Belangrijkste selectiekarakteristieken van bipolaire transistors. Transistor en bipolaire transistor, berekening van de transistorcascade

ONDERWERP 4. BIPOLAIRE TRANSISTORS

4.1 Ontwerp en werkingsprincipe

Een bipolaire transistor is een halfgeleiderapparaat dat bestaat uit drie gebieden met wisselende elektrische geleidbaarheid en is geschikt voor vermogensversterking.

Momenteel geproduceerde bipolaire transistors kunnen worden geclassificeerd op basis van de volgende criteria:

Op materiaal: germanium en silicium;

Afhankelijk van het type geleidbaarheid van de gebieden: p-n-p- en n-p-n-types;

Op vermogen: laag (Pmax £ 0,3 W), gemiddeld (Pmax £ 1,5 W) en hoog vermogen (Pmax > 1,5 W);

Op frequentie: lage frequentie, middenfrequentie, hoge frequentie en magnetron.

In bipolaire transistors wordt de stroom bepaald door de beweging van ladingsdragers van twee typen: elektronen en gaten (of meerderheid en minderheid). Vandaar hun naam - bipolair.

Momenteel worden alleen transistors met vlakke pn-overgangen vervaardigd en gebruikt.

De structuur van een vlakke bipolaire transistor wordt schematisch weergegeven in figuur 2. 4.1.

Het is een plaat van germanium of silicium waarin drie gebieden met verschillende elektrische geleidbaarheid worden gecreëerd. In een n-p-n-transistor heeft het middelste gebied een gat en hebben de buitenste gebieden elektronische geleidbaarheid.

Transistors van het pnp-type hebben een middengebied met elektronische geleidbaarheid en buitenste gebieden met elektrische geleidbaarheid van de gaten.

Het middelste gebied van de transistor wordt de basis genoemd, het ene uiterste gebied is de emitter en het andere de collector. De transistor heeft dus twee pn-overgangen: de emitter - tussen de emitter en de basis en de collector - tussen de basis en de collector. Het oppervlak van de emitterovergang is kleiner dan het oppervlak van de collectorovergang.

De emitter is het gebied van de transistor dat tot doel heeft ladingsdragers in de basis te injecteren. Een collector is een gebied dat tot doel heeft ladingsdragers uit de basis te halen. De basis is het gebied waarin de emitter ladingsdragers injecteert die geen meerderheid vormen voor dit gebied.

De concentratie van de hoofdladingsdragers in de emitter is vele malen groter dan de concentratie van de hoofdladingsdragers in de basis, en hun concentratie in de collector is iets kleiner dan de concentratie in de emitter. Daarom is de geleidbaarheid van de emitter verschillende ordes van grootte hoger dan de geleidbaarheid van de basis, en is de geleidbaarheid van de collector iets kleiner dan de geleidbaarheid van de emitter.

Er worden conclusies getrokken uit de basis, de emitter en de collector. Afhankelijk van welke van de aansluitingen gemeenschappelijk is voor de ingangs- en uitgangscircuits, zijn er drie circuits voor het aansluiten van de transistor: met een gemeenschappelijke basis (CB), een gemeenschappelijke emitter (CE) en een gemeenschappelijke collector (CC).

Het ingangs- of stuurcircuit dient om de werking van de transistor te regelen. In het uitgangs- of bestuurde circuit worden versterkte oscillaties verkregen. De bron van versterkte oscillaties is opgenomen in het ingangscircuit en de belasting is verbonden met het uitgangscircuit.

Laten we het werkingsprincipe van een transistor bekijken aan de hand van het voorbeeld van een transistor van het pnp-type, aangesloten volgens een circuit met een gemeenschappelijke basis (Fig. 4.2).

Figuur 4.2 – Werkingsprincipe van een bipolaire transistor (pnp-type)

De externe spanningen van twee stroombronnen EE en Ek zijn zodanig met de transistor verbonden dat de emitterovergang P1 in voorwaartse richting is voorgespannen (voorwaartse spanning), en de collectorovergang P2 in de tegengestelde richting (sperspanning). .

Als er een sperspanning wordt aangelegd op de collectorovergang en het emittercircuit open is, stroomt er een kleine sperstroom Iko (eenheden van microampère) in het collectorcircuit. Deze stroom ontstaat onder invloed van sperspanning en wordt gecreëerd door de gerichte beweging van minderheidsladingsdragers, basisgaten en collectorelektronen door de collectorovergang. De tegenstroom vloeit door het circuit: +Ek, basiscollector, -Ek. De grootte van de tegencollectorstroom is niet afhankelijk van de collectorspanning, maar van de temperatuur van de halfgeleider.

Wanneer een constante spanning EE in voorwaartse richting op het emittercircuit wordt aangesloten, neemt de potentiaalbarrière van de emitterovergang af. Het injecteren van gaten in de basis begint.

De externe spanning die op de transistor wordt aangelegd, blijkt voornamelijk op de overgangen P1 en P2 te liggen, omdat ze hebben een hoge weerstand vergeleken met de weerstand van de basis-, emitter- en collectorgebieden. Daarom bewegen gaten die in de basis zijn geïnjecteerd er doorheen door diffusie. In dit geval recombineren de gaten met de elektronen van de basis. Omdat de dragerconcentratie in de basis veel lager is dan in de emitter, recombineren heel weinig gaten. Bij een kleine basisdikte zullen bijna alle gaten het collectorknooppunt P2 bereiken. In plaats van de gerecombineerde elektronen komen elektronen van de stroombron Ek de basis binnen. Gaten die recombineren met elektronen in de basis creëren een basisstroom IB.

Onder invloed van sperspanning Ek neemt de potentiaalbarrière van de collectorovergang toe en neemt de dikte van de junctie P2 toe. Maar de potentiële barrière van de collectorovergang verhindert niet dat er gaten doorheen gaan. De gaten die het gebied van de collectorovergang binnenkomen, vallen in een sterk versnellend veld dat op de kruising wordt gecreëerd door de collectorspanning, en worden door de collector geëxtraheerd (ingetrokken), waardoor een collectorstroom Ik ontstaat. De collectorstroom vloeit door het circuit: +Ek, basiscollector, -Ek.

Er vloeien dus drie stromen in de transistor: emitter-, collector- en basisstroom.

In de draad, die de basisaansluiting is, zijn de emitter- en collectorstromen in tegengestelde richtingen gericht. Daarom is de basisstroom gelijk aan het verschil tussen de emitter- en collectorstromen: IB = IE − IK.

Fysische processen in een n-p-n-transistor verlopen op dezelfde manier als de processen in een p-n-p-transistor.

De totale emitterstroom IE wordt bepaald door het aantal hoofdladingsdragers dat door de emitter wordt geïnjecteerd. Het grootste deel van deze ladingsdragers dat de collector bereikt, creëert een collectorstroom Ik. Een klein deel van de ladingsdragers die in de basis worden geïnjecteerd, recombineert in de basis, waardoor een basisstroom IB ontstaat. Bijgevolg zal de emitterstroom worden verdeeld in basis- en collectorstromen, d.w.z. IE = IB + Ik.

De emitterstroom is de ingangsstroom, de collectorstroom is de uitgangsstroom. De uitgangsstroom maakt deel uit van de ingangsstroom, d.w.z.

waarbij a de huidige overdrachtscoëfficiënt is voor het OB-circuit;

Omdat de uitgangsstroom kleiner is dan de ingangsstroom, wordt de coëfficiënt a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

In een gemeenschappelijk emittercircuit is de uitgangsstroom de collectorstroom en de ingangsstroom de basisstroom. Stroomversterking voor het OE-circuit:

(4.3)

Bijgevolg bedraagt de stroomversterking voor het OE-circuit tientallen eenheden.

De uitgangsstroom van de transistor is afhankelijk van de ingangsstroom. Daarom is een transistor een stroomgestuurd apparaat.

Veranderingen in de emitterstroom veroorzaakt door veranderingen in de emitterovergangsspanning worden volledig doorgegeven aan het collectorcircuit, waardoor een verandering in de collectorstroom ontstaat. En omdat De spanning van de collectorstroombron Ek is aanzienlijk groter dan die van de emitter Ee, dan zal het opgenomen vermogen in het collectorcircuit Pk aanzienlijk groter zijn dan het vermogen in het emittercircuit Re. Het is dus mogelijk om een hoog vermogen in het collectorcircuit van de transistor te regelen, terwijl er weinig vermogen in het emittercircuit wordt verbruikt, d.w.z. er is sprake van een toename van het vermogen.

4.2 Circuits voor het aansluiten van bipolaire transistors

De transistor is zodanig met het elektrische circuit verbonden dat een van de aansluitingen (elektrode) de invoer is, de tweede de uitvoer en de derde gemeenschappelijk is voor de invoer- en uitvoercircuits. Afhankelijk van welke elektrode gemeenschappelijk is, zijn er drie transistorschakelcircuits: OB, OE en OK. Deze circuits voor een pnp-transistor worden getoond in Fig. 4.3. Voor een n-p-n-transistor in de schakelcircuits veranderen alleen de polariteit van de spanningen en de richting van de stromen. Voor elk transistorschakelcircuit (in actieve modus) moet de polariteit van de voedingen zo worden geselecteerd dat de emitterovergang in voorwaartse richting wordt ingeschakeld en de collectorovergang in de omgekeerde richting.

Figuur 4.3 – Aansluitcircuits voor bipolaire transistors: a) OB; b) OE; c) Oké

4.3 Statische kenmerken van bipolaire transistors

De statische werkingsmodus van de transistor is de modus waarin er geen belasting is in het uitgangscircuit.

De statische kenmerken van transistors zijn de grafisch uitgedrukte afhankelijkheid van de spanning en stroom van het ingangscircuit (ingangsstroom-spanningskarakteristieken) en het uitgangscircuit (uitgangsstroom-spanningskarakteristieken). Het type karakteristieken hangt af van de manier waarop de transistor wordt ingeschakeld.

4.3.1 Kenmerken van een transistor aangesloten volgens het OB-circuit

IE = f(UEB) met UKB = const (Fig. 4.4, a).

