Het werkingsprincipe van een bipolaire transistor. Bipolaire transistor - een gedetailleerde beschrijving van alle halfgeleiderparameters

Transistor

Een transistor is een halfgeleiderapparaat waarmee een zwakker signaal een sterker signaal kan besturen. Vanwege deze eigenschap praten ze vaak over het vermogen van een transistor om een signaal te versterken. Hoewel het in feite niets versterkt, maar u eenvoudig een grote stroom met veel zwakkere stromen kunt in- en uitschakelen. Transistors komen veel voor in de elektronica, omdat de uitgang van een controller zelden een stroom van meer dan 40 mA kan produceren, daarom kunnen zelfs 2-3 low-power LED's niet langer rechtstreeks vanuit de microcontroller worden gevoed. Dit is waar transistors te hulp komen. Het artikel bespreekt de belangrijkste soorten transistors, de verschillen tussen PNP en NPN bipolaire transistors, P-kanaal van N-kanaals veldeffecttransistoren, bespreekt de belangrijkste subtiliteiten van het aansluiten van transistors en onthult hun toepassingsgebieden.

Verwar een transistor niet met een relais. Een relais is een simpele schakelaar. De essentie van zijn werk in het sluiten en openen van metalen contacten. De transistor is ingewikkelder en de werking ervan is gebaseerd op een elektron-gatovergang. Als je hier meer over wilt weten, kun je een uitstekende video bekijken die je door de werking van een transistor leidt, van eenvoudig tot complex. Laat u niet verwarren door het productiejaar van de video - de wetten van de fysica zijn sindsdien niet veranderd en een nieuwere video, waarin het materiaal in zo'n hoge kwaliteit wordt gepresenteerd, kon niet worden gevonden:

Soorten transistors

bipolaire transistor

De bipolaire transistor is ontworpen om lichte belastingen aan te sturen (zoals motoren met laag vermogen en servo's). Het heeft altijd drie uitgangen:

Collector (Engelse collector) - er wordt een hoge spanning aangelegd, die de transistor bestuurt

Basis (Engelse basis) - stroom wordt geleverd of uitgeschakeld om de transistor te openen of te sluiten

Emitter (Engelse zender) - de "laatste" uitgang van de transistor. Er stroomt stroom doorheen van de collector en de basis.

De bipolaire transistor wordt bestuurd door stroom. Hoe meer stroom er op de basis wordt toegepast, hoe meer stroom er van de collector naar de emitter zal vloeien. De verhouding van de stroom die van de emitter naar de collector gaat en de stroom door de basis van de transistor wordt de versterking genoemd. Aangeduid als hfe (in de Engelse literatuur heet gain).

Bijvoorbeeld, als hfe= 150, en 0,2 mA gaat door de basis, dan gaat de transistor maximaal 30 mA door zichzelf. Als er een component is aangesloten die 25 mA trekt (bijvoorbeeld een LED), wordt deze van 25 mA voorzien. Als er een component is aangesloten die 150 mA trekt, wordt alleen de maximale 30 mA geleverd. De documentatie voor het contact geeft de maximaal toelaatbare waarden van stromen en spanningen aan basis-> emitter en verzamelaar -> emitter . Het overschrijden van deze waarden leidt tot oververhitting en uitval van de transistor.

Grappige foto's:

NPN en PNP bipolaire transistoren

Er zijn 2 soorten polaire transistoren: NPN en PNP. Ze verschillen in de afwisseling van lagen. N (van negatief - negatief) is een laag met een overmaat aan negatieve ladingsdragers (elektronen), P (van positief - positief) is een laag met een overmaat aan positieve ladingsdragers (gaten). Leer meer over elektronen en gaten in de video hierboven.

Het gedrag van transistoren hangt af van de afwisseling van lagen. De animatie hierboven toont: NPN transistor. V PNP transistorbesturing is omgekeerd - stroom vloeit door de transistor wanneer de basis is geaard en geblokkeerd wanneer stroom door de basis wordt gevoerd. In het diagram PNP en NPN verschillen in de richting van de pijl. De pijl wijst altijd naar de overgang van N Naar P:

Aanduiding van NPN (links) en PNP (rechts) transistors op het diagram

NPN-transistoren komen vaker voor in de elektronica omdat ze efficiënter zijn.

FET

Veldeffecttransistors verschillen van bipolaire transistoren in hun interne structuur. MOS-transistors komen het meest voor in de amateurelektronica. MOS is een afkorting voor metaaloxide-geleider. Hetzelfde in het Engels: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor wordt afgekort als MOSFET. Met MOS-transistors kunt u grote vermogens regelen met een relatief klein formaat van de transistor zelf. De transistor wordt aangedreven door spanning, niet door stroom. Omdat de transistor wordt bestuurd door een elektrische veld, de transistor kreeg zijn naam - veld gehuil.

Veldeffecttransistoren hebben minimaal 3 uitgangen:

Afvoer - er wordt een hoge spanning op toegepast, die u wilt regelen

Gate (Engelse poort) - er wordt spanning op toegepast om de transistor te besturen

Bron (Engelse bron) - er stroomt stroom doorheen vanuit de afvoer wanneer de transistor "open" is

Er zou een animatie moeten zijn met een veldeffecttransistor, maar deze zal op geen enkele manier verschillen van de bipolaire, behalve de schematische weergave van de transistors zelf, dus er zal geen animatie zijn.

