Первый транзистор с биполярным переходом был изобретен в 1947 году в лабораториях Bell. «Две полярности» сокращенно обозначают как биполярный, отсюда и название транзистор с биполярным переходом. BJT - это трехконтактное устройство с коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E). Для идентификации выводов транзистора требуется схема выводов конкретной части BJT, она будет доступна в таблице данных. Есть два типа BJT - NPN и PNP транзисторы. В этом уроке мы поговорим о транзисторах NPN. Рассмотрим два примера транзисторов NPN - BC547A и PN2222A, показанные на изображениях выше.
В зависимости от процесса изготовления конфигурация выводов будет изменяться, и подробности будут доступны в соответствующем техническом описании. По мере увеличения номинальной мощности транзистора необходимо прикрепить к корпусу транзистора необходимый радиатор. Несмещенный транзистор или транзистор без напряжения, приложенного к клеммам, аналогичен двум диодам, соединенным друг с другом, как показано на рисунке ниже.
Диод D1 имеет свойство обратной проводимости, основанное на прямой проводимости диода D2. Когда через диод D2 протекает ток, диод D1 воспринимает ток, и пропорциональный ток может течь в обратном направлении от вывода коллектора к выводу эмиттера при условии, что на выводе коллектора приложен более высокий потенциал. Постоянная пропорциональности - это усиление (β).
Работа транзисторов NPN:
Как обсуждалось выше, транзистор представляет собой устройство с регулируемым током, которое имеет два обедненных слоя с определенным барьерным потенциалом, необходимым для диффузии обедненного слоя. Потенциал барьера для кремниевого транзистора составляет 0,7 В при 25 ° C и 0,3 В при 25 ° C для германиевого транзистора. В основном используются транзисторы кремниевого типа, поскольку кремний является самым распространенным элементом на Земле после кислорода.
Внутренняя операция:
Конструкция NPN транзистора является то, что коллектор и эмиттера области легированы п-типа материалом и базовая область, легированная небольшим слоем р-типа материала. Область эмиттера сильно легирована по сравнению с областью коллектора. Эти три области образуют два стыка. Это переход коллектор-база (CB) и переход база-эмиттер.
Когда к переходу база-эмиттер прикладывается потенциал VBE, возрастающий от 0 В, электроны и дырки начинают накапливаться в обедненной области. Когда потенциал увеличивается выше 0,7 В, достигается барьерное напряжение и происходит диффузия. Следовательно, электроны текут к положительному выводу, а ток базы (IB) противоположен потоку электронов. Кроме того, ток от коллектора к эмиттеру начинает течь, если на выводе коллектора подано напряжение VCE. Транзистор может действовать как переключатель и усилитель.
Зона действия в зависимости от режима работы:
1. Активная область, IC = β × IB - работа усилителя.
2. Область насыщения, IC = ток насыщения - переключение (полностью включено)
3. Область отключения, IC = 0 - переключение (полностью выключено)
Транзистор как переключатель:
Для объяснения с помощью PSPICE была выбрана модель BC547A. Первое, что нужно иметь в виду - использовать в базе резистор, ограничивающий ток. Более высокие базовые токи повредят BJT. Из таблицы данных максимальный ток коллектора составляет 100 мА, и указано соответствующее усиление (hFE или β).
Шаги по выбору компонентов, 1. Найдите ток коллектора - это ток, потребляемый вашей нагрузкой. В этом случае это будет 60 мА (катушка реле или параллельные светодиоды) и резистор = 200 Ом.
2. Для приведения транзистора в состояние насыщения должен быть подан достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью открыт. Расчет тока базы и соответствующего резистора, который будет использоваться.