IK = f(UKB) met IE = const (Fig. 4.4, b).

Figuur 4.4 – Statische kenmerken van een bipolaire transistor aangesloten volgens het OB-circuit

De uitgangsstroom-spanningskarakteristieken hebben drie karakteristieke gebieden: 1 – sterke afhankelijkheid van Ik van UKB (niet-lineair initieel gebied); 2 – zwakke afhankelijkheid van Ik van UKB (lineair gebied); 3 – uitsplitsing van de collectorverbinding.

Een kenmerk van de kenmerken in regio 2 is hun lichte toename bij toenemende spanning UCB.

4.3.2 Kenmerken van een transistor aangesloten volgens het OE-circuit:

Het invoerkenmerk is de afhankelijkheid:

IB = f(UBE) met UKE = const (Fig. 4.5, b).

Het uitgangskenmerk is de afhankelijkheid:

IK = f(UKE) met IB = const (Fig. 4.5, a).

Figuur 4.5 – Statische kenmerken van een bipolaire transistor aangesloten volgens het OE-circuit

De transistor in het OE-circuit zorgt voor stroomversterking. Stroomversterking in het OE-circuit: Als coëfficiënt a voor transistors a = 0,9¸0,99 is, dan is coëfficiënt b = 9¸99. Dit is het belangrijkste voordeel van het aansluiten van de transistor volgens het OE-circuit, wat met name de bredere praktische toepassing van dit aansluitcircuit bepaalt vergeleken met het OB-circuit.

Uit het werkingsprincipe van de transistor is bekend dat twee stroomcomponenten in de tegenovergestelde richting door de basisterminal stromen (Fig. 4.6): de tegenstroom van de collectorovergang IKO en een deel van de emitterstroom (1 - a) D.W.Z. In dit opzicht wordt de nulwaarde van de basisstroom (IB = 0) bepaald door de gelijkheid van de gespecificeerde stroomcomponenten, d.w.z. (1 − a)IE = IKO. Nulingangsstroom komt overeen met de emitterstroom IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO en de collectorstroom. Met andere woorden, bij nulbasisstroom (IB = 0) vloeit er een stroom door de transistor in het OE-circuit, de initiële of doorstroom IKO(E) genoemd en gelijk aan (1+ b) IKO.

Figuur 4.6 – Aansluitcircuit voor een transistor met een gemeenschappelijke emitter (OE-circuit)

4.4 Basisparameters

Om circuits met bipolaire transistors te analyseren en te berekenen, worden de zogenaamde h-parameters van de volgens het OE-circuit aangesloten transistor gebruikt.

De elektrische toestand van een transistor aangesloten volgens het OE-circuit wordt gekenmerkt door de waarden IB, IBE, IK, UKE.

Het systeem van h − parameters omvat de volgende grootheden:

1. Ingangsimpedantie

h11 = DU1/DI1 bij U2 = const. (4.4)

vertegenwoordigt de weerstand van de transistor tegen wisselingangsstroom waarbij een kortsluiting optreedt aan de uitgang, d.w.z. bij afwezigheid van AC-uitgangsspanning.

2. Spanningsfeedbackcoëfficiënt:

h12 = DU1/DU2at I1= constant. (4,5)

laat zien welk deel van de ingangswisselspanning wordt overgedragen naar de ingang van de transistor als gevolg van feedback daarin.

3. Huidige krachtcoëfficiënt (huidige overdrachtscoëfficiënt):

h21 = DI2/DI1at U2= constant. (4,6)

toont de versterking van de wisselstroom door de transistor in nullastmodus.

4. Uitgangsgeleiding:

h22 = DI2/DU2 bij I1 = const. (4,7)

vertegenwoordigt de geleiding voor wisselstroom tussen de uitgangsklemmen van de transistor.

Uitgangsweerstand Routing = 1/h22.

Voor een gemeenschappelijk emittercircuit zijn de volgende vergelijkingen van toepassing:

(4.8)

Om oververhitting van de collectorovergang te voorkomen, is het noodzakelijk dat het vermogen dat daarin vrijkomt tijdens het passeren van de collectorstroom een bepaalde maximale waarde niet overschrijdt:

(4.9)

Bovendien zijn er beperkingen aan de collectorspanning:

en collectorstroom:

4.5 Bedrijfsmodi van bipolaire transistors

De transistor kan in drie modi werken, afhankelijk van de spanning op de kruispunten. Bij werking in de actieve modus is de spanning op de emitterovergang direct en op de collectorovergang omgekeerd.

De afsnij- of blokkeermodus wordt bereikt door sperspanning aan te leggen op beide knooppunten (beide pn-overgangen zijn gesloten).

Als de spanning op beide juncties direct is (beide pn-juncties zijn open), dan werkt de transistor in verzadigingsmodus.

In de afsnijmodus en de verzadigingsmodus is er vrijwel geen controle over de transistor. In de actieve modus wordt een dergelijke regeling het meest efficiënt uitgevoerd en kan de transistor de functies uitvoeren van een actief element van een elektrisch circuit (versterking, opwekking, enz.).

4.6 Toepassingsgebied

Bipolaire transistors zijn halfgeleiderapparaten voor universele doeleinden en worden veel gebruikt in verschillende versterkers, generatoren, puls- en schakelapparaten.

4.7 De eenvoudigste versterkertrap met een bipolaire transistor

Het meest gebruikte circuit is het inschakelen van een transistor volgens een circuit met een gemeenschappelijke emitter (Fig. 4.7)

De belangrijkste elementen van het circuit zijn de voeding Ek, het bestuurde element - transistor VT en weerstand Rk. Deze elementen vormen het hoofd(uitgangs)circuit van de versterkertrap, waarin door de stroom van gecontroleerde stroom een versterkte wisselspanning ontstaat aan de uitgang van het circuit.

De overige elementen spelen een ondersteunende rol. Condensator Cp is een scheidingscondensator. Bij afwezigheid van deze condensator zou er een gelijkstroom van de stroombron Ek worden gecreëerd in het ingangssignaalbroncircuit.

Figuur 4.7 – Diagram van de eenvoudigste versterkertrap op een bipolaire transistor volgens een gemeenschappelijk emittercircuit

Weerstand RB, verbonden met het basiscircuit, zorgt voor de werking van de transistor in rustmodus, d.w.z. bij afwezigheid van een ingangssignaal. De rustmodus wordt verzekerd door de rustbasisstroom IB » Ek/RB.

Met behulp van weerstand Rk wordt een uitgangsspanning gecreëerd, d.w.z. Rк vervult de functie van het creëren van een variërende spanning in het uitgangscircuit als gevolg van de stroom daarin, bestuurd via het basiscircuit.

Voor het collectorcircuit van de versterkertrap kunnen we de volgende vergelijking van de elektrische toestand schrijven:

Ek = Uke + IkRk, (4,10)

dat wil zeggen dat de som van de spanningsval over de weerstand Rk en de collector-emitterspanning Uke van de transistor altijd gelijk is aan een constante waarde: de emf van de stroombron Ek.

Het versterkingsproces is gebaseerd op de omzetting van de energie van een constante spanningsbron Ek in de energie van een wisselspanning in het uitgangscircuit door de weerstand van het bestuurde element (transistor) te veranderen volgens de wet gespecificeerd door het ingangssignaal.

Wanneer aan de ingang van de versterkertrap een wisselspanning uin wordt aangelegd, ontstaat er in de basisschakeling van de transistor een wisselstroomcomponent IB~, waardoor de basisstroom zal veranderen. Een verandering in de basisstroom leidt tot een verandering in de waarde van de collectorstroom (IK = bIB), en dus tot een verandering in de spanningswaarden over de weerstand Rk en Uke. Het versterkende vermogen is te wijten aan het feit dat de verandering in de collectorstroomwaarden b keer groter is dan de basisstroom.

4.8 Berekening van elektrische circuits met bipolaire transistors

Voor het collectorcircuit van de versterkertrap (Fig. 4.7) is, in overeenstemming met de tweede wet van Kirchhoff, vergelijking (4.10) geldig.

De volt-ampère-karakteristiek van de collectorweerstand RK is lineair, en de volt-ampère-karakteristieken van de transistor zijn niet-lineaire collectorkarakteristieken van de transistor (Fig. 4.5, a) aangesloten volgens het OE-circuit.

De berekening van een dergelijk niet-lineair circuit, dat wil zeggen de bepaling van IK, URK en UKE voor verschillende waarden van basisstromen IB en weerstandsweerstand RK, kan grafisch worden uitgevoerd. Om dit te doen, is het voor de familie van collectorkarakteristieken (Fig. 4.5, a) noodzakelijk om vanaf punt EK op de abscis-as de volt-ampère-karakteristiek van de weerstand RK te tekenen, waarmee aan de vergelijking wordt voldaan:

Uke = Ek − RkIk. (4.11)

Dit kenmerk is op twee punten opgebouwd:

Uke = Ek met Ik = 0 op de abscis en Ik = Ek/Rk met Uke = 0 op de ordinaat. De I-V-karakteristiek van de op deze manier geconstrueerde collectorweerstand Rk wordt de belastingslijn genoemd. De punten waar het de collectorkarakteristieken kruist, bieden een grafische oplossing voor vergelijking (4.11) voor een gegeven weerstand Rк en verschillende waarden van de basisstroom IB. Uit deze punten kun je de collectorstroom Ik bepalen, die hetzelfde is voor de transistor en weerstand Rk, evenals de spanning UKE en URK.

Het snijpunt van de belastingslijn met een van de statische stroom-spanningskarakteristieken wordt het werkpunt van de transistor genoemd. Door IB te veranderen, kunt u deze langs de lastlijn verplaatsen. De initiële positie van dit punt bij afwezigheid van een wisselend ingangssignaal wordt het rustpunt - TO genoemd.

a) b)

Figuur 4.8 – Grafisch-analytische berekening van de bedrijfsmodus van een transistor met behulp van uitgangs- en ingangskarakteristieken.