N-kanaal en P-kanaal FET's

Veldeffecttransistors zijn ook verdeeld in 2 typen, afhankelijk van het apparaat en het gedrag. N kanaal(N-kanaal) opent wanneer de poort wordt bekrachtigd en sluit. wanneer er geen spanning is. P-kanaal(P-kanaal) werkt andersom: zolang er geen spanning op de gate staat, loopt er stroom door de transistor. Wanneer er spanning op de poort wordt gezet, stopt de stroom. In het diagram worden veldeffecttransistoren iets anders weergegeven:

Naar analogie met bipolaire transistors, verschillen veldeffecttransistoren in polariteit. De N-kanaaltransistor is hierboven beschreven. Ze zijn de meest voorkomende.

Het P-kanaal verschilt in de richting van de pijl wanneer het wordt aangegeven en heeft wederom een "omgekeerd" gedrag.

Er is een misvatting dat een veldeffecttransistor wisselstroom kan regelen. Dit is niet waar. Gebruik een relais om wisselstroom te regelen.

Darlington-transistor

De Darlington-transistor is niet helemaal correct om te verwijzen naar een apart type transistor. Het is echter onmogelijk om ze niet te vermelden in dit artikel. De Darlington-transistor wordt meestal gevonden in de vorm van een microschakeling die meerdere transistors bevat. Bijvoorbeeld ULN2003. De Darlington-transistor kenmerkt zich door het vermogen om snel te openen en te sluiten (er mee te werken) en tegelijkertijd hoge stromen te weerstaan. Het is een soort composiettransistor en is een cascadeverbinding van twee of, zelden, meer transistors, zo verbonden dat de belasting in de emitter van de vorige trap de basis-emitterovergang is van de transistor van de volgende trap, dat wil zeggen, de transistors zijn verbonden door collectoren en de emitter van de ingangstransistor is verbonden met het basisweekend. Bovendien kan de ohmse belasting van de emitter van de vorige transistor worden gebruikt als onderdeel van het circuit om het sluiten te versnellen. Een dergelijke verbinding als geheel wordt beschouwd als één transistor, waarvan de stroomversterking, wanneer de transistoren in actieve modus zijn, ongeveer gelijk is aan het product van de versterkingen van alle transistoren.

Transistoraansluiting

Het is geen geheim dat het Arduino-bord in staat is om een spanning van 5 V aan de uitgang te leveren met een maximale stroom van maximaal 40 mA. Deze stroom is niet voldoende om een krachtige belasting aan te sluiten. Probeer je bijvoorbeeld een ledstrip of een motor rechtstreeks op de uitgang aan te sluiten, dan beschadig je gegarandeerd de Arduino-uitgang. Het is mogelijk dat het hele bord uitvalt. Bovendien kunnen sommige plug-in componenten meer dan 5V nodig hebben om te werken. Beide problemen worden opgelost door de transistor. Het zal helpen om met een kleine stroom van de Arduino-uitgang een krachtige stroom van een aparte voeding te regelen of een spanning van 5 V te gebruiken om een grotere spanning te regelen (zelfs de zwakste transistors hebben zelden een spanningslimiet van minder dan 50 V). Overweeg bijvoorbeeld om een motor aan te sluiten:

In het bovenstaande diagram is de motor aangesloten op een aparte stroombron. Tussen de motorpin en de voeding voor de motor hebben we een transistor geplaatst die zal worden aangestuurd met behulp van elke Arduino digitale pin. Wanneer een HOOG signaal wordt toegepast op de controller-uitgang van de controller-uitgang, zullen we een zeer kleine stroom nemen om de transistor te openen, en een grote stroom zal door de transistor vloeien en de controller niet beschadigen. Let op de weerstand die is geïnstalleerd tussen de Arduino-uitgang en de basis van de transistor. Het is nodig om de stroom die langs de microcontroller-transistor-aardroute vloeit te beperken en kortsluiting te voorkomen. Zoals eerder vermeld, is de maximale stroom die uit een Arduino-pin kan worden getrokken 40mA. Daarom hebben we een weerstand nodig van minimaal 125 ohm (5V / 0,04A = 125 ohm). Je kunt gerust een weerstand van 220 ohm gebruiken. In feite moet de weerstand worden gekozen rekening houdend met de stroom die op de basis moet worden toegepast om de vereiste stroom door de transistor te verkrijgen. Voor de juiste selectie van de weerstand moet rekening worden gehouden met de versterking ( hfe).

BELANGRIJK!! Als u een krachtige belasting van een afzonderlijke voeding aansluit, moet u de aarde ("min") van de belastingsvoeding en de grond ("GND"-pin) van de Arduino fysiek verbinden. Anders kunt u de transistor niet besturen.

Bij gebruik van een FET is een stroombegrenzende weerstand op de gate niet nodig. De transistor wordt uitsluitend aangedreven door spanning en er vloeit geen stroom door de poort.

bipolaire transistor.

bipolaire transistor- een elektronische halfgeleiderinrichting, een van de typen transistoren, ontworpen om elektrische signalen te versterken, te genereren en om te zetten. De transistor heet bipolair, aangezien twee soorten ladingsdragers gelijktijdig deelnemen aan de werking van het apparaat - elektronen en gaten. Hierin verschilt het van unipolair(veldeffect)transistor, waaraan slechts één type ladingsdragers deelneemt.

Het werkingsprincipe van beide soorten transistors is vergelijkbaar met de werking van een waterklep die de waterstroom regelt, alleen de stroom van elektronen gaat door de transistor. In bipolaire transistors gaan twee stromen door het apparaat - de belangrijkste "grote" stroom en de controle "kleine" stroom. Het vermogen van de hoofdstroom is afhankelijk van het vermogen van de besturing. In veldeffecttransistors gaat er maar één stroom door het apparaat, waarvan de kracht afhangt van het elektromagnetische veld. In dit artikel gaan we dieper in op de werking van een bipolaire transistor.

Bipolair transistorapparaat.