Для полного насыщения базовый ток составляет примерно 0,6 мА (не слишком высокий или слишком низкий). Таким образом, ниже приведена схема с 0 В на базу, во время которой переключатель находится в выключенном состоянии.
a) имитация PSPICE BJT как переключателя и б) эквивалентное состояние переключения
Теоретически переключатель полностью разомкнут, но практически можно наблюдать протекание тока утечки. Этим током можно пренебречь, так как они находятся в пА или нА. Для лучшего понимания управления током транзистор можно рассматривать как переменный резистор между коллектором (C) и эмиттером (E), сопротивление которого изменяется в зависимости от тока через базу (B).
Первоначально, когда ток не течет через базу, сопротивление через CE очень велико, и ток не течет через него. Когда к базовому выводу прикладывается потенциал 0,7 В и выше, соединение BE диффундирует и вызывает диффузию перехода CB. Теперь ток течет от коллектора к эмиттеру в зависимости от коэффициента усиления.
a) имитация PSPICE BJT как переключателя и б) эквивалентное состояние переключения
Теперь давайте посмотрим, как контролировать выходной ток, управляя базовым током. Учитывая, что IC = 42 мА и следуя той же формуле выше, мы получаем IB = 0,35 мА; RB = 14,28кОм ≈ 15кОм.
a) имитация PSPICE BJT как переключателя и б) эквивалентное состояние переключения
Отклонение практического значения от расчетного связано с падением напряжения на транзисторе и используемой резистивной нагрузкой.
Транзистор как усилитель:
Усиление - это преобразование слабого сигнала в пригодную для использования форму. Процесс усиления был важным шагом во многих приложениях, таких как беспроводные передаваемые сигналы, беспроводные принимаемые сигналы, Mp3-плееры, мобильные телефоны и т. Д. Транзистор может усиливать мощность, напряжение и ток в различных конфигурациях.
Некоторые из конфигураций, используемых в схемах усилителя:
- Усилитель с общим эмиттером
- Усилитель с общим коллектором
- Усилитель с общей базой
Из вышеперечисленных типов наиболее распространенной и наиболее часто используемой конфигурацией является тип эмиттера. Работа происходит в активной области. Примером может служить схема одноступенчатого усилителя с общим эмиттером. Стабильная точка смещения постоянного тока и стабильное усиление по переменному току важны при разработке усилителя. Назовите одноступенчатый усилитель, когда используется только один транзистор.
Выше представлена схема одноступенчатого усилителя, в которой слабый сигнал, подаваемый на вывод базы, преобразуется в β, умноженный на фактический сигнал на выводе коллектора.
Назначение детали:
CIN - это конденсатор связи, который передает входной сигнал на базу транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует источник от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. CE - это байпасный конденсатор, который действует как путь с низким сопротивлением для усиленного сигнала. COUT - это конденсатор связи, который передает выходной сигнал с коллектора транзистора. Таким образом, этот конденсатор изолирует выход от транзистора и пропускает только сигнал переменного тока. R2 и RE обеспечивают стабильность усилителя, тогда как R1 и R2 вместе обеспечивают стабильность в точке смещения постоянного тока, действуя как делитель потенциала.
Операция:
Схема работает мгновенно для каждого временного интервала. Чтобы просто понять, когда напряжение переменного тока на клемме базы увеличивается, соответствующее увеличение тока протекает через резистор эмиттера. Таким образом, это увеличение тока эмиттера увеличивает более высокий ток коллектора, протекающий через транзистор, что уменьшает падение VCE коллектора-эмиттера. Аналогичным образом, когда входное переменное напряжение экспоненциально уменьшается, напряжение VCE начинает расти из-за уменьшения тока эмиттера. Все эти изменения напряжений мгновенно отражаются на выходе, который будет инвертированной формой волны входа, но усиленной.
|
Характеристики |
Общая база |
Общий эмиттер |
Общий Коллекционер |
|
Усиление напряжения |
Высоко |
Средняя |
Низкий |
|
Текущая прибыль |
Низкий |
Средняя |
Высоко |
|
Прирост мощности |
Низкий |
Очень высоко |
Средняя |
Таблица: Таблица сравнения коэффициентов усиления
На основании приведенной выше таблицы можно использовать соответствующую конфигурацию.