Het rustpunt (werkpunt) TO bepaalt de huidige ICP en de spanning UCP in rustmodus. Met behulp van deze waarden kunt u het vermogen van de RCP vinden dat in de rustmodus in de transistor wordt vrijgegeven, wat het maximale vermogen van de RK max, een van de parameters van de transistor, niet mag overschrijden:

RKP = IKP ×UKEP £ RKmax. (4.12)

Naslagwerken bieden doorgaans geen familie van invoerkenmerken, maar alleen kenmerken voor UKE = 0 en voor sommige UKE > 0.

De ingangskarakteristieken voor verschillende UCE's groter dan 1V liggen zeer dicht bij elkaar. Daarom kan de berekening van ingangsstromen en -spanningen bij benadering worden gedaan met behulp van de ingangskarakteristiek voor UCE > 0, afkomstig uit het naslagwerk.

Punten A, To en B van de uitgangsbedrijfskarakteristiek worden naar deze curve overgebracht en de punten A1, T1 en B1 worden verkregen (Fig. 4.8, b). Werkpunt T1 bepaalt de constante basisspanning UBES en de constante basisstroom IUPS.

De weerstand van de weerstand RB (zorgt voor de werking van de transistor in rustmodus), waardoor een constante spanning wordt geleverd van de bron EK naar de basis:

(4.13)

In de actieve (versterkende) modus bevindt het rustpunt van de transistor To zich ongeveer in het midden van het AB-belastingslijngedeelte en strekt het werkpunt zich niet uit voorbij het AB-gedeelte.

ONDERWERP 4. BIPOLAIRE TRANSISTORS

4.1 Ontwerp en werkingsprincipe

Een bipolaire transistor is een halfgeleiderapparaat dat bestaat uit drie gebieden met wisselende elektrische geleidbaarheid en is geschikt voor vermogensversterking.

Momenteel geproduceerde bipolaire transistors kunnen worden geclassificeerd op basis van de volgende criteria:

Op materiaal: germanium en silicium;

Afhankelijk van het type geleidbaarheid van de gebieden: p-n-p- en n-p-n-types;

Op vermogen: laag (Pmax £ 0,3 W), gemiddeld (Pmax £ 1,5 W) en hoog vermogen (Pmax > 1,5 W);

Op frequentie: lage frequentie, middenfrequentie, hoge frequentie en magnetron.

In bipolaire transistors wordt de stroom bepaald door de beweging van ladingsdragers van twee typen: elektronen en gaten (of meerderheid en minderheid). Vandaar hun naam - bipolair.

Momenteel worden alleen transistors met vlakke pn-overgangen vervaardigd en gebruikt.

De structuur van een vlakke bipolaire transistor wordt schematisch weergegeven in figuur 2. 4.1.

Transistors van het pnp-type hebben een middengebied met elektronische geleidbaarheid en buitenste gebieden met elektrische geleidbaarheid van de gaten.

Figuur 4.2 – Werkingsprincipe van een bipolaire transistor (pnp-type)

Wanneer een constante spanning EE in voorwaartse richting op het emittercircuit wordt aangesloten, neemt de potentiaalbarrière van de emitterovergang af. Het injecteren van gaten in de basis begint.

Er vloeien dus drie stromen in de transistor: emitter-, collector- en basisstroom.

Fysische processen in een n-p-n-transistor verlopen op dezelfde manier als de processen in een p-n-p-transistor.

De emitterstroom is de ingangsstroom, de collectorstroom is de uitgangsstroom. De uitgangsstroom maakt deel uit van de ingangsstroom, d.w.z.

(4.1)

waarbij a de huidige overdrachtscoëfficiënt is voor het OB-circuit;

In een gemeenschappelijk emittercircuit is de uitgangsstroom de collectorstroom en de ingangsstroom de basisstroom. Stroomversterking voor het OE-circuit:

(4.2)

(4.3)

Bijgevolg bedraagt de stroomversterking voor het OE-circuit tientallen eenheden.

De uitgangsstroom van de transistor is afhankelijk van de ingangsstroom. Daarom is een transistor een stroomgestuurd apparaat.

4.2 Circuits voor het aansluiten van bipolaire transistors

Figuur 4.3 – Aansluitcircuits voor bipolaire transistors: a) OB; b) OE; c) Oké

4.3 Statische kenmerken van bipolaire transistors

De statische werkingsmodus van de transistor is de modus waarin er geen belasting is in het uitgangscircuit.

4.3.1 Kenmerken van een transistor aangesloten volgens het OB-circuit

Het invoerkenmerk is de afhankelijkheid:

IE = f(UEB) met UKB = const (Fig. 4.4, a).

Het uitgangskenmerk is de afhankelijkheid:

IK = f(UKB) met IE = const (Fig. 4.4, b).

Figuur 4.4 – Statische kenmerken van een bipolaire transistor aangesloten volgens het OB-circuit

Transistors zijn onderverdeeld in bipolair en veldeffect. Elk van deze typen heeft zijn eigen werkingsprincipe en ontwerp, maar wat ze gemeen hebben is de aanwezigheid van halfgeleider-pn-structuren.

Symbolen van transistors worden gegeven in de tabel:

Apparaattype
Bipolair	Bipolair pnp-type
Bipolair	Bipolair n-p-n-type
Veld	Met de beheerder p-n-overgang	Met p-type kanaal
	Met de beheerder p-n-overgang	Met n-type kanaal
	Met geïsoleerd sluiter MOSFET-transistoren	Met ingebouwd kanaal	Ingebouwd kanaal p-type
		Met ingebouwd kanaal	Ingebouwd kanaal n-type
		Met geïnduceerd kanaal	Geïnduceerd kanaal p-type
		Met geïnduceerd kanaal	Geïnduceerd kanaal n-type

Bipolaire transistoren

De definitie van "bipolair" geeft aan dat de werking van een transistor verband houdt met processen waarin ladingsdragers van twee typen deelnemen: elektronen en gaten.

Een transistor is een halfgeleiderapparaat met twee elektron-gatovergangen, ontworpen om elektrische signalen te versterken en te genereren. Een transistor gebruikt beide soorten dragers: groot en klein, daarom wordt hij bipolair genoemd.

Een bipolaire transistor bestaat uit drie gebieden van een monokristallijne halfgeleider met verschillende soorten geleidbaarheid: emitter, basis en collector.

E - zender,
B-basis,
K - verzamelaar,
EP - emitterovergang,
KP - verzamelpunt,
W - basisdikte.

Elk van de overgangen van de transistor kan in voorwaartse of achterwaartse richting worden ingeschakeld. Afhankelijk hiervan zijn er drie bedrijfsmodi van de transistor:

Cut-off-modus - beide pn-overgangen zijn gesloten, terwijl er doorgaans een relatief kleine stroom door de transistor vloeit
Verzadigingsmodus - beide pn-overgangen zijn open
Actieve modus - een van de pn-knooppunten is open en de andere is gesloten

In de afsnijmodus en de verzadigingsmodus kan de transistor niet worden bestuurd. Effectieve regeling van de transistor wordt alleen in de actieve modus uitgevoerd. Deze modus is de belangrijkste. Als de spanning op de emitterovergang direct is en op de collectorovergang omgekeerd, wordt het inschakelen van de transistor als normaal beschouwd als de polariteit tegengesteld is, deze is omgekeerd.

In de normale modus is de pn-overgang van de collector gesloten en de emitterovergang open. De collectorstroom is evenredig met de basisstroom.

De beweging van ladingsdragers in een npn-transistor wordt weergegeven in de figuur:

Wanneer de emitter is aangesloten op de negatieve pool van de stroombron, treedt er een emitterstroom Ie op. Omdat een externe spanning in de voorwaartse richting op de emitterovergang wordt aangelegd, kruisen de elektronen de overgang en komen het basisgebied binnen. De basis is gemaakt van een p-halfgeleider, dus elektronen zijn er minderheidsladingsdragers voor.

Elektronen die het basisgebied binnenkomen, recombineren gedeeltelijk met gaten in de basis. De basis is echter meestal gemaakt van een zeer dunne p-geleider met een hoge soortelijke weerstand (laag gehalte aan onzuiverheden), dus de concentratie van gaten in de basis is laag en slechts een paar elektronen die de basis binnenkomen, recombineren met de gaten en vormen een basis. huidige Ib. De meeste elektronen bereiken door thermische beweging (diffusie) en onder invloed van het collectorveld (drift) de collector en vormen een onderdeel van de collectorstroom Ik.

De relatie tussen de toenamen van de emitter- en collectorstromen wordt gekenmerkt door de stroomoverdrachtscoëfficiënt

Zoals volgt uit een kwalitatieve beschouwing van de processen die plaatsvinden in een bipolaire transistor, is de stroomoverdrachtscoëfficiënt altijd kleiner dan één. Voor moderne bipolaire transistors is α = 0,9 ÷ 0,95

Wanneer Ie ≠ 0 is de transistorcollectorstroom gelijk aan:

In het beschouwde verbindingscircuit is de basiselektrode gemeenschappelijk voor de emitter- en collectorcircuits. Dit circuit voor het aansluiten van een bipolaire transistor wordt een circuit met een gemeenschappelijke basis genoemd, terwijl het emittercircuit het ingangscircuit wordt genoemd en het collectorcircuit het uitgangscircuit wordt genoemd. Een dergelijk circuit voor het inschakelen van een bipolaire transistor wordt echter zeer zelden gebruikt.

Drie circuits voor het inschakelen van een bipolaire transistor

Er zijn schakelcircuits met een gemeenschappelijke basis, een gemeenschappelijke emitter en een gemeenschappelijke collector. Schakelingen voor een pnp-transistor worden getoond in figuren a, b, c:

In een circuit met een gemeenschappelijke basis (Fig. a) is de basiselektrode gemeenschappelijk voor de ingangs- en uitgangscircuits, in een circuit met een gemeenschappelijke emitter (Fig. b) is de emitter gemeenschappelijk, in een circuit met een gemeenschappelijke collector (Fig. c), de collector is gebruikelijk.

De figuur toont: E1 – voeding van het ingangscircuit, E2 – voeding van het uitgangscircuit, Uin – bron van het versterkte signaal.

