor zmienny między kolektorem (C) i emiterem (E), którego rezystancja zmienia się w zależności od prądu płynącego przez bazę (B).
Początkowo, gdy żaden prąd nie przepływa przez podstawę, rezystancja na CE jest bardzo duża i żaden prąd przez nią nie przepływa. Gdy do zacisku podstawowego przyłożony jest potencjał 0,7 V i więcej, złącze BE rozprasza i powoduje dyfuzję złącza CB. Teraz prąd płynie od kolektora do emitera w oparciu o wzmocnienie.
a) PSPICE Symulacja BJT jako przełącznika oraz b) równoważny stan przełącznika
Zobaczmy teraz, jak kontrolować prąd wyjściowy, kontrolując prąd podstawowy. Biorąc pod uwagę IC = 42 mA i stosując ten sam wzór powyżej, otrzymujemy IB = 0,35 mA; RB = 14,28 kOhm ≈ 15 kOhm.
a) PSPICE Symulacja BJT jako przełącznika oraz b) równoważny stan przełącznika
Odchylenie wartości praktycznej od wartości obliczonej jest spowodowane spadkiem napięcia na tranzystorze i zastosowanym obciążeniem rezystancyjnym.
Tranzystor jako wzmacniacz:
Wzmocnienie polega na przekształceniu słabego sygnału w użyteczną formę. Proces wzmacniania był ważnym krokiem w wielu zastosowaniach, takich jak sygnały przesyłane bezprzewodowo, sygnały odbierane bezprzewodowo, odtwarzacze Mp3, telefony komórkowe itp. Tranzystor może wzmacniać moc, napięcie i prąd w różnych konfiguracjach.
Niektóre z konfiguracji stosowanych w obwodach wzmacniacza to
- Wspólny wzmacniacz emitera
- Wspólny wzmacniacz kolektorowy
- Wspólny wzmacniacz bazowy
Spośród powyższych typów typowym typem emitera jest popularna i najczęściej używana konfiguracja. Operacja odbywa się w obszarze aktywnym, przykładem jest jednostopniowy obwód wspólnego wzmacniacza emitera. Stabilny punkt odchylenia DC i stabilne wzmocnienie AC są ważne przy projektowaniu wzmacniacza. Nazwa wzmacniacza jednostopniowego, gdy używany jest tylko jeden tranzystor.
Powyżej znajduje się jednostopniowy obwód wzmacniacza, w którym słaby sygnał przyłożony do zacisku podstawowego jest konwertowany na β-krotność rzeczywistego sygnału na zacisku kolektora.
Częściowy cel:
CIN to kondensator sprzęgający, który łączy sygnał wejściowy z podstawą tranzystora. W ten sposób kondensator izoluje źródło od tranzystora i przepuszcza tylko sygnał AC. CE to kondensator obejściowy, który działa jako ścieżka o niskiej rezystancji dla wzmocnionego sygnału. COUT to kondensator sprzęgający, który łączy sygnał wyjściowy z kolektora tranzystora. W ten sposób ten kondensator izoluje wyjście od tranzystora i przepuszcza tylko sygnał AC. R2 i RE zapewniają stabilność wzmacniaczowi, podczas gdy R1 i R2 razem zapewniają stabilność w punkcie odchylenia prądu stałego, działając jako dzielnik potencjału.
Operacja:
Obwód działa natychmiastowo w każdym przedziale czasu. Po prostu zrozumiałe, kiedy napięcie przemienne na zacisku bazowym wzrasta, odpowiedni wzrost prądu przepływa przez rezystor emitera. Tak więc, ten wzrost prądu emitera zwiększa wyższy prąd kolektora przepływający przez tranzystor, co zmniejsza spadek poziomu emitera kolektora VCE. Podobnie, gdy napięcie wejściowe AC zmniejsza się wykładniczo, napięcie VCE zaczyna rosnąć z powodu spadku prądu emitera. Wszystkie te zmiany napięć odbijają się natychmiastowo na wyjściu, które będzie odwróconym przebiegiem wejściowym, ale wzmocnionym.
|
Charakterystyka |
Wspólna podstawa |
Wspólny emiter |
Wspólny kolekcjoner |
|
Wzmocnienie napięcia |
Wysoki |
Średni |
Niska |
|
Aktualny zysk |
Niska |
Średni |
Wysoki |
|
Zysk mocy |
Niska |
Bardzo wysoko |
Średni |
Tabela: Tabela porównawcza korzyści
Na podstawie powyższej tabeli można wykorzystać odpowiednią konfigurację.