De bipolaire transistor bestaat uit drie halfgeleiderlagen en twee PN-overgangen. Onderscheid PNP- en NPN-transistoren per type interleaving gaten en elektronen geleidbaarheid. Het is als twee diode face-to-face verbonden of omgekeerd.

Een bipolaire transistor heeft drie contacten (elektroden). Het contact dat uit de centrale laag komt, heet basis (basis). De eindelektroden worden genoemd verzamelaar en emitter (verzamelaar en emitter). De basislaag is erg dun ten opzichte van de collector en emitter. Bovendien zijn de halfgeleidergebieden aan de randen van de transistor niet symmetrisch. De halfgeleiderlaag aan de collectorzijde is iets dikker dan aan de emitterzijde. Dit is nodig voor de goede werking van de transistor.

De werking van een bipolaire transistor.

Overweeg de fysieke processen die plaatsvinden tijdens de werking van een bipolaire transistor. Laten we als voorbeeld het NPN-model nemen. Het werkingsprincipe van een PNP-transistor is vergelijkbaar, alleen de spanningspolariteit tussen de collector en de emitter zal tegengesteld zijn.

Zoals al vermeld in artikel over de soorten geleiding in halfgeleiders, in een P-type stof zijn er positief geladen ionen - gaten. Een stof van het N-type is verzadigd met negatief geladen elektronen. In een transistor is de concentratie van elektronen in het N-gebied veel hoger dan de concentratie van gaten in het P-gebied.

Sluit een spanningsbron aan tussen de collector en de emitter V CE (V CE). Onder zijn actie zullen de elektronen van het bovenste N-deel worden aangetrokken door de plus en zich verzamelen in de buurt van de collector. De stroom kan echter niet vloeien omdat het elektrische veld van de spanningsbron de emitter niet bereikt. Dit wordt voorkomen door een dikke laag collectorhalfgeleider plus een laag basishalfgeleider.

Sluit nu de spanning aan tussen de basis en de emitter V BE , maar veel lager dan V CE (voor siliciumtransistors is de minimaal vereiste V BE 0,6V). Omdat de laag P erg dun is, zal een met de basis verbonden spanningsbron in staat zijn om met zijn elektrisch veld "uit te reiken" naar het N-gebied van de emitter. Onder zijn actie zullen de elektronen naar de basis gaan. Sommigen van hen zullen de gaten beginnen te vullen die zich daar bevinden (recombineren). Het andere deel zal geen vrij gat voor zichzelf vinden, omdat de concentratie van gaten in de basis veel lager is dan de concentratie van elektronen in de emitter.

Hierdoor wordt de centrale laag van de basis verrijkt met vrije elektronen. De meeste zullen naar de collector gaan, omdat de spanning daar veel hoger is. Dit wordt ook vergemakkelijkt door een zeer kleine dikte van de centrale laag. Een deel van de elektronen, hoewel veel kleiner, zal nog steeds naar de plus van de basis stromen.

Als resultaat krijgen we twee stromen: een kleine - van de basis naar de emitter I BE, en een grote - van de collector naar de emitter I CE.

Als de basisspanning wordt verhoogd, zullen nog meer elektronen zich ophopen in de P-laag. Als gevolg hiervan zal de basisstroom iets toenemen en zal de collectorstroom aanzienlijk toenemen. Op deze manier, met een kleine verandering in de basisstroom I B , de collectorstroom I verandert sterk MET. Dat is hoe het gaat signaalversterking in een bipolaire transistor. De verhouding van de collectorstroom I C tot de basisstroom I B wordt de stroomversterking genoemd. aangegeven β , hfe of h21e, afhankelijk van de bijzonderheden van de berekeningen die met de transistor zijn uitgevoerd.

De eenvoudigste bipolaire transistorversterker

Laten we het principe van signaalversterking in het elektrische vlak in meer detail bekijken met behulp van het circuit als voorbeeld. Ik zal van tevoren reserveren dat zo'n schema niet helemaal klopt. Niemand sluit een gelijkspanningsbron rechtstreeks aan op een wisselstroombron. Maar in dit geval zal het gemakkelijker en duidelijker zijn om het versterkingsmechanisme zelf te begrijpen met behulp van een bipolaire transistor. Ook is de rekentechniek zelf in het onderstaande voorbeeld enigszins vereenvoudigd.

1. Beschrijving van de belangrijkste elementen van de keten

Laten we zeggen dat we een transistor hebben met een versterking van 200 (β = 200). Vanaf de zijkant van de collector sluiten we een relatief krachtige stroombron van 20V aan, vanwege de energie waarvan versterking zal optreden. Vanaf de zijkant van de basis van de transistor verbinden we een zwakke stroombron van 2V. Hiermee verbinden we in serie een bron van wisselspanning in de vorm van een sinus, met een oscillatie-amplitude van 0,1 V. Dit is het signaal dat moet worden versterkt. De weerstand Rb in de buurt van de basis is nodig om de stroom afkomstig van de signaalbron, die meestal een laag vermogen heeft, te beperken.

2. Berekening van ingangsbasisstroom I B

Laten we nu de basisstroom Ib berekenen. Omdat we te maken hebben met wisselspanning, moeten we twee stroomwaarden berekenen - bij maximale spanning (V max) en minimum (V min). Laten we deze huidige waarden respectievelijk I bmax en I bmin noemen.