Het hoofdschakelcircuit is er een waarin de gemeenschappelijke elektrode voor de ingangs- en uitgangscircuits de emitter is (schakelcircuit voor een bipolaire transistor met een gemeenschappelijke emitter). Voor een dergelijk circuit passeert het ingangscircuit de basis-emitterovergang en ontstaat daarin een basisstroom:

De lage waarde van de basisstroom in het ingangscircuit heeft geleid tot het wijdverbreide gebruik van een circuit met een gemeenschappelijke emitter.

Bipolaire transistor in een gemeenschappelijk emittercircuit (CE).

In een transistor die is aangesloten volgens het OE-circuit, wordt de relatie tussen stroom en spanning in het ingangscircuit van de transistor Ib = f1 (Ube) de ingangs- of basisstroom-spanningskarakteristiek (VC) van de transistor genoemd. De afhankelijkheid van de collectorstroom van de spanning tussen de collector en de emitter bij vaste waarden van de basisstroom Iк = f2 (Uke), Ib – const wordt de familie van uitgangs- (collector)karakteristieken van de transistor genoemd.

De ingangs- en uitgangsstroom-spanningskarakteristieken van een bipolaire transistor met gemiddeld vermogen van het n-p-n-type worden getoond in de figuur:

Zoals uit de figuur blijkt, is de ingangskarakteristiek vrijwel onafhankelijk van de spanning Uke. De uitgangskarakteristieken liggen ongeveer op gelijke afstand van elkaar en zijn vrijwel lineair over een breed bereik aan spanningsveranderingen Uke.

De afhankelijkheid Ib = f(Ube) is een exponentiële afhankelijkheidskarakteristiek van de stroom van een voorwaarts voorgespannen pn-overgang. Omdat de basisstroom recombinatie is, is de waarde Ib β keer kleiner dan de geïnjecteerde emitterstroom Ie. Naarmate de collectorspanning Uк toeneemt, verschuift de ingangskarakteristiek naar het gebied met hogere spanningen Ub. Dit komt door het feit dat als gevolg van modulatie van de basisbreedte (Early-effect) het aandeel van de recombinatiestroom in de basis van de bipolaire transistor afneemt. De spanning Ube overschrijdt 0,6...0,8 V niet. Het overschrijden van deze waarde zal leiden tot een scherpe toename van de stroom die door de open emitterovergang vloeit.

De afhankelijkheid Ik = f(Uke) laat zien dat de collectorstroom recht evenredig is met de basisstroom: Ik = B Ib

Bipolaire transistorparameters

Weergave van een transistor in een kleinsignaalmodus als een netwerk met vier aansluitingen

In een bedrijfsmodus met een klein signaal kan de transistor worden weergegeven door een netwerk met vier aansluitingen. Wanneer spanningen u1, u2 en stromen i1, i2 sinusoïdaal variëren, wordt de relatie tussen spanningen en stromen vastgesteld met behulp van Z-, Y-, h-parameters.

Potentialen 1", 2", 3 zijn hetzelfde. Het is handig om een transistor te beschrijven met behulp van h-parameters.

De elektrische toestand van een transistor die is aangesloten volgens een circuit met een gemeenschappelijke emitter wordt gekenmerkt door vier grootheden: Ib, Ube, Ik en Uke. Twee van deze grootheden kunnen als onafhankelijk worden beschouwd, en de andere twee kunnen in termen daarvan worden uitgedrukt. Om praktische redenen is het handig om de hoeveelheden Ib en Uke als onafhankelijke hoeveelheden te kiezen. Dan Ube = f1 (Ib, Uke) en Ik = f2 (Ib, Uke).

In versterkerapparaten zijn de ingangssignalen verhogingen van ingangsspanningen en -stromen. Binnen het lineaire deel van de kenmerken gelden de volgende gelijkheden voor de stappen Ube en Ik:

Fysische betekenis van de parameters:

Voor een circuit met OE worden de coëfficiënten geschreven met de index E: h11e, h12e, h21e, h22e.

De paspoortgegevens geven h21е = β, h21b = α aan. Deze parameters karakteriseren de kwaliteit van de transistor. Om de waarde van h21 te verhogen, moet je óf de basisbreedte W verkleinen, óf de diffusielengte vergroten, wat behoorlijk moeilijk is.

Composiet transistoren

Om de waarde van h21 te verhogen, zijn bipolaire transistors verbonden met behulp van een Darlington-circuit:

In een samengestelde transistor die dezelfde kenmerken heeft als één transistor, is de basis VT1 verbonden met de emitter VT2 en ΔIе2 = ΔIb1. De collectoren van beide transistoren zijn verbonden en deze aansluiting is de aansluiting van de samengestelde transistor. De basis VT2 speelt de rol van de basis van de samengestelde transistor ΔIb = ΔIb2, en de emitter VT1 speelt de rol van de emitter van de samengestelde transistor ΔIe = ΔI1.

Laten we een uitdrukking verkrijgen voor de huidige versterking β voor het Darlington-circuit. Laten we de relatie tussen de verandering in de basisstroom dIb en de resulterende verandering in de collectorstroom dIk van de samengestelde transistor als volgt uitdrukken:

Omdat voor bipolaire transistors de stroomversterking gewoonlijk enkele tientallen bedraagt (β1, β2 >> 1), zal de totale versterking van de samengestelde transistor worden bepaald door het product van de versterkingen van elke transistor βΣ = β1 · β2 en kan behoorlijk groot zijn in waarde.

Laten we de kenmerken van de bedrijfsmodus van dergelijke transistors noteren. Omdat de emitterstroom VT2 Ie2 de basisstroom VT1 dIb1 is, zou transistor VT2 daarom in de micro-vermogensmodus moeten werken, en transistor VT1 - in de hoge-injectiemodus, verschillen hun emitterstromen met 1-2 ordes van grootte. Met een dergelijke suboptimale keuze van de bedrijfskarakteristieken van de bipolaire transistoren VT1 en VT2 is het niet mogelijk om in elk van hen hoge stroomversterkingswaarden te bereiken. Niettemin zal, zelfs met versterkingswaarden β1, β2 ≈ 30, de totale versterking βΣ βΣ ≈ 1000 zijn.

Hoge versterkingswaarden in samengestelde transistors worden alleen in de statistische modus gerealiseerd, daarom worden samengestelde transistors veel gebruikt in de ingangstrappen van operationele versterkers. In circuits met hoge frequenties hebben samengestelde transistors niet langer dergelijke voordelen; integendeel, zowel de gals de werksnelheid van de samengestelde transistors zijn minder dan dezelfde parameters voor elk van de transistors VT1, VT2 afzonderlijk.

Frequentie-eigenschappen van bipolaire transistors

Het voortplantingsproces van minderheidsladingsdragers die vanuit de emitter naar de collectorovergang in de basis worden geïnjecteerd, verloopt door diffusie. Dit proces is vrij langzaam en de door de emitter geïnjecteerde dragers zullen de collector niet eerder bereiken dan tijdens de diffusie van dragers door de basis. Een dergelijke vertraging zal leiden tot een faseverschuiving tussen de huidige Ie en de huidige Ik. Bij lage frequenties vallen de fasen van de stromen Ie, Ik en Ib samen.

De frequentie van het ingangssignaal waarbij de versterkingsmodulus met een factor afneemt in vergelijking met de statische waarde β0, wordt de grensfrequentie van de stroomversterking van een bipolaire transistor in een gemeenschappelijke emitterschakeling genoemd.

Fβ – grensfrequentie (afsnijfrequentie)
fgr - afsnijfrequentie (eenheidsversterkingsfrequentie)

Veldeffecttransistoren

Veldeffect- of unipolaire transistors gebruiken het veldeffect als het belangrijkste fysieke principe. In tegenstelling tot bipolaire transistors, waarbij beide typen dragers, zowel de grote als de kleine, verantwoordelijk zijn voor het transistoreffect, gebruiken veldeffecttransistors slechts één type drager om het transistoreffect te realiseren. Om deze reden worden veldeffecttransistors unipolair genoemd. Afhankelijk van de omstandigheden voor het implementeren van het veldeffect, worden veldeffecttransistoren in twee klassen verdeeld: veldeffecttransistors met een geïsoleerde poort en veldeffecttransistors met een sturende p-n-overgang.

Veldeffecttransistors met controle-pn-overgang

Schematisch kan een veldeffecttransistor met een pn-besturingsovergang worden weergegeven als een plaat, aan de uiteinden waarvan elektroden, een source en een drain zijn aangesloten. In afb. toont de structuur en het aansluitschema van een veldeffecttransistor met een n-type kanaal:

In een n-kanaaltransistor zijn de meeste ladingsdragers in het kanaal elektronen, die langs het kanaal bewegen van een bron met een lage potentiaal naar een afvoer met een hogere potentiaal, waardoor een afvoerstroom Ic ontstaat. Er wordt een spanning aangelegd tussen de poort en de bron, waardoor de pn-overgang wordt geblokkeerd die wordt gevormd door het n-gebied van het kanaal en het p-gebied van de poort.

Wanneer een sperspanning wordt aangelegd op de pn-overgang Uzi, verschijnt er een uniforme laag aan de kanaalgrenzen, ontdaan van ladingsdragers en met een hoge soortelijke weerstand. Dit leidt tot een afname van de geleidende breedte van het kanaal.

Door de waarde van deze spanning te veranderen, is het mogelijk om de dwarsdoorsnede van het kanaal te veranderen en dientengevolge de waarde van de elektrische weerstand van het kanaal te veranderen. Voor een n-kanaal veldeffecttransistor is de drainpotentiaal positief ten opzichte van de sourcepotentiaal. Wanneer de poort geaard is, vloeit er stroom van drain naar source. Om de stroom te stoppen moet daarom een sperspanning van enkele volts op de poort worden aangelegd.

De spanningswaarde Uzi, waarbij de stroom door het kanaal vrijwel gelijk wordt aan nul, wordt de afsnijspanning Uzap genoemd.

Een veldeffecttransistor met een poort in de vorm van een pn-overgang vertegenwoordigt dus een weerstand waarvan de waarde wordt geregeld door een externe spanning.

