Tranzistory: princip činnosti a schéma zapojení Amperka / Wiki

V tomto krátkém přehledu jsme se pokusili v rámci možností popsat princip činnosti bipolárních tranzistorů a uvést příklady jejich použití. Samozřejmě tímto článkem nemůžeme nahradit tisíce stránek věnovaných tomuto tématu, ale doufáme, že informace, které poskytujeme, budou pro čtenáře užitečné.

<b>úvod</b>

Za datum vzniku bipolárního tranzistoru se považuje 23. prosinec 1947. V tento den byl tranzistor oznámen v Bell Telephone Laboratories of American Telephone and Telegraph. Navzdory skutečnosti, že výzkum byl prováděn více než dva roky, vzhled tranzistoru je způsoben kuriozitou. 16. prosince 1947 udělal laboratorní inženýr Walter Brattain chybu s polaritou napětí aplikovaného na krystal a neočekávaně obdržel stabilní efekt zesílení signálu.

V této recenzi se nebudeme pouštět do fyzikálních základů polovodičové elektroniky a zaměříme se na principy činnosti bipolárních tranzistorů a jejich využití v praktických obvodech. Než však přejdeme k popisu charakteristik bipolárních tranzistorů a jejich použití v návrhu obvodů, je nutné krátce zvážit základní pojmy teorie polovodičů. Pro jednoduchost prezentace polovodičem rozumíme křemík.

<b>Stručné teoretické informace</b>

Připomeňme, že elektrony v atomu se nacházejí pouze na povolených drahách. Čím blíže je orbita k jádru atomu, tím silnější je vazba mezi elektronem a jádrem a tím více energie je potřeba k oddělení elektronu od atomu. Můžeme říci, že elektrony jsou na různých energetických hladinách.

Valenční hladina je nejvyšší energetická hladina. Pro mnoho atomů není zcela vyplněn, takže vnější elektron může být zachycen atomem na této úrovni. Níže je vodivostní pásmo, ve kterém se mohou pohybovat volné elektrony.

Ve vodičích se vodivostní pás shoduje s valenčním pásem, takže elektrony ve vodičích se mohou volně pohybovat. U polovodičů je k přesunu z vodivého pásma do valenčního pásu potřeba pouze malé množství dodatečné energie a elektrony se mohou do valenčního pásma přesunout tepelným pohybem. V dielektrikách je rozdíl energie velký a k pohybu elektronů je zapotřebí značné vnější pole, což vede k rozpadu dielektrika.

K vytvoření bipolárního tranzistoru nebo diody jsou zapotřebí dva typy polovodičů: n-typ a p-typ. Získávají se dopováním 4-mocného křemíku polovodiči různého mocenství. K získání n-typu se používá nečistota 5-valentního polovodiče. V tomto případě nečistota vytvoří 4 vazby s křemíkem a 5. valenční elektron zůstává volný a může opustit valenční pás. Proto je elektron hlavním nosičem náboje v polovodiči typu n a 5-valentní nečistota se nazývá donor.

Výroba křemíku typu p se dosahuje zavedením 3-valentního polovodiče nazývaného akceptor. S křemíkem tvoří 3 vazby a volný zůstává 4. elektron atomu křemíku, který lze z valenčního pásma odstranit např. se zvyšující se teplotou nebo působením vnějšího elektrického pole. Atom křemíku s nenaplněným valenčním pásem má kladný náboj a nazývá se díra.

Atom křemíku se na rozdíl od elektronu nemůže volně pohybovat, takže když níže mluvíme o pohybu díry, musíme pochopit, že jde pouze o pohodlnou abstrakci pro popis. Dojem pohybu děr vzniká tím, že elektrony opouštějí atomy křemíku, a zdá se, že kladně nabité díry, které jsou hlavním nosičem náboje v polovodiči typu p, se pohybují.

Pokud připojíte polovodiče typu n a typu p, začne difúze nosné (difúzní proud). Elektrony se přesunou do p-oblasti a díry do n-oblasti (obr. 1a). Nosiče se budou částečně rekombinovat, což povede k poklesu mobilních nosičů náboje, a částečně se budou nacházet v úzké oblasti zvané pn přechod (obr. 1b).