Om de basisstroom te berekenen, moet u ook de basis-emitterspanning V BE weten. Er is één PN-overgang tussen de basis en de emitter. Het blijkt dat de basisstroom onderweg een halfgeleiderdiode "ontmoet". De spanning waarbij een halfgeleiderdiode begint te geleiden is ongeveer 0,6V. We zullen niet in details treden stroom-spanningskarakteristieken van de diode, en voor de eenvoud van berekeningen, nemen we een benaderend model, volgens welke de spanning op de stroomgeleidende diode altijd 0,6V is. Dit betekent dat de spanning tussen de basis en de emitter V BE = 0,6V is. En aangezien de emitter is verbonden met aarde (V E = 0), is de spanning van de basis naar aarde ook 0,6 V (V B = 0,6 V).

Laten we I bmax en I bmin berekenen met behulp van de wet van Ohm:

2. Berekening van de collectoruitgangsstroom I MET

Nu we de versterking kennen (β = 200), kunnen we eenvoudig de maximale en minimale waarden van de collectorstroom berekenen (I cmax en I cmin).

3. Berekening van uitgangsspanning V uit

De collectorstroom vloeit door de weerstand Rc, die we al hebben berekend. Het blijft om de waarden te vervangen:

4. Analyse van resultaten

Zoals uit de resultaten blijkt, bleek V Cmax kleiner te zijn dan V Cmin. Dit komt doordat de spanning over V Rc wordt afgetrokken van de voedingsspanning VCC. In de meeste gevallen maakt dit echter niet uit, omdat we geïnteresseerd zijn in de variabele component van het signaal - de amplitude, die toenam van 0,1V naar 1V. De frequentie en sinusvormige golfvorm zijn niet veranderd. Natuurlijk is een V uit / V in een verhouding van tien keer verre van de beste indicator voor een versterker, maar het is heel geschikt om het versterkingsproces te illustreren.

Laten we dus het werkingsprincipe van een versterker op een bipolaire transistor samenvatten. Door de basis vloeit een stroom Ib, die een constante en een variabele component draagt. De constante component is nodig zodat de PN-overgang tussen de basis en de emitter begint te geleiden - "opent". De variabele component is in feite het signaal zelf (handige informatie). De collector-emitterstroomsterkte in de transistor is het resultaat van vermenigvuldiging van de basisstroom met de versterking β. Op zijn beurt is de spanning over de weerstand Rc boven de collector het resultaat van het vermenigvuldigen van de versterkte collectorstroom met de waarde van de weerstand.

De uitgang Vout ontvangt dus een signaal met een verhoogde trillingsamplitude, maar met de bewaarde vorm en frequentie. Het is belangrijk om te benadrukken dat de transistor energie voor versterking haalt uit de VCC-voeding. Als de voedingsspanning niet voldoende is, kan de transistor niet volledig werken en kan het uitgangssignaal worden vervormd.

Bedrijfsmodi van een bipolaire transistor

In overeenstemming met de spanningsniveaus op de elektroden van de transistor, zijn er vier werkingsmodi:

Afgesneden modus.

Actieve modus (actieve modus).

Verzadiging modus.

Omgekeerde modus.

Afsnijmodus

Wanneer de basis-emitterspanning lager is dan 0,6V - 0,7V, is de PN-overgang tussen basis en emitter gesloten. In deze toestand heeft de transistor geen basisstroom. Als gevolg hiervan zal er ook geen collectorstroom zijn, omdat er geen vrije elektronen in de basis zijn die klaar zijn om naar de collectorspanning te gaan. Het blijkt dat de transistor als het ware op slot zit, en ze zeggen dat hij erin zit afsnijmodus.

Actieve modus

V actieve modus de spanning aan de basis is voldoende om de PN-overgang tussen de basis en de emitter te openen. In deze toestand heeft de transistor basis- en collectorstromen. De collectorstroom is gelijk aan de basisstroom vermenigvuldigd met de versterking. Dat wil zeggen, de actieve modus is de normale bedrijfsmodus van de transistor, die wordt gebruikt voor versterking.

Verzadigingsmodus

Soms kan de basisstroom te groot zijn. Als gevolg hiervan is het voedingsvermogen eenvoudigweg niet voldoende om een dergelijke collectorstroom te leveren die overeenkomt met de versterking van de transistor. In de verzadigingsmodus is de collectorstroom het maximum dat de voeding kan leveren en wordt niet beïnvloed door de basisstroom. In deze toestand kan de transistor het signaal niet versterken, omdat de collectorstroom niet reageert op veranderingen in de basisstroom.

In de verzadigingsmodus is de geleidbaarheid van de transistor maximaal en is deze meer geschikt voor de functie van de schakelaar (sleutel) in de "aan" -status. Evenzo is in de afsnijmodus de geleidbaarheid van de transistor minimaal, en dit komt overeen met de schakelaar in de "uit" -toestand.

Inverse modus

In deze modus wisselen de collector- en emitter-rollen: de collector-PN-overgang is voorwaarts voorgespannen en de emitterovergang is omgekeerd voorgespannen. Als gevolg hiervan vloeit er stroom van de basis naar de collector. Het collectorhalfgeleidergebied is niet symmetrisch ten opzichte van de emitter en de versterking in de inverse modus is lager dan in de normale actieve modus. Het ontwerp van de transistor is zo gemaakt dat deze in de actieve modus zo efficiënt mogelijk werkt. Daarom wordt de transistor in de inverse modus praktisch niet gebruikt.

Basisparameters van een bipolaire transistor.

huidige winst- de verhouding van de collectorstroom I C tot de basisstroom I B . aangegeven β , hfe of h21e, afhankelijk van de bijzonderheden van de berekeningen die met transistors zijn uitgevoerd.

β is een constante waarde voor één transistor en hangt af van de fysieke structuur van het apparaat. Hoge winst wordt berekend in honderden eenheden, laag - in tientallen. Voor twee afzonderlijke transistors van hetzelfde type, zelfs als ze tijdens de productie "buren langs de pijplijn" waren, kan β enigszins verschillen. Deze eigenschap van de bipolaire transistor is misschien wel de belangrijkste. Als andere parameters van het apparaat vaak in de berekeningen kunnen worden verwaarloosd, is de huidige versterking bijna onmogelijk.