De veldeffecttransistor wordt gekenmerkt door de volgende stroom-spanningskarakteristiek:

Hier bepaalt de afhankelijkheid van de afvoerstroom Ic van de spanning bij een constante spanning aan de poort Uzi de uitgangs- of afvoerkarakteristieken van de veldeffecttransistor. Bij het eerste gedeelte van de kenmerken Usi + |Uzi |< Uзап ток стока Iс возрастает с увеличением Uси . При повышении напряжения сток - исток до Uси = Uзап - |Uзи | происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Iс . Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

De stroom-spanningskarakteristiek Ic = f(Uzi) toont de spanning Uzap. Omdat Uzi ≤ 0 is de pn-overgang gesloten en is de poortstroom erg klein, ongeveer 10 -8…10-9 A Daarom omvatten de belangrijkste voordelen van een veldeffecttransistor, vergeleken met een bipolaire transistor, een hoge ingangsweerstand, ongeveer 10 10…1013 Ohm. Bovendien onderscheiden ze zich door een laag geluidsniveau en produceerbaarheid.

Er zijn twee belangrijke schakelschema's die praktische toepassing hebben. Een circuit met een gemeenschappelijke bron (Fig. a) en een circuit met een gemeenschappelijke afvoer (Fig. b), die worden weergegeven in de figuur:

Veldeffecttransistoren met geïsoleerde poort
(MOS-transistors)

De term "MOS-transistor" wordt gebruikt om te verwijzen naar veldeffecttransistors waarin de stuurelektrode - de poort - gescheiden is van het actieve gebied van de veldeffecttransistor door een diëlektrische laag - een isolator. Het basiselement voor deze transistors is de metaal-isolator-halfgeleiderstructuur (M-D-S).

De technologie van een MOS-transistor met een ingebouwde poort wordt weergegeven in de figuur:

De originele halfgeleider waarop de MOS-transistor is gemaakt, wordt het substraat (pin P) genoemd. De twee zwaar gedoteerde n+-gebieden worden source (I) en drain (C) genoemd. Het gebied van het substraat onder de poort (3) wordt het ingebedde kanaal (n-kanaal) genoemd.

De fysieke basis voor de werking van een veldeffecttransistor met een metaal-isolator-halfgeleiderstructuur is het veldeffect. Het veldeffect is dat onder invloed van een extern elektrisch veld de concentratie van vrije ladingsdragers in het nabije oppervlak van de halfgeleider verandert. Bij veldapparaten met een MIS-structuur wordt het externe veld veroorzaakt door de aangelegde spanning op de metalen poortelektrode. Afhankelijk van het teken en de grootte van de aangelegde spanning kunnen er twee toestanden van het ruimteladingsgebied (SCR) in het kanaal zijn: verrijking en uitputting.

De uitputtingsmodus komt overeen met een negatieve spanning Uzi, waarbij de elektronenconcentratie in het kanaal afneemt, wat leidt tot een afname van de afvoerstroom. De verrijkingsmodus komt overeen met een positieve spanning Uzi en een toename van de afvoerstroom.

De stroom-spanningskarakteristiek wordt weergegeven in de figuur:

De topologie van een MOS-transistor met een geïnduceerd (geïnduceerd) p-type kanaal wordt weergegeven in de figuur:

Wanneer Uzi = 0 is er geen kanaal en Ic = 0. De transistor kan alleen werken in de Uzi-verrijkingsmodus< 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор , то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор , можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс .

De stroom-spanningskarakteristiek wordt weergegeven in de figuur:

Bij MOS-transistoren is de poort gescheiden van de halfgeleider door een laag SiO2-oxide. Daarom is de ingangsweerstand van dergelijke transistors ongeveer 1013 ... 1015 Ohm.

De belangrijkste parameters van veldeffecttransistors zijn onder meer:

De helling van de karakteristiek bij Usp = const, Upi = const. Typische parameterwaarden zijn (0,1...500) mA/V;
De helling van de karakteristiek langs het substraat bij Usp = const, Uzi = const. Typische parameterwaarden (0,1...1) mA/V;
Initiële afvoerstroom Is.init.
– afvoerstroom bij nulspanningswaarde Uzi. Typische parameterwaarden: (0,2...600) mA – voor transistors met een p-n-overgang van het stuurkanaal; (0,1...100) mA – voor transistors met ingebouwd kanaal; (0,01...0,5) µA – voor transistors met een geïnduceerd kanaal;
Uitschakelspanning Uzi.ots. . Typische waarden (0,2...10) V; drempelspanning omhoog. Typische waarden (1...6) V;
Afvoer-bronweerstand in open toestand. Typische waarden (2..300) Ohm
Differentiële weerstand (intern): bij Uzi = const;

Statistische winst: μ = S ri

Thyristoren

Een thyristor is een halfgeleiderapparaat met drie of meer pn-overgangen tussen elektronen en gaten. Ze worden voornamelijk gebruikt als elektronische sleutels. Afhankelijk van het aantal externe terminals zijn ze onderverdeeld in thyristors met twee externe terminals - dinistoren en thyristors met drie terminals - thyristors. Het lettersymbool VS wordt gebruikt om thyristors aan te duiden.

De structuur, UGO en stroom-spanningskarakteristieken van de dinistor worden weergegeven in de figuur:

Het buitenste p-gebied wordt de anode (A) genoemd, het buitenste n-gebied wordt de kathode (K) genoemd. Drie p-n-overgangen worden aangegeven met de nummers 1, 2, 3. De structuur van de dinistor is 4-laags - p-n-p-n.

De voedingsspanning E wordt op een zodanige manier aan de dinistor geleverd dat 1 van de 3 knooppunten open is en hun weerstand onbeduidend is, en overgang 2 gesloten is en alle voedingsspanning Upr erop wordt toegepast. Er stroomt een kleine tegenstroom door de dinistor, de belasting R is losgekoppeld van de stroombron E.

Wanneer een kritische spanning wordt bereikt die gelijk is aan de inschakelspanning Uon, gaat transitie 2 open, terwijl alle drie de transities 1, 2, 3 zich in de open (aan) toestand bevinden. De weerstand van de dinistor daalt tot tienden van een ohm.

De inschakelspanning bedraagt enkele honderden volts. De dinistor gaat open en er stromen aanzienlijke stromen doorheen. De spanningsval over de dinistor in open toestand is 1-2 volt en hangt weinig af van de grootte van de vloeistroom, waarvan de waarde τa ≈ E / R is, en UR ≈ E, d.w.z. de belasting is aangesloten op de stroombron E. De spanning over de dinistor die overeenkomt met het maximaal toegestane punt Iopen.max wordt de open-toestandsspanning Uokr genoemd. De maximaal toegestane stroom varieert van honderden mA tot honderden A. De dinistor bevindt zich in de open toestand totdat de stroom die er doorheen vloeit kleiner wordt dan de houdstroom Iud. De dinistor sluit wanneer de externe spanning daalt tot een waarde in de orde van 1V of wanneer de polariteit van de externe bron verandert. Daarom wordt een dergelijk apparaat gebruikt in transiënte stroomcircuits. Punten B en D komen overeen met de grenswaarden van dinistorstromen en -spanningen. De hersteltijd van de weerstand van overgang 2 na het wegnemen van de voedingsspanning bedraagt ongeveer 10-30 μs.

Door hun principe zijn dinistoren belangrijke actiemiddelen. In de aan-status (BV-sectie) is het vergelijkbaar met een gesloten sleutel, en in de uit-status (EG-sectie) is het als een open sleutel.

Het ontwerp en werkingsprincipe van een thyristor (thyristor)

De thyristor is een bestuurd apparaat. Het bevat een stuurelektrode (CE) verbonden met een p-type halfgeleider of een n-type halfgeleider van de middelste junctie 2.

De structuur, UGO en stroom-spanningskarakteristieken van een trinistor (meestal een thyristor genoemd) worden weergegeven in de figuur:

De spanning Uoff, waarbij een lawine-achtige stroomtoename begint, kan worden verminderd door minderheidsladingsdragers te introduceren in een van de lagen grenzend aan knooppunt 2. De mate waarin Uon afneemt, wordt weergegeven op de stroom-spanningskarakteristiek. Een belangrijke parameter is de ontgrendelingsstuurstroom Iу.оt, die ervoor zorgt dat de thyristor bij spanningen lager dan de spanning Uon naar de open toestand schakelt. De figuur toont drie waarden van schakelspanning UI aan< Un вкл < Um вкл соответствует трем значениям управляющего тока UI у.от >Un u.ot > Um u.ot .

Laten we het eenvoudigste circuit bekijken met een thyristor geladen op een weerstandsbelasting Rн

Ia – anodestroom (vermogensstroom in het anode-kathodecircuit van de thyristor);
Uak – spanning tussen anode en kathode;
Iу – stuurelektrodestroom (in echte circuits worden stroompulsen gebruikt);
Uuk is de spanning tussen de stuurelektrode en de kathode;
Upit – voedingsspanning.

Om de thyristor naar de open toestand over te brengen, wordt de niet-stuurelektrode door het pulsopwekkingscircuit gevoed met een kortstondige (in de orde van enkele microseconden) stuurpuls.

Kenmerkend voor de betreffende niet-vergrendelbare thyristor, die in de praktijk zeer veel wordt toegepast, is dat deze niet met behulp van de stuurstroom kan worden uitgeschakeld.

Om de thyristor in de praktijk uit te schakelen, wordt er sperspanning Uac op toegepast< 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл . Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

Het ontwerp en werkingsprincipe van een triac

Zogenaamde symmetrische thyristors (triacs, triacs) worden veel gebruikt. Elke triac is vergelijkbaar met het paar beschouwde thyristors, rug aan rug verbonden. Symmetrische thyristors zijn een bestuurd apparaat met een symmetrische stroom-spanningskarakteristiek. Om een symmetrische karakteristiek te verkrijgen worden dubbelzijdige p-n-p-n-p halfgeleiderstructuren gebruikt.