Rýže. 1. Proces tvorby pn přechodu. Vyplněné kruhy jsou elektrony, otevřené kruhy jsou díry.

V oblasti pn přechodu vzniká elektrické pole, které brání difúzi nosičů, vzniká potenciální bariéra (obr. 1c), k jejímuž překonání potřebují většinové nosiče dodatečnou energii, zatímco menšinové nosiče se naopak budou pohybovat vlivem elektrického pole pn přechodu – vytvářejí driftový proud. Při nepřítomnosti vnějšího elektrického pole se difúzní a driftové proudy vzájemně vyrovnávají.

Pokud aplikujeme vnější elektrické pole namířené proti elektrickému poli pn přechodu, potenciálová bariéra se zmenší, tudíž se zvýší difúzní proud. V tomto případě se vnější napětí nazývá předpětí. Když se změní polarita vnějšího napětí, potenciální bariéra se zvýší a driftový proud se zvýší: aplikované napětí se pak nazývá zpětné předpětí.

<b>Princip činnosti bipolárního tranzistoru</b>

Bipolární tranzistory jsou polovodičová součástka se dvěma pn přechody. Existují dva typy vodivosti tranzistorů – pnp a npn. Schematická struktura obou typů, jakož i jejich polohové označení jsou na Obr. 2. Tranzistor se skládá ze tří oblastí: emitor, báze a kolektor. Na Obr. 2 jsou tyto oblasti označeny písmeny „E“, „B“ a „K“, šipka emitoru ukazuje směr toku proudu.

Rýže. 2. Tranzistory: a) typ pnp; b) typ npn

Základna tranzistoru je konstrukčně velmi tenká, obvykle ne více než 10 mikronů, takže vyžadují malou energii k pohybu hlavních nosičů přes základnu. Popišme si princip činnosti bipolárního tranzistoru na příkladu npn tranzistoru (obr. 3).

Rýže. 3. Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Pro zapnutí tranzistoru se na přechod báze-emitor aplikuje předpětí U _BÝT , v tomto případě se potenciálová bariéra pn přechodu zmenšuje a hlavní nosiče emitoru, elektrony, ji snadno překonávají a jsou vstřikovány do oblasti báze díky energii přijaté z vnějšího pole. V oblasti báze dochází k procesu rekombinace – malá část vstřikovaných nosičů je zachycena hlavními nosiči báze – otvory, tvořící proud báze I _б . Během procesu rekombinace se elektrony přesunou do valenčního pásma díry a dvojice nosičů náboje zmizí. Hlavní část elektronů protíná tenkou oblast báze, dostává se ke kolektorovému přechodu a vstupuje do kolektorové oblasti – dochází k extrakci nosiče. Aktuální I_K1 kolektor je připojen k emitorovému proudu I _Э poměr:

kde: α je koeficient přenosu proudu emitoru, obvykle α = 0.96–0,999.

Kromě kolektorového proudu se přes kolektorový přechod přenášejí do základny menšinové nosiče a otvory. Tvoří zpětný kolektorový proud I_K, někdy nazývaný počáteční proud. Tedy celkový kolektorový proud I_K bude určeno vzorcem:

Zpravidla I_K1 >> já_K, proto lze zpětný proud zanedbat, v tomto případě I_K = I_K1. Z Kirchhoffova zákona plyne výraz (3) pro tranzistorové proudy:

Po vynechání přechodných transformací nakonec dostaneme:

kde: β = α/(1 – α), základní koeficient proudového přenosu.

Hodnota β v moderních bipolárních tranzistorech se pohybuje od několika desítek do několika tisíc jednotek. Ze vzorce (4) vyplývá, že tranzistor je zesilovací zařízení, ve kterém malý proud báze řídí výrazně větší kolektorový proud.