Ingangsimpedantie:- weerstand in de transistor, die "voldoet" aan de basisstroom. aangegeven R in (R in). Hoe groter het is, hoe beter voor de versterkende eigenschappen van het apparaat, aangezien er meestal een zwakke signaalbron aan de basiszijde is, waarvan je zo min mogelijk stroom moet verbruiken. De ideale optie is wanneer de ingangsweerstand gelijk is aan oneindig.

R in voor een gemiddelde bipolaire transistor is enkele honderden KΩ (kilo-ohm). Hier verliest de bipolaire transistor veel aan de veldeffecttransistor, waar de ingangsweerstand honderden GΩ (gigaohms) bereikt.

Uitgangsgeleiding:- de geleidbaarheid van de transistor tussen collector en emitter. Hoe groter de uitgangsgeleiding, hoe meer collector-emitterstroom met minder vermogen door de transistor kan gaan.

Ook met een toename van de uitgangsgeleiding (of een afname van de uitgangsimpedantie), neemt de maximale belasting die de versterker kan weerstaan met weinig verlies aan algehele versterking toe. Als een transistor met een lage uitgangsgeleiding bijvoorbeeld een signaal 100 keer zonder belasting versterkt, dan zal het, wanneer een belasting van 1 KΩ is aangesloten, al slechts 50 keer worden versterkt. Een transistor met dezelfde versterking maar een hogere uitgangsgeleiding zal minder versterkingsdaling hebben. De ideale optie is wanneer de uitgangsgeleidbaarheid gelijk is aan oneindig (of de uitgangsweerstand R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

Bipolair transistorapparaat.

De bipolaire transistor bestaat uit drie halfgeleiderlagen en twee PN-overgangen. PNP- en NPN-transistors onderscheiden zich door het type wisselend gat en elektronische geleidbaarheid. Het is als twee diodes die van aangezicht tot aangezicht zijn verbonden of omgekeerd.

Zoals al vermeld in het artikel over de soorten geleidbaarheid in halfgeleiders, zijn er in een P-type stof positief geladen ionen - gaten. Een stof van het N-type is verzadigd met negatief geladen elektronen. In een transistor is de concentratie van elektronen in het N-gebied veel hoger dan de concentratie van gaten in het P-gebied.

Nu verbinden we de spanning tussen de basis en de emitter V BE , maar veel lager dan V CE (voor siliciumtransistors is de minimaal vereiste V BE 0,6V). Omdat de laag P erg dun is, plus een spanningsbron die op de basis is aangesloten, zal het met zijn elektrische veld "uit kunnen reiken" naar het N-gebied van de emitter. Onder zijn actie zullen de elektronen naar de basis gaan. Sommigen van hen zullen de gaten beginnen te vullen die zich daar bevinden (recombineren). Het andere deel zal geen vrij gat voor zichzelf vinden, omdat de concentratie van gaten in de basis veel lager is dan de concentratie van elektronen in de emitter.

Als resultaat krijgen we twee stromen: een kleine - van de basis naar de emitter I BE, en een grote - van de collector naar de emitter I CE.

Als de basisspanning wordt verhoogd, zullen nog meer elektronen zich ophopen in de P-laag. Als gevolg hiervan zal de basisstroom iets toenemen en zal de collectorstroom aanzienlijk toenemen. Op deze manier, met een kleine verandering in de basisstroom I B , de collectorstroom I varieert sterk C. Zo gaat het signaalversterking in een bipolaire transistor. De verhouding van de collectorstroom I C tot de basisstroom I B wordt de stroomversterking genoemd. aangegeven β , hfe of h21e, afhankelijk van de bijzonderheden van de berekeningen die met de transistor zijn uitgevoerd.

De eenvoudigste bipolaire transistorversterker

1. Beschrijving van de belangrijkste elementen van de keten

2. Berekening van de basisingangsstroom I b

Om de basisstroom te berekenen, moet u ook de basis-emitterspanning V BE weten. Er is één PN-overgang tussen de basis en de emitter. Het blijkt dat de basisstroom onderweg een halfgeleiderdiode "ontmoet". De spanning waarbij een halfgeleiderdiode begint te geleiden is ongeveer 0,6V. We zullen niet ingaan op de details van de stroom-spanningskarakteristieken van de diode, en voor het gemak van de berekening zullen we een benaderend model nemen, volgens welke de spanning over de stroomgeleidende diode altijd 0,6V is. Dit betekent dat de spanning tussen de basis en de emitter V BE = 0,6V is. En aangezien de emitter is verbonden met aarde (V E = 0), is de spanning van de basis naar aarde ook 0,6 V (V B = 0,6 V).

Laten we I bmax en I bmin berekenen met behulp van de wet van Ohm:

2. Berekening van de collectoruitgangsstroom I C

Nu we de versterking kennen (β = 200), kunnen we eenvoudig de maximale en minimale waarden van de collectorstroom berekenen (I cmax en I cmin).

3. Berekening van de uitgangsspanning V out

De collectorstroom vloeit door de weerstand Rc, die we al hebben berekend. Het blijft om de waarden te vervangen:

4. Analyse van resultaten

Bedrijfsmodi van een bipolaire transistor

In overeenstemming met de spanningsniveaus op de elektroden van de transistor, zijn er vier werkingsmodi:

Afgesneden modus.
Actieve modus (actieve modus).
Verzadiging modus.
Omgekeerde modus.

Afsnijmodus

Actieve modus

Verzadigingsmodus

Inverse modus

Basisparameters van een bipolaire transistor.