De structuur van de triac, de UGO- en stroom-spanningskarakteristieken worden weergegeven in de figuur:

Een triac (triac) bevat twee thyristors p1-n1-p2-n2 en p2-n2-p1-n4 die rug aan rug zijn aangesloten. De triac bevat 5 overgangen P1-P2-P3-P4-P5. Bij afwezigheid van een controle-elektron wordt de UE-triac een diac genoemd.

Bij positieve polariteit op elektrode E1 treedt een thyristoreffect op in p1-n1-p2-n2, en bij tegengestelde polariteit in p2-n1-p1-n4.

Wanneer er een stuurspanning op de UE wordt gezet, verandert afhankelijk van de polariteit en waarde de schakelspanning Uon

Thyristors (dinistors, thyristors, triacs) zijn de belangrijkste elementen in vermogenselektronica-apparaten. Er zijn thyristors waarvoor de schakelspanning groter is dan 1 kV en de maximaal toegestane stroom groter is dan 1 kA

Elektronische sleutels

Om de efficiëntie van vermogenselektronica-apparaten te vergroten, wordt de gepulseerde bedrijfsmodus van diodes, transistors en thyristors veel gebruikt. De pulsmodus wordt gekenmerkt door plotselinge veranderingen in stromen en spanningen. In de pulsmodus worden diodes, transistors en thyristors als schakelaars gebruikt.

Met behulp van elektronische sleutels worden elektronische circuits geschakeld: een circuit aansluiten/loskoppelen van/naar bronnen van elektrische energie of signaal, circuitelementen aansluiten of loskoppelen, de parameters van circuitelementen wijzigen, het type van de beïnvloedende signaalbron wijzigen.

Ideale UGO-sleutels worden weergegeven in de afbeelding:

Sleutels die respectievelijk openen en sluiten.

De sleutelmodus wordt gekenmerkt door twee toestanden: “aan”/“uit”.

Ideale sleutels worden gekenmerkt door een onmiddellijke verandering in weerstand, die de waarde 0 of ∞ kan aannemen. De spanningsval over een ideale gesloten schakelaar is 0. Als de schakelaar open is, is de stroom 0.

Echte sleutels kenmerken zich ook door twee extreme weerstandswaarden Rmax en Rmin. De overgang van de ene weerstandswaarde naar de andere vindt bij echte schakelaars in een eindige tijd plaats. De spanningsval over een echte gesloten schakelaar is niet nul.

De schakelaars zijn onderverdeeld in toetsen die worden gebruikt in circuits met laag vermogen en toetsen die worden gebruikt in circuits met hoog vermogen. Elk van deze klassen heeft zijn eigen kenmerken.

De toetsen die worden gebruikt in circuits met laag vermogen worden gekenmerkt door:

Belangrijkste weerstanden in open en gesloten staten;
Prestatie – de tijd die een sleutel nodig heeft om van de ene toestand naar de andere over te gaan;
Spanningsval bij een gesloten schakelaar en lekstroom bij een open schakelaar;
Ruisimmuniteit – het vermogen van een sleutel om in een van de toestanden te blijven wanneer hij wordt blootgesteld aan interferentie;
De gevoeligheid van de sleutel is de grootte van het stuursignaal dat de sleutel van de ene toestand naar de andere overbrengt;
Drempelspanning - de waarde van de stuurspanning, in de buurt waarvan er een scherpe verandering is in de weerstand van de elektronische sleutel.

Diode elektronische sleutels

Het eenvoudigste type elektronische sleutels zijn diodeschakelaars. Het diodeschakelaarcircuit, de statische overdrachtskarakteristiek, de stroom-spanningskarakteristiek en de afhankelijkheid van de differentiële weerstand van de diodespanning worden weergegeven in de figuur:

Het werkingsprincipe van een elektronische diodeschakelaar is gebaseerd op het veranderen van de waarde van de differentiële weerstand van een halfgeleiderdiode in de buurt van de drempelspanningswaarde op de diode Uthr. Figuur "c" toont de stroom-spanningskarakteristiek van een halfgeleiderdiode, die de waarde van Uthr toont. Deze waarde bevindt zich op het snijpunt van de spanningsas met de raaklijn aan het stijgende deel van de stroom-spanningskarakteristiek.

Figuur "d" toont de afhankelijkheid van de differentiële weerstand van de spanning over de diode. Uit de figuur volgt dat er in de buurt van de drempelspanning van 0,3 V een scherpe verandering is in de differentiële weerstand van de diode met extreme waarden van 900 en 35 Ohm (Rmin = 35 Ohm, Rmax = 900 Ohm).

In de “aan”-status is de diode open en Uout ≈ Uin.

In de “uit”-status is de diode gesloten en Uout ≈ Uin · Rн / Rmax<

Om de schakeltijd te verkorten, worden diodes met een lage overgangscapaciteit in de orde van 0,5-2 pF gebruikt, terwijl ze een uitschakeltijd in de orde van 0,5-0,05 μs bieden.

Diodeschakelaars maken geen elektrische scheiding mogelijk tussen de besturings- en geregelde circuits, wat vaak vereist is in praktische circuits.

Transistorschakelaars

De meeste circuits die worden gebruikt in computers, afstandsbedieningen, automatische besturingssystemen, enz. zijn gebaseerd op transistorschakelaars.

De schakelcircuits op de bipolaire transistor en de stroom-spanningskarakteristieken worden weergegeven in de figuur:

De eerste toestand “uit” (transistor gesloten) wordt bepaald door punt A1 op de uitgangskarakteristieken van de transistor; dit wordt de cutoff-modus genoemd. In de uitschakelmodus is de basisstroom Ib = 0, de collectorstroom Ik1 is gelijk aan de initiële collectorstroom en de collectorspanning Uk = Uk1 ≈ Ek. De uitschakelmodus wordt geïmplementeerd bij Uin = 0 of bij negatieve basispotentialen. In deze toestand bereikt de schakelweerstand zijn maximale waarde: Rmax = , waarbij RT de weerstand is van de transistor in gesloten toestand, meer dan 1 MOhm.

De tweede toestand "aan" (de transistor is open) wordt bepaald door punt A2 op de stroom-spanningskarakteristiek en wordt de verzadigingsmodus genoemd. Van de afsnijmodus (A1) naar de verzadigingsmodus (A2) wordt de transistor geschakeld door een positieve ingangsspanning Uin. In dit geval neemt de spanning Uout een minimumwaarde Uk2 = Uk.e.us aan in de orde van 0,2-1,0 V, de collectorstroom Ik2 = Ik.us ≈ Ek / Rk. De basisstroom in de verzadigingsmodus wordt bepaald uit de voorwaarde: Ib > Ib.us = Ik.us / h21.

De ingangsspanning die nodig is om de transistor naar de open toestand te schakelen, wordt bepaald uit de voorwaarde: U in > Ib.us · Rb + Uk.e.us

Goede ruisimmuniteit en lage vermogensdissipatie in de transistor worden verklaard door het feit dat de transistor meestal verzadigd (A2) of gesloten (A1) is, en dat de overgangstijd van de ene toestand naar de andere slechts een klein deel van de duur bedraagt. van deze staten. De schakeltijd van schakelaars op bipolaire transistors wordt bepaald door de barrièrecapaciteiten van de pn-overgangen en de processen van accumulatie en resorptie van minderheidsladingsdragers in de basis.

Om de snelheid en ingangsweerstand te verhogen, worden veldeffecttransistorschakelaars gebruikt.

Schakelcircuits op veldeffecttransistors met een pn-besturingsovergang en met een geïnduceerd kanaal met een gemeenschappelijke bron en gemeenschappelijke afvoer worden weergegeven in de figuur:

Voor elke schakelaar op een veldeffecttransistor Rн > 10-100 kOhm.

Het stuursignaal Uin aan de poort is ongeveer 10-15 V. De weerstand van de veldeffecttransistor in gesloten toestand is hoog, ongeveer 108 -109 Ohm.

De weerstand van de veldeffecttransistor in open toestand kan 7-30 Ohm zijn. De weerstand van de veldeffecttransistor langs het stuurcircuit kan 108 -109 Ohm bedragen. (circuits “a” en “b”) en 1012 -1014 Ohm (circuits “c” en “d”).

Vermogen (vermogen) halfgeleiderapparaten

Vermogenshalfgeleiderapparaten worden gebruikt in de energie-elektronica, het zich snelst ontwikkelende en veelbelovendste technologiegebied. Ze zijn ontworpen om stromen van tientallen en honderden ampères, spanningen van tientallen en honderden volts te regelen.

Vermogenshalfgeleiderapparaten omvatten thyristors (dinistors, thyristors, triacs), transistors (bipolair en veldeffect) en statisch geïnduceerde bipolaire transistors (IGBT). Ze worden gebruikt als elektronische sleutels die elektronische circuits schakelen. Ze proberen hun kenmerken dichter bij de kenmerken van ideale sleutels te brengen.

Volgens het werkingsprincipe, de kenmerken en parameters zijn transistors met hoog vermogen vergelijkbaar met transistors met laag vermogen, maar er zijn bepaalde kenmerken.

Vermogensveldeffecttransistors

Momenteel is de veldeffecttransistor een van de meest veelbelovende vermogensapparaten. De meest gebruikte transistors zijn transistors met geïsoleerde poort en geïnduceerde kanaaltransistoren. Om de weerstand van het kanaal te verminderen, wordt de lengte ervan verkleind. Om de afvoerstroom te vergroten, worden honderden en duizenden kanalen in de transistor gemaakt en worden de kanalen parallel geschakeld. De kans op zelfverhitting van de veldeffecttransistor is klein, omdat De kanaalweerstand neemt toe met toenemende temperatuur.

Vermogensveldeffecttransistoren hebben een verticale structuur. Kanalen kunnen zowel verticaal als horizontaal worden geplaatst.

DMOS-transistor

Deze MOS-transistor, vervaardigd volgens de dubbele diffusiemethode, heeft een horizontaal kanaal. De figuur toont een structuurelement met daarin een kanaal.

VMOS-transistor

Deze V-vormige MOS-transistor heeft een verticaal kanaal. De figuur toont één structuurelement met twee kanalen.