Rýže. 4. Tranzistorové připojovací obvody: a) se společným emitorem; b) společný základ; c) společný sběrač

Možné obvody pro sepnutí tranzistoru jsou na Obr. 4. Zpravidla se používají 3 spínací schémata:

• se společným emitorem (obr. 4a);
• se společnou základnou (obr. 4b);
• se společným kolektorem (obr. 4c).

Rýže. 5. Charakteristiky tranzistoru: a) vstupní; b) volný den

Statické vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru jsou uvedeny na Obr. 5. Vstupní charakteristikou je napěťová závislost U _BÝT ze základního proudu I _Б nebo emitorový proud a je podobný proudově-napěťové charakteristice diody. Výstupní charakteristika odráží všechny režimy činnosti bipolárního tranzistoru při různých vstupních proudech.

V režimu cutoff není žádný řídicí proud a tranzistor je vypnutý. V aktivním režimu je spojení emitor-báze s předpětím a spojení kolektor-báze je obrácené. Tranzistor je v tomto případě v lineární oblasti a pracuje v režimu zesílení, jeho výstupní proud závisí na vstupním proudu. V saturačním režimu jsou oba přechody předpětí, výstupní proud nezávisí na vstupním proudu, ale je určen pouze odporem zátěže. Úbytek napětí kolektor-emitor je minimální a nepřesahuje 0,1–0,2 V. Tento režim se používá při spínání zátěže, tranzistor hraje roli spínače, proto se saturačnímu režimu někdy říká klíčový režim.

Je třeba mít na paměti, že na Obr. Obrázek 2 ukazuje schematické znázornění konstrukce tranzistoru, ve kterém mají kolektor a emitor stejnou velikost, takže se může zdát, že kolektor a emitor lze zaměnit. To však vůbec není pravda: jako příklad na Obr. Obrázek 6 ukazuje řez tranzistorem vyrobeným technologií mesa-planar (obr. 6a) a difuzně-planární technologií (obr. 6b) Jak je patrné z obrázku, kolektor a emitor tranzistorů se znatelně liší velikost. Pokud se při instalaci tranzistoru montér splete a zamění emitor s kolektorem, zhorší se parametry tranzistoru, sníží se zisk a pracovní frekvenční pásmo a zvýší se úbytek napětí kolektor-emitor U _K-E při provozu v režimu klíče.

Rýže. 6. Průřez reálného tranzistoru

Dnes již není možné najít aplikace, ve kterých jsou zesilovací obvody postaveny výhradně na diskrétních bipolárních tranzistorech. Takové obvody se používají pouze jako koncové zesilovací stupně a předběžné zesílení a úprava signálu jsou realizovány na analogových mikroobvodech. Vynecháme proto popisy malosignálových parametrů tranzistoru, ale přidáme pár slov o frekvenčních vlastnostech tranzistoru.

Setrvačnost tranzistoru je způsobena konečnou rychlostí pohybu nosiče přes oblast báze, což zase vede ke zpoždění v resorpci a akumulaci náboje v oblasti báze. Dalším důvodem pro omezení frekvenčních vlastností tranzistoru je parazitní kapacita kolektorového přechodu. Uvedené vlastnosti vedou ke snížení zesílení tranzistoru s rostoucí frekvencí a snížení maximální spínací frekvence tranzistoru ve spínacím režimu.

<b>Příklady použití bipolárního tranzistoru</b>

Uveďme několik příkladů použití bipolárního tranzistoru v obvodech realizovaných v praxi.

Rýže. 7. Zdroj proudu pro plovoucí zátěž

Na Obr. Obrázek 7 ukazuje zdroj proudu pro plovoucí zátěž (zátěž není spojena se zemí). Zpětná vazba od emitoru tranzistoru zajišťuje udržení nastaveného napětí U _VX při odporu R1. Proto prostřednictvím tohoto odporu U _VX /R1 také podporuje konstantní proud emitoru. Kolektorový proud je určen ze vztahu (3) a proud báze – ze vztahu (4). Čím vyšší je tedy zesílení β, tím menší jsou rozdíly v proudech I _Э a já_K.