Ingangsimpedantie:- weerstand in de transistor, die "voldoet" aan de basisstroom. aangegeven R in (R in). Hoe groter het is, hoe beter voor de versterkende eigenschappen van het apparaat, aangezien er meestal een zwakke signaalbron aan de basiszijde is, waarvan je zo min mogelijk stroom moet verbruiken. De ideale optie is wanneer de ingangsweerstand gelijk is aan oneindig.

Goede middag vrienden!

Vandaag zullen we verder kennis maken met de elektronische "stenen" van computerhardware. We hebben al met u overwogen hoe veldeffecttransistoren zijn gerangschikt, die noodzakelijkerwijs op elk computermoederbord aanwezig zijn.

Ga comfortabel zitten - nu zullen we een intellectuele inspanning leveren en proberen uit te vinden hoe

bipolaire transistor

Een bipolaire transistor is een halfgeleiderapparaat dat veel wordt gebruikt in elektronische producten, waaronder computervoedingen.

Het woord "transistor" (transistor) is samengesteld uit twee Engelse woorden - "translate" en "resistor", wat "weerstandsomzetter" betekent.

Het woord "bipolair" geeft aan dat de stroom in het apparaat wordt veroorzaakt door geladen deeltjes met twee polariteiten - negatief (elektronen) en positief (zogenaamde "gaten").

"Hole" is geen jargon, maar een nogal wetenschappelijke term. Een "gat" is een niet-gecompenseerde positieve lading, of, met andere woorden, de afwezigheid van een elektron in het kristalrooster van een halfgeleider.

De bipolaire transistor is een drielaagse structuur met afwisselende typen halfgeleiders.

Aangezien er twee soorten halfgeleiders zijn, positief (positief, p-type) en negatief (negatief, n-type), kunnen er twee soorten van een dergelijke structuur zijn: p-n-p en n-p-n.

Het middelste gebied van een dergelijke structuur wordt de basis genoemd en de uiterste gebieden worden de emitter en collector genoemd.

Op de schema's worden bipolaire transistoren op een bepaalde manier aangeduid (zie figuur). We zien dat de transistor in wezen een pn-overgang is die in serie is geschakeld.

Opvulvraag - waarom kun je de transistor niet vervangen door twee diodes? Ze hebben tenslotte allemaal een pn-kruising, toch? Ik heb twee diodes in serie aangezet - en het zit in de zak!

Niet! Het feit is dat de basis in de transistor tijdens de fabricage erg dun is gemaakt, wat niet kan worden bereikt door twee afzonderlijke diodes aan te sluiten.

Het werkingsprincipe van een bipolaire transistor

Het basisprincipe van de transistor is dat een kleine basisstroom een veel grotere collectorstroom kan aansturen - in het bereik van bijna nul tot een maximaal mogelijke waarde.

De verhouding van de collectorstroom tot de basisstroom wordt de stroomversterking genoemd en kan variëren van enkele eenheden tot enkele honderden.

Het is interessant om op te merken dat het voor transistors met een laag vermogen vaak hoger is dan voor krachtige (en niet omgekeerd, zoals men zou denken).

Het verschil is dat, in tegenstelling tot de FET-poort, tijdens de besturing altijd de basisstroom aanwezig is, d.w.z. er wordt altijd wat macht besteed aan controle.

Hoe groter de spanning tussen de emitter en de basis, hoe groter de basisstroom en dus hoe groter de collectorstroom. Elke transistor heeft echter een maximaal toelaatbare spanning tussen emitter en basis en tussen emitter en collector. Voor overschrijding van deze parameters moet u betalen met een nieuwe transistor.

In de bedrijfsmodus is de basis-emitterovergang gewoonlijk open en is de basis-collectorovergang gesloten.

Een bipolaire transistor kan, net als een relais, ook in een sleutelmodus werken. Als je voldoende stroom op de basis zet (sluitknop S1) staat de transistor goed open. De lamp gaat branden.

In dit geval zal de weerstand tussen de emitter en de collector klein zijn.

De spanningsval in het emitter-collectorgedeelte zal enkele tienden volt bedragen.

Als u vervolgens stopt met het leveren van stroom aan de basis (open S1), zal de transistor sluiten, d.w.z. de weerstand tussen emitter en collector zal zeer hoog worden.

De lamp gaat uit.

Hoe een bipolaire transistor testen?

Aangezien een bipolaire transistor uit twee pn-overgangen bestaat, is het vrij eenvoudig om deze te controleren met een digitale tester.

Het is noodzakelijk om de bedieningsschakelaar van de tester in de stand te zetten door één sonde op de basis aan te sluiten en de tweede om de beurt op de zender en collector.

In feite controleren we eenvoudig achtereenvolgens de gezondheid van pn-overgangen.

Zo'n overgang kan zowel open als gesloten zijn.

Dan moet u de polariteit van de sondes wijzigen en de metingen herhalen.

In één geval zal de tester een spanningsval vertonen op de emitter-basis- en collector-basisovergangen van 0,6 - 0,7 V (beide overgangen zijn open).

In het tweede geval worden beide overgangen gesloten en registreert de tester dit.

Opgemerkt moet worden dat in de bedrijfsmodus meestal een van de transistorovergangen open is en de tweede gesloten.

Meten van de stroomoverdrachtscoëfficiënt van een bipolaire transistor

Als de tester de mogelijkheid heeft om de stroomoverdrachtscoëfficiënt te meten, kunt u de werking van de transistor controleren door de transistoruitgangen in de juiste aansluitingen te installeren.

De stroomoverdrachtsverhouding is de verhouding van de collectorstroom tot de basisstroom.