Het is gemakkelijk in te zien dat de structuren van een VMOS-transistor en een DMIS-transistor vergelijkbaar zijn.

IGBT-transistor

IGBT is een hybride halfgeleiderapparaat. Het combineert twee methoden voor het regelen van elektrische stroom, waarvan er één typisch is voor veldeffecttransistors (controle van het elektrische veld) en de tweede voor bipolaire (controle van de injectie van elektrische dragers).

Typisch gebruiken IGBT's een MOS-transistorstructuur met geïnduceerd kanaal van het n-type. De structuur van deze transistor verschilt van de structuur van een DMIS-transistor door een extra laag p-type halfgeleider.

Houd er rekening mee dat de termen “emitter”, “collector” en “gate” vaak worden gebruikt om naar IGBT-elektroden te verwijzen.

Het toevoegen van een p-type laag resulteert in de vorming van een tweede bipolaire transistorstructuur (pnp-type). IGBT heeft dus twee bipolaire structuren: het n-p-n-type en het p-n-p-type.

Het UGO- en het IGBT-uitschakelcircuit worden weergegeven in de figuur:

Een typisch type uitgangskarakteristieken wordt weergegeven in de figuur:

SIT-transistor

SIT is een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang met statische inductie. Het is meerkanaals en heeft een verticale structuur. De schematische weergave van de SIT en het gemeenschappelijke bronaansluitcircuit worden weergegeven in de afbeelding:

De gebieden van een p-type halfgeleider hebben de vorm van cilinders, waarvan de diameter enkele micrometers of meer bedraagt. Dit cilindersysteem fungeert als sluiter. Elke cilinder is verbonden met een poortelektrode (in figuur “a” is de poortelektrode niet weergegeven).

De stippellijnen geven de gebieden van p-n-overgangen aan. Het werkelijke aantal kanalen kan duizenden zijn. Meestal wordt SIT gebruikt in gemeenschappelijke broncircuits.

Elk van de beschouwde apparaten heeft zijn eigen toepassingsgebied. Thyristorschakelaars worden gebruikt in apparaten die op lage frequenties werken (kilohertz en lager). Het grootste nadeel van dergelijke sleutels is hun lage prestatie.

Het belangrijkste toepassingsgebied van thyristors zijn laagfrequente apparaten met een hoog schakelvermogen tot enkele megawatt, die geen serieuze prestatie-eisen stellen.

Krachtige bipolaire transistoren worden gebruikt als hoogspanningsschakelaars in apparaten met een schakel- of conversiefrequentie in het bereik van 10-100 kHz, met een uitgangsvermogen van enkele W tot enkele kW. Het optimale bereik van schakelspanningen is 200-2000 V.

Veldeffecttransistors (MOSFET's) worden gebruikt als elektronische schakelaars voor het schakelen van laagspannings- en hoogfrequente apparaten. De optimale waarden van schakelspanningen bedragen niet meer dan 200 V (maximale waarde tot 1000 V), terwijl de schakelfrequentie kan variëren van enkele kHz tot 105 kHz. Het bereik van geschakelde stromen is 1,5-100 A. De positieve eigenschappen van dit apparaat zijn regelbaarheid door middel van spanning in plaats van stroom, en minder afhankelijkheid van temperatuur vergeleken met andere apparaten.

Bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's) worden gebruikt bij frequenties onder 20 kHz (sommige typen apparaten worden gebruikt bij frequenties boven 100 kHz) met schakelvermogens van meer dan 1 kW. Geschakelde spanningen zijn niet lager dan 300-400 V. Optimale waarden van geschakelde spanningen liggen boven 2000 V. IGBT en MOSFET vereisen een spanning van niet hoger dan 12-15 V voor volledig inschakelen is geen negatieve spanning vereist om de spanning te sluiten apparaten. Ze worden gekenmerkt door hoge schakelsnelheden.

Materiaal ter voorbereiding op certificering

Elektronica omringt ons overal. Maar bijna niemand denkt na over hoe dit hele ding werkt. Het is eigenlijk heel simpel. Dit is precies wat we vandaag zullen proberen te laten zien. Laten we beginnen met zo'n belangrijk element als de transistor. We vertellen je wat het is, wat het doet en hoe de transistor werkt.

Wat is een transistor?

Transistor– een halfgeleiderapparaat dat is ontworpen om elektrische stroom te regelen.

Waar worden transistoren gebruikt? Ja overal! Bijna geen enkel modern elektrisch circuit kan zonder transistors. Ze worden veel gebruikt bij de productie van computerapparatuur, audio- en videoapparatuur.

Tijden waarop Sovjet-microschakelingen waren de grootste ter wereld, zijn verstreken en de grootte van moderne transistors is erg klein. De kleinste apparaten zijn dus in de orde van een nanometer groot!

Voorvoegsel nano- geeft een waarde aan in de orde van tien tot de min negende macht.

Er zijn echter ook gigantische exemplaren die vooral op het gebied van energie en industrie worden gebruikt.

Er zijn verschillende soorten transistors: bipolaire en polaire, directe en omgekeerde geleiding. De werking van deze apparaten is echter op hetzelfde principe gebaseerd. Een transistor is een halfgeleiderapparaat. Zoals bekend zijn de ladingsdragers in een halfgeleider elektronen of gaten.

Het gebied met overtollige elektronen wordt aangegeven met de letter N(negatief), en het gebied met gatgeleiding is P(positief).

Hoe werkt een transistor?

Om alles heel duidelijk te maken, laten we naar het werk kijken bipolaire transistor (het meest populaire type).

(hierna eenvoudigweg transistor genoemd) is een halfgeleiderkristal (meestal gebruikt). silicium of germanium), verdeeld in drie zones met verschillende elektrische geleidbaarheid. De zones zijn dienovereenkomstig genoemd verzamelaar, baseren En emitter. Het apparaat van de transistor en zijn schematische weergave worden getoond in de onderstaande figuur

Afzonderlijke voorwaartse en achterwaartse geleidingstransistoren. P-n-p-transistors worden voorwaartse geleidingstransistors genoemd, en n-p-n-transistors worden omgekeerde geleidingstransistors genoemd.

Laten we het nu hebben over de twee bedrijfsmodi van transistors. De werking van de transistor zelf is vergelijkbaar met de werking van een waterkraan of klep. Alleen in plaats van water is er elektrische stroom. Er zijn twee mogelijke toestanden van de transistor: in werking (transistor open) en rusttoestand (transistor gesloten).

Wat betekent het? Wanneer de transistor uitgeschakeld is, vloeit er geen stroom door. In de open toestand, wanneer een kleine stuurstroom op de basis wordt aangelegd, gaat de transistor open en begint een grote stroom door de emitter-collector te stromen.

Fysische processen in een transistor

En nu meer over waarom alles op deze manier gebeurt, dat wil zeggen waarom de transistor opent en sluit. Laten we een bipolaire transistor nemen. Laat het zo zijn n-p-n transistor.

Als je een stroombron aansluit tussen de collector en de emitter, zullen de elektronen van de collector aangetrokken worden door het positieve, maar zal er geen stroom lopen tussen de collector en de emitter. Dit wordt belemmerd door de basislaag en de emitterlaag zelf.

Als je een extra bron aansluit tussen de basis en de emitter, zullen elektronen uit het n-gebied van de emitter het basisgebied binnendringen. Als gevolg hiervan zal het basisgebied worden verrijkt met vrije elektronen, waarvan sommige zullen recombineren met gaten, sommige naar de plus van de basis zullen stromen en sommige (de meeste) naar de collector zullen gaan.

De transistor blijkt dus open te zijn en de emitter-collectorstroom vloeit erin. Als de basisspanning wordt verhoogd, zal de collector-emitterstroom ook toenemen. Bovendien wordt bij een kleine verandering in de stuurspanning een significante toename van de stroom door de collector-emitter waargenomen. Het is op dit effect dat de werking van transistors in versterkers is gebaseerd.

Dat is in een notendop de essentie van hoe transistors werken. Moet u van de ene op de andere dag een eindversterker berekenen met behulp van bipolaire transistors, of moet u laboratoriumwerk doen om de werking van een transistor te bestuderen? Zelfs voor een beginner is dit geen probleem als je gebruik maakt van de hulp van onze studentenservicespecialisten.

Aarzel niet om professionele hulp te zoeken bij belangrijke zaken zoals studeren! En nu je al een idee hebt over transistors, raden we je aan om te ontspannen en de video van Korn “Twisted transistor” te bekijken! Je besluit bijvoorbeeld contact op te nemen met de Correspondentie Student.

Een PNP-transistor is een elektronisch apparaat, in zekere zin het omgekeerde van een NPN-transistor. Bij dit type transistorontwerp worden de PN-overgangen geopend door spanningen met omgekeerde polariteit ten opzichte van het NPN-type. In het symbool van het apparaat wijst de pijl, die ook de emitteruitgang bepaalt, dit keer binnen het transistorsymbool.

Ontwerp van het apparaat

Het ontwerpcircuit van een PNP-type transistor bestaat uit twee gebieden van p-type halfgeleidermateriaal aan weerszijden van een gebied van n-type materiaal, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

De pijl identificeert de emitter en de algemeen aanvaarde richting van de stroom ("naar binnen" voor een PNP-transistor).

De PNP-transistor heeft zeer vergelijkbare kenmerken als zijn bipolaire NPN-tegenhanger, behalve dat de richtingen van stromen en spanningspolariteiten daarin worden omgekeerd voor elk van de drie mogelijke verbindingsschema's: met een gemeenschappelijke basis, met een gemeenschappelijke emitter en met een gemeenschappelijke collector. .

De belangrijkste verschillen tussen de twee soorten bipolaire transistors

Het belangrijkste verschil tussen beide is dat gaten de belangrijkste stroomdragers zijn voor PNP-transistors, NPN-transistors hebben elektronen in deze capaciteit. Daarom zijn de polariteiten van de spanningen die de transistor voeden omgekeerd en vloeit de ingangsstroom van de basis. Bij een NPN-transistor vloeit daarentegen de basisstroom erin, zoals hieronder weergegeven in het schakelschema voor het verbinden van beide typen apparaten met een gemeenschappelijke basis en een gemeenschappelijke emitter.