Rýže. 8. Bipolární vysílač emitoru

Na Obr. Obrázek 8 ukazuje sledovač bipolárního emitoru. Zpětnovazební napětí je odstraněno ze zátěže, což umožňuje udržovat konstantní napětí U _VÝSTUP =U _VX na zátěži a vyhněte se zkreslení, když je výstupní napětí operačního zesilovače v mezích U _{BÝT n–p–n}…. U _{BÝT p–n–p}.

Rýže. 9. Spínače zátěže: a) unipolární; b) bipolární

Na Obr. Obrázek 9 ukazuje použití bipolárních tranzistorů v obvodech unipolárního spínače (obr. 9a) a bipolárních zátěžových spínačů (obr. 9b). Tranzistory v tomto případě pracují v režimu klíče. Horní pnp tranzistor VT1 (obr. 9b) se otevírá při záporném řídícím napětí, spodní npn tranzistor se otevírá při kladném řídícím napětí.

Tranzistor je všudypřítomnou a důležitou součástí moderní mikroelektroniky. Jeho účel je jednoduchý: umožňuje ovládat mnohem silnější pomocí slabého signálu.

Zejména může být použit jako řízená „klapka“: nepřítomností signálu na „bráně“ blokovat tok proudu a jeho napájením jej povolit. Jinými slovy: jedná se o tlačítko, které se nestiskne prstem, ale přivedením napětí. Toto je nejběžnější aplikace v digitální elektronice.

Tranzistory jsou k dispozici v různých baleních: stejný tranzistor může vypadat úplně jinak. Při prototypování jsou nejběžnější kryty:

TO-92 – kompaktní, pro lehké zatížení.
TO-220AB – masivní, dobrý odvod tepla, pro velké zatížení.

Označení na schématech se také liší v závislosti na typu tranzistoru a standardu označení použitého v kompilaci. Ale bez ohledu na variace zůstává jeho symbol rozpoznatelný.

Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory (BJT, bipolární tranzistory) mají tři kontakty:

Kolektor – je do něj přiváděno vysoké napětí, které chcete ovládat.

Základna – přes ni se dodává malé množství proudodemknout velké; základna je uzemněna, aby ji blokovala.

Emitor – proud jím protéká z kolektoru a báze, když je tranzistor „otevřený“.

Hlavní charakteristikou bipolárního tranzistoru je indikátor h_fe, také známý jako zisk. Udává, kolikrát více proudu v sekci kolektor-emitor může tranzistor propustit v poměru k proudu báze-emitor.

Například pokud h_fe = 100 a bází prochází 0,1 mA, pak přes sebe tranzistor projde maximálně 10 mA. Pokud je v tomto případě součástka ve vysokoproudé sekci, která spotřebovává např. 8 mA, bude jí přiděleno 8 mA a tranzistor bude mít určitou „výšku“. Pokud existuje součástka, která odebírá 20 mA, bude poskytnuta pouze s maximálním proudem 10 mA.

Také dokumentace pro každý tranzistor uvádí maximální přípustná napětí a proudy na kontaktech. Překročení těchto hodnot vede k nadměrnému zahřívání a snížení životnosti a silné překročení může vést ke zničení.

NPN a PNP

Výše popsaný tranzistor je tzv. NPN tranzistor. Skládá se ze tří vrstev křemíku spojených v pořadí Negativní-Pozitivní-Negativní (NPN), kde negativní je slitina křemíku s přebytkem negativních nosičů náboje (n-dopovaná) a pozitivní je slitina křemíku s přebytkem kladné nosiče náboje (p-dopované).

NPN jsou efektivnější a běžnější v průmyslu.

Při označování PNP tranzistorů se liší ve směru šipky. Šipka vždy ukazuje od P do N. Tranzistory PNP mají „obrácené“ chování: proud není blokován, když je báze uzemněna, a blokována, když jí proud protéká.