Hoe groter de overdrachtscoëfficiënt, hoe groter de collectorstroom kan worden geregeld door de basisstroom, terwijl alle andere dingen gelijk blijven.

De pinout (naam van de pinnen) en andere gegevens kunnen worden ontleend aan de datasheets (referentiegegevens) van de bijbehorende transistor. Datasheets zijn online te vinden via zoekmachines.

De tester zal op het display de huidige overdracht (versterking) verhouding weergeven, die moet worden vergeleken met de referentiegegevens.

De stroomoverdrachtscoëfficiënt van transistors met een laag vermogen kan enkele honderden bereiken.

Voor krachtige transistors is het aanzienlijk minder - een paar eenheden of tientallen.

Er zijn echter krachtige transistors met een overdrachtsverhouding van enkele honderden of duizenden. Dit zijn de zogenaamde Darlington-paren.

Een Darlington-paar bestaat uit twee transistors. De uitgangsstroom van de eerste transistor is de ingangsstroom van de tweede.

De totale stroomoverdrachtscoëfficiënt is het product van de coëfficiënten van de eerste en tweede transistoren.

Een Darlington-paar wordt gemaakt in een gemeenschappelijk pakket, maar het kan ook worden gemaakt van twee afzonderlijke transistors.

Geïntegreerde diodebescherming

Sommige transistoren (vermogen en hoogspanning) kunnen worden beschermd tegen sperspanning door een ingebouwde diode.

Dus als u de testersondes aansluit op de zender en collector in de diodetestmodus, dan zal deze dezelfde 0,6 - 0,7 V weergeven (als de diode in de voorwaartse richting is voorgespannen) of "vergrendelde diode" (als de diode is vooringenomen in de omgekeerde richting).

Als de tester een lichte spanning vertoont, en zelfs in beide richtingen, dan: de transistor is zeker kapot en moet worden vervangen. Een kortsluiting kan ook worden bepaald in de weerstandsmeetmodus - de tester zal een lage weerstand vertonen.

Er is (gelukkig, vrij zelden) een "gemiddelde" storing van transistors. Dit is wanneer het aanvankelijk werkt, en na enige tijd (of na opwarmen) verandert het zijn parameters of faalt het helemaal.

Als je zo'n transistor soldeert en met een tester controleert, heeft hij tijd om af te koelen voordat de sondes worden aangesloten en zal de tester laten zien dat het normaal is. U kunt dit het beste controleren door de "verdachte" transistor in het apparaat te vervangen.

Concluderend zeggen we dat de bipolaire transistor een van de belangrijkste "stukken van ijzer" in de elektronica is. Het zou leuk zijn om erachter te komen of deze "stukjes ijzer" "levend" zijn of niet. Natuurlijk heb ik jullie, beste lezers, een zeer vereenvoudigd beeld gegeven.

In feite wordt de werking van een bipolaire transistor beschreven door vele formules, er zijn veel variëteiten, maar dit is een complexe wetenschap. Voor degenen die dieper willen graven, kan ik het prachtige boek van Horowitz en Hill, The Art of Circuitry, aanbevelen.

Transistoren voor uw experimenten kunnen worden gekocht

Tot ziens op de blog!

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

Instrument ontwerp

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

De pijl definieert de emitter en de algemeen aanvaarde richting van zijn stroom ("in" voor een PNP-transistor).

De PNP-transistor heeft zeer vergelijkbare kenmerken als zijn NPN bipolaire tegenhanger, behalve dat de richting van de stromen en de polariteit van de spanningen daarin zijn omgekeerd voor elk van de drie mogelijke schakelcircuits: gemeenschappelijke basis, gemeenschappelijke emitter en 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-transistoren, NPN-transistoren hebben elektronen in deze hoedanigheid. Daarom zijn de polariteiten van de spanningen die de transistor voeden omgekeerd en vloeit de ingangsstroom van de basis. Bij een NPN-transistor daarentegen vloeit de basisstroom erin, zoals hieronder weergegeven in het bedradingsschema voor beide typen apparaten met een gemeenschappelijke basis en een gemeenschappelijke emitter.

Het werkingsprincipe van de 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 aan te sturen. Met andere woorden, voor een PNP-transistor is de emitter positiever ten opzichte van de basis en ook ten opzichte van de collector.

Overweeg de verschillen van het PNP-type in het schakelcircuit met een gemeenschappelijke basis

Hieruit blijkt inderdaad dat de collectorstroom IC (in het geval van een NPN-transistor) uit de positieve pool van de batterij B2 stroomt, door de collectorterminal gaat, erin doordringt en dan via de basisterminal moet verlaten om terug te keren naar de negatieve pool van de batterij. Op dezelfde manier, als je naar het emittercircuit kijkt, kun je zien hoe de stroom van de positieve pool van de batterij B1 de transistor binnenkomt via de basisterminal en vervolgens de emitter binnendringt.

Dus zowel de collectorstroom I C als de emitterstroom I E gaan door de basisterminal. Omdat ze in tegengestelde richtingen in hun circuits circuleren, is de resulterende basisstroom gelijk aan hun verschil en is erg klein, aangezien I C iets kleiner is dan I E . Maar aangezien de laatste nog groter is, valt de stroomrichting van de differentiële stroom (basisstroom) samen met IE , en daarom heeft de bipolaire transistor van het PNP-type een stroom die uit de basis vloeit en heeft een bipolaire transistor van het NPN-type een stroom binnenstromen.

Verschillen van het PNP-type op het voorbeeld van een schakelcircuit met een gemeenschappelijke emitter

In dit nieuwe circuit wordt de basis-emitter PN-overgang ingeschakeld door batterijspanning B1 en wordt de collector-basisovergang omgekeerd voorgespannen door batterijspanning B2. De emitterterminal wordt dus gedeeld tussen de basis- en collectorcircuits.