Het werkingsprincipe van een PNP-type transistor is gebaseerd op het gebruik van een kleine (zoals het NPN-type) basisstroom en een negatieve (in tegenstelling tot het NPN-type) basisvoorspanning om een veel grotere emitter-collectorstroom te regelen. Met andere woorden, voor een PNP-transistor is de emitter positiever ten opzichte van de basis en ook ten opzichte van de collector.

Laten we eens kijken naar de verschillen tussen het PNP-type in het aansluitschema met een gemeenschappelijke basis

Het is inderdaad te zien dat de collectorstroom IC (in het geval van een NPN-transistor) van de positieve pool van batterij B2 vloeit, door de collectorterminal gaat, erin doordringt en vervolgens via de basisterminal naar buiten moet gaan om terug te keren naar de negatieve pool van de batterij. Op dezelfde manier kun je, als je naar het emittercircuit kijkt, zien hoe de stroom van de positieve pool van batterij B1 de transistor bij de basisterminal binnenkomt en vervolgens in de emitter doordringt.

Zowel de collectorstroom IC als de emitterstroom IE gaan dus door de basisterminal. Omdat ze in tegengestelde richtingen langs hun circuits circuleren, is de resulterende basisstroom gelijk aan hun verschil en erg klein, aangezien IC iets minder is dan I E. Maar aangezien deze laatste nog groter is, valt de stromingsrichting van de verschilstroom (basisstroom) samen met IE, en daarom heeft een bipolaire transistor van het PNP-type een stroom die uit de basis vloeit, en een NPN-type heeft een inkomende stroom. huidig.

Verschillen tussen PNP-types met behulp van het voorbeeld van een verbindingscircuit met een gemeenschappelijke emitter

In dit nieuwe circuit wordt de basis-emitter-PN-overgang voorgespannen door batterijspanning B1 en wordt de collector-basisovergang in tegengestelde richting voorgespannen door batterijspanning B2. De emitteraansluiting is dus gemeenschappelijk voor de basis- en collectorcircuits.

De totale emitterstroom wordt gegeven door de som van twee stromen I C en I B; die in één richting door de emitterterminal gaat. We hebben dus I E = I C + I B.

In dit circuit "vertakt" de basisstroom I B zich eenvoudigweg af van de emitterstroom I E, en valt daarmee ook in de richting samen. In dit geval heeft een transistor van het PNP-type nog steeds een stroom die vloeit van de basis IB, en heeft een transistor van het NPN-type een inkomende stroom.

In de derde van de bekende transistorschakelcircuits, met een gemeenschappelijke collector, is de situatie precies hetzelfde. Daarom presenteren we het niet om ruimte en tijd voor de lezers te besparen.

PNP-transistor: spanningsbronnen aansluiten

De basis-naar-emitter-spanningsbron (VBE) is negatief verbonden met de basis en positief met de emitter, omdat de PNP-transistor werkt wanneer de basis negatief is ingesteld ten opzichte van de emitter.

De emittervoedingsspanning is ook positief ten opzichte van de collector (V CE). Bij een transistor van het PNP-type is de emitteraansluiting dus altijd positiever ten opzichte van zowel de basis als de collector.

De spanningsbronnen zijn aangesloten op de PNP-transistor, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Deze keer is de collector verbonden met de voedingsspanning VCC via een belastingsweerstand, RL, die de maximale stroom die door het apparaat vloeit beperkt. Een basisspanning VB, die hem negatief voorspant ten opzichte van de emitter, wordt erop aangelegd via een weerstand RB, die opnieuw wordt gebruikt om de maximale basisstroom te beperken.

Werking van een PNP-transistortrap

Om de basisstroom in een PNP-transistor te laten vloeien, moet de basis dus negatiever zijn dan de emitter (de stroom moet de basis verlaten) met ongeveer 0,7 volt voor een siliciumapparaat of 0,3 volt voor een germaniumapparaat. De formules die worden gebruikt om de basisweerstand, basisstroom of collectorstroom te berekenen, zijn dezelfde als die voor een gelijkwaardige NPN-transistor en worden hieronder weergegeven.

We zien dat het fundamentele verschil tussen een NPN- en een PNP-transistor de juiste voorinstelling van de pn-overgangen is, aangezien de richtingen van de stromen en de polariteiten van de spanningen daarin altijd tegengesteld zijn. Dus voor het bovenstaande circuit: I C = I E - I B, omdat de stroom uit de basis moet vloeien.

Over het algemeen kan een PNP-transistor in de meeste elektronische circuits worden vervangen door een NPN-transistor, met als enige verschil de spanningspolariteit en stroomrichting. Dergelijke transistors kunnen ook als schakelinrichtingen worden gebruikt, en hieronder wordt een voorbeeld van een PNP-transistorschakelaar weergegeven.

Transistorkarakteristieken

De uitgangskarakteristieken van een PNP-transistor lijken sterk op die van een gelijkwaardige NPN-transistor, behalve dat ze 180 ° zijn gedraaid om omgekeerde polariteit van spanningen en stromen mogelijk te maken (de basis- en collectorstromen van een PNP-transistor zijn negatief). Op dezelfde manier kan, om de werkpunten van een PNP-transistor te vinden, de dynamische belastingslijn worden weergegeven in het derde kwart van het cartesiaanse coördinatensysteem.

Typische kenmerken van de 2N3906 PNP-transistor worden weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Transistorparen in versterkertrappen

Je vraagt je misschien af wat de reden is om PNP-transistors te gebruiken als er veel NPN-transistors beschikbaar zijn die kunnen worden gebruikt als versterkers of solid-state schakelaars? Het hebben van twee verschillende typen transistors - NPN en PNP - biedt echter grote voordelen bij het ontwerpen van eindversterkercircuits. Deze versterkers gebruiken 'complementaire' of 'aangepaste' transistorparen (die één PNP-transistor en één NPN-transistor vertegenwoordigen die met elkaar zijn verbonden, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding) in de eindtrap.

Twee overeenkomstige NPN- en PNP-transistoren met vergelijkbare kenmerken, identiek aan elkaar, worden complementair genoemd. TIP3055 (NPN-type) en TIP2955 (PNP-type) zijn bijvoorbeeld een goed voorbeeld van complementaire silicium-vermogenstransistors. Ze hebben allebei een DC-versterking β=I C/I B die binnen 10% is afgestemd en een grote collectorstroom van ongeveer 15 A, waardoor ze ideaal zijn voor motorbesturing of robottoepassingen.

Bovendien gebruiken klasse B-versterkers op elkaar afgestemde transistorparen in hun uitgangsvermogenstrappen. Daarin geleidt de NPN-transistor alleen de positieve halve golf van het signaal, en de PNP-transistor geleidt alleen de negatieve helft.

Hierdoor kan de versterker het vereiste vermogen in beide richtingen door de luidspreker sturen bij een bepaald vermogen en impedantie. Als gevolg hiervan wordt de uitgangsstroom, die gewoonlijk in de orde van enkele ampères ligt, gelijkmatig verdeeld over de twee complementaire transistoren.

Transistorparen in regelcircuits voor elektromotoren

Ze worden ook gebruikt in H-brug-stuurcircuits voor omkeerbare gelijkstroommotoren, die het mogelijk maken de stroom door de motor gelijkmatig in beide draairichtingen te regelen.

Het bovenstaande H-brugcircuit wordt zo genoemd omdat de basisconfiguratie van de vier transistorschakelaars lijkt op de letter "H" met de motor op de kruislijn. De transistor H-brug is waarschijnlijk een van de meest gebruikte typen omkeerbare DC-motorbesturingscircuits. Het maakt gebruik van “complementaire” paren NPN- en PNP-transistors in elke tak om als schakelaars te fungeren om de motor te besturen.

Stuuringang A zorgt ervoor dat de motor in één richting kan draaien, terwijl ingang B wordt gebruikt voor omgekeerde rotatie.

Als transistor TR1 bijvoorbeeld aan is en TR2 uit, is ingang A verbonden met de voedingsspanning (+Vcc), en als transistor TR3 uit is en TR4 aan, dan is ingang B verbonden met 0 volt (GND). Daarom zal de motor in één richting draaien, overeenkomend met het positieve potentieel van ingang A en het negatieve potentieel van ingang B.

Als de schakelaarstatussen worden gewijzigd zodat TR1 uit is, TR2 aan, TR3 aan en TR4 uit, zal de motorstroom in de tegenovergestelde richting stromen, waardoor deze omkeert.

Door gebruik te maken van tegengestelde logische niveaus "1" of "0" op de ingangen A en B, kunt u de draairichting van de motor regelen.

Bepaling van het type transistoren

Elke bipolaire transistor kan worden beschouwd als in wezen bestaande uit twee diodes die rug aan rug met elkaar zijn verbonden.

We kunnen deze analogie gebruiken om te bepalen of een transistor van het PNP- of NPN-type is door de weerstand tussen de drie aansluitingen te testen. Als we elk paar in beide richtingen testen met een multimeter, krijgen we na zes metingen het volgende resultaat:

1. Zender - Basis. Deze kabels moeten zich gedragen als een normale diode en slechts stroom in één richting geleiden.

2.Verzamelaar - Basis. Deze kabels moeten ook als een normale diode werken en slechts stroom in één richting geleiden.

3. Zender - Collector. Deze conclusies mogen in geen enkele richting worden getrokken.

Overgangsweerstandswaarden van transistors van beide typen

Dan kunnen we vaststellen dat de PNP-transistor gezond en gesloten is. Een kleine uitgangsstroom en een negatieve spanning aan de basis (B) ten opzichte van de emitter (E) zullen deze openen en veel meer emitter-collectorstroom laten stromen. PNP-transistors geleiden bij een positieve emitterpotentiaal. Met andere woorden, een bipolaire PNP-transistor zal alleen geleiden als de basis- en collectoraansluitingen negatief zijn ten opzichte van de emitter.