Tranzistory s efektem pole

Tranzistory s efektem pole (FET, Field Effect Transistor) mají přesně stejný účel jako bipolární, liší se však svou vnitřní strukturou. Zvláštním typem těchto součástek jsou tranzistory MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Umožňují vám pracovat s mnohem větším výkonem při stejných rozměrech. A ovládání samotné „klapky“ se provádí výhradně pomocí napětí: hradlem tranzistorů s efektem pole na rozdíl od bipolárních neprotéká proud.

Tranzistory s efektem pole mají tři kontakty:

Drain – je do něj přiváděno vysoké napětí, které chcete ovládat.

Hradlo – je na něj přivedeno napětí, aby proud mohl protékat; brána je uzemněna, aby blokovala proud.

Zdroj – proud jím protéká z kolektoru, když je tranzistor „otevřený“.

N-kanál a P-kanál

Analogicky s bipolárními tranzistory se polní tranzistory liší polaritou. N-kanálový tranzistor byl popsán výše. Jsou nejčastější.

P-kanál, když je označen, se liší ve směru šipky a má opět „obrácené“ chování.

Připojení tranzistorů k buzení vysoce výkonných součástek

Typickým úkolem mikrokontroléru je zapínání a vypínání konkrétní součásti obvodu. Samotný mikrokontrolér má obvykle skromný výkon. Takže Arduino s výstupem 5 V na pin vydrží proud 40 mA. Výkonné motory nebo ultrasvítivé LED diody mohou čerpat stovky miliampérů. Při přímém připojení takových zátěží může čip rychle selhat. Některé součástky navíc vyžadují ke svému provozu napětí vyšší než 5 V, čehož výstupní piny Arduina (digitální výstupní pin) v podstatě nejsou schopny.

Ale snadno stačí k ovládání tranzistoru, který zase bude řídit velký proud. Řekněme, že potřebujeme připojit dlouhý LED pásek, který vyžaduje 12 V a spotřebuje 100 mA:

Nyní, když je výstup nastaven na logickou jedničku (vysoká), 5 V vstupujících do báze otevře tranzistor a páskou poteče proud – bude svítit. Nastavením výstupu na logickou nulu (nízká) dojde k uzemnění báze přes mikrokontrolér a zablokování toku proudu.

Dávejte pozor na odpor omezující proud R. Je nutné, aby při přiložení řídicího napětí nevznikl zkrat na trase mikrokontrolér-tranzistor-zem. Hlavní věcí není překročit přípustný proud přes pin Arduino 40 mA, takže musíte použít rezistor vypočítané hodnoty:

zde U_d – to je pokles napětí na samotném tranzistoru. Závisí na materiálu, ze kterého je vyroben, a je obvykle 0,3 – 0,6 V.

Ale absolutně není nutné udržovat proud na povolené hranici. Je pouze nutné, aby zesílení tranzistoru umožňovalo řídit požadovaný proud. V našem případě je to 100 mA. Řekněme pro použitý tranzistor h_fe = 100, pak nám bude stačit řídící proud 1 mA.

Vyhovuje nám rezistor s hodnotou od 118 Ohm do 4,7 kOhm. Pro stabilní provoz na jedné straně a malé zatížení čipu na straně druhé je 2,2 kOhm dobrou volbou.

Pokud místo bipolárního tranzistoru použijete tranzistor s efektem pole, můžete se obejít bez odporu:

To je způsobeno skutečností, že brána v takových tranzistorech je řízena výhradně napětím: v sekci mikrokontrolér-brána-zdroj není žádný proud. A díky svým vysokým charakteristikám vám obvod využívající MOSFET umožňuje řídit velmi výkonné komponenty.

Pokud není uvedeno jinak, obsah této wiki je licencován pod následující licencí: CC Attribution-Nonkomerční-Share Alike 4.0 International

Odvozená díla musí obsahovat odkaz na http://wiki.amperka.ru jako původní zdroj, bezprostředně před obsah práce.
Wiki běží na skvělém enginu DokuWiki.

obvod design/tranzistory.txt · Poslední změna: 2024. 07. 22 14:00 — mik

Nástroje stránky

• Zobrazit zdrojový text
• Historie stránky
• Odkazy zde
• nahoře