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

In deze schakeling "vertakt" de basisstroom I B zich eenvoudig van de emitterstroom I E, die er ook in de richting mee samenvalt. Tegelijkertijd laat een PNP-type transistor nog steeds een stroom vloeien uit de basis IB, en een NPN-type transistor heeft een stroom die naar binnen vloeit.

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 te besparen voor de lezers.

PNP-transistor: aansluiting van spanningsbronnen

De spanningsbron tussen de basis en de emitter (V BE) is verbonden met een negatieve pool met de basis en een positieve pool met de emitter, omdat de werking van de PNP-transistor optreedt wanneer de basis negatief is voorgespannen ten opzichte van de emitter.

De voedingsspanning van de emitter is ook positief ten opzichte van de collector (V CE). In een transistor van het PNP-type is de emitterterminal 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 aangesloten op de voedingsspanning V CC via een belastingsweerstand, R L , die de maximale stroom die door het apparaat vloeit, begrenst. De basisspanning VB, die hem in de negatieve richting ten opzichte van de emitter voorspant, wordt daarop aangelegd via de weerstand RB, die opnieuw wordt gebruikt om de maximale basisstroom te begrenzen.

Werking van de PNP-transistortrap

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

We zien dat het fundamentele verschil tussen een NPN- en een PNP-transistor de juiste voorspanning van de pn-overgangen is, aangezien de richtingen van de stromen en de polariteit 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.

In de regel kan een PNP-transistor in de meeste elektronische schakelingen worden vervangen door een NPN-transistor, het verschil zit alleen in de polariteit van de spanning en de richting van de stroom. Dergelijke transistoren kunnen ook worden gebruikt als schakelapparatuur en een voorbeeld van een PNP-schakelaar wordt hieronder weergegeven.

Transistorkenmerken:

De uitgangskarakteristieken van een PNP-transistor lijken erg op die van een equivalente NPN-transistor, behalve dat ze 180 ° worden gedraaid om rekening te houden met de omgekeerde polariteit van de spanningen en stromen (de basis- en collectorstromen van de PNP-transistor zijn negatief). Evenzo, om de werkpunten van een PNP-transistor te vinden, kan de dynamische belastingslijn worden uitgezet in het 3e kwadrant van het cartesiaanse coördinatensysteem.

De typische kenmerken van de 2N3906 PNP-transistor zijn weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Transistorparen in versterkertrappen

U vraagt zich misschien af wat de reden is om PNP-transistoren te gebruiken als er veel NPN-transistors beschikbaar zijn die kunnen worden gebruikt als versterkers of solid-state schakelaars? De aanwezigheid van twee verschillende soorten transistors - NPN en PNP - biedt echter grote voordelen bij het ontwerpen van vermogensversterkercircuits. Deze versterkers gebruiken "complementaire" of "gematchte" transistorparen (een PNP-transistor en een NPN die met elkaar zijn verbonden zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding) in de eindtrap.

Twee corresponderende NPN- en PNP-transistoren met vergelijkbare kenmerken die identiek zijn aan elkaar, worden complementair genoemd. TIP3055 (NPN-type) en TIP2955 (PNP-type) zijn bijvoorbeeld goede voorbeelden van complementaire siliciumvermogenstransistoren. Ze hebben allebei een constante stroomversterking β=I C /I B die overeenkomt met 10% en een hoge collectorstroom van ongeveer 15A, waardoor ze ideaal zijn voor motorbesturing of robottoepassingen.

Bovendien gebruiken klasse B-versterkers ook matchende transistorparen in hun vermogensuitgangstrappen. Daarin geleidt de NPN-transistor alleen de positieve halve golf van het signaal en de PNP-transistor alleen de negatieve helft.

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

Transistorparen in motorbesturingscircuits

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

Het bovenstaande H-brugcircuit is zo genoemd omdat de basisconfiguratie van de vier transistorschakelaars lijkt op de letter "H" met de motor in een kruislijn. De transistor H-brug is waarschijnlijk een van de meest gebruikte typen omkeerbare DC-motorbesturingscircuits. Het maakt gebruik van "complementaire" paren van NPN- en PNP-type transistors in elke tak, die fungeren als sleutels bij het besturen van de motor.

Met besturingsingang A kan de motor in één richting draaien, terwijl ingang B wordt gebruikt voor omgekeerde rotatie.

Als bijvoorbeeld transistor TR1 aan is en TR2 uit is, 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, wat overeenkomt met de positieve potentiaal van ingang A en de negatieve van ingang B.

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

Door gebruik te maken van tegengestelde niveaus van logische "1" of "0" op ingangen A en B, kan de draairichting van de motor worden geregeld.

Bepalen van het type transistors

Elke bipolaire transistor kan worden gezien als in feite twee diodes die rug aan rug zijn aangesloten.

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

1. Zender - Basis. Deze pinnen moeten werken als een normale diode en slechts in één richting stroom geleiden.

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

3. Zender - Verzamelaar. Deze bevindingen zouden in geen enkele richting moeten gelden.

Overgangsweerstandswaarden van beide typen transistoren

Dan kunnen we de PNP-transistor als goed en gesloten definiëren. Een kleine uitgangsstroom en een negatieve spanning aan de basis (B) ten opzichte van de emitter (E) zal deze openen en een veel grotere emitter-collectorstroom laten vloeien. PNP-transistoren geleiden met een positieve emitterpotentiaal. Met andere woorden, een PNP bipolaire transistor zal alleen geleiden als de basis- en collectoraansluitingen negatief zijn ten opzichte van de